基于Pyrosim的高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律研究

黃治成　張浩

摘要：為更好地給高層建筑人員疏散提供依據(jù)，文章以某高層建筑火災(zāi)煙氣為研究對象，應(yīng)用Pyrosim軟件對該高層建筑的火災(zāi)進行數(shù)值模擬，分析了煙氣蔓延規(guī)律、煙氣溫度分布、有毒有害氣體濃度、煙氣能見度等變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：相較于辦公室門閉合狀態(tài)，門敞開狀態(tài)下的走廊內(nèi)的CO濃度較低;煙氣溫度較高，危險系數(shù)更大，但兩種狀態(tài)下人員疏散的安全時間都比較吻合。此次研究可以為高層建筑滅火救援和人員緊急疏散提供一定的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高層公共建筑火災(zāi);煙氣蔓延;Pyrosim數(shù)值模擬

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，全國各地高層建筑、超高層建筑大量涌現(xiàn)。這些建筑一般體量龐大、功能復(fù)雜、火災(zāi)荷載大、人員密集，給火災(zāi)防控帶來巨大壓力與挑戰(zhàn)。高層公共建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)蔓延速度快，易出現(xiàn)“煙囪式”立體燃燒，極易造成“群死群傷”。在這些火災(zāi)中，煙氣已然成了阻礙人們逃生和滅火行動并最終導(dǎo)致人員死亡的主要原因之一。因此，研究高層公共建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律具有重大意義。

自2000年2月美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布火災(zāi)動態(tài)模擬軟件（FDS）以來，計算機數(shù)值模擬已成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究不同火災(zāi)過程的重要方法[1]。此方法的關(guān)鍵是建立一個和火災(zāi)現(xiàn)場較為相似的模型，從而實現(xiàn)對火災(zāi)現(xiàn)場的整體把控。

GLASAJ等利用FDS軟件對電影院進行了火災(zāi)現(xiàn)場模擬，對其進行了安全危險性評估[2]。AHNC-S等對開閉式樓梯間進行了實驗和數(shù)值研究，結(jié)果表明進入新鮮空氣會降低煙氣的流動速度[3]。李琰等運用Pyrosim軟件對連體宿舍樓發(fā)生火災(zāi)時的煙氣蔓延特性進行數(shù)值模擬[4]。劉朝峰等對高層住宅建筑火災(zāi)進行了應(yīng)急疏散模擬與策略研究[5]。LONG-FEIH以CCTV北樓火災(zāi)為背景，用FDS模擬和分析火災(zāi)得出火災(zāi)蔓延的規(guī)律[6]。代長青等基于FDS研究了高層住宅火災(zāi)的煙氣蔓延特性、有害氣體濃度等，為人員疏散提供理論上的參考[7]。謝明峰等對高校教學(xué)樓火災(zāi)與人員疏散進行了研究，對人員安全疏散進行了預(yù)估[8]。

綜上所述，文章基于Pyrosim軟件以高層建筑火災(zāi)煙氣為研究對象來進行火災(zāi)模擬，從而為高層建筑滅火救援和人員緊急疏散提供理論指導(dǎo)。

一、高層公共建筑火災(zāi)數(shù)值模擬

（一）模型建立

該高層建筑場所模型為30m×20m×27.8m的建筑結(jié)構(gòu)（如圖1所示），共10層，每層600m²，每層設(shè)置2條疏散樓梯，每條樓梯疏散寬度為1.4m，第二層至第十層空間布置一致。用于模擬火源的燃燒器設(shè)置在二樓地板（z=2.81m），x坐標(biāo)（28，29.2），y坐標(biāo)（13.2，14.4），并分別在辦公室內(nèi)、疏散走道設(shè)置熱電偶、能見度、CO濃度監(jiān)測等測點，來分析不同狀態(tài)下的溫度變化、煙氣運移規(guī)律以及CO濃度的變化情況。

（二）火災(zāi)數(shù)值模擬工況條件

研究設(shè)定兩種不同條件下的工況來模擬疏散門的開合對火災(zāi)發(fā)展的影響情況。假設(shè)燃燒反應(yīng)為聚氨酯泡沫燃燒反應(yīng)，燃燒面積為1.44m²，火源熱釋放速率為3000kW/m²，產(chǎn)煙率0.1。數(shù)值計算的網(wǎng)格單元格大小為0.4m×0.4m×0.2m[9]，模擬運行時間為600s。

工況一：在10層公共建筑第2層靠近右側(cè)疏散走道的6個辦公室開門7扇，開門面積共32.4m²，火災(zāi)煙氣可以通過疏散門進入房間，進入房間的煙氣可以通過窗戶向外擴散;兩個樓梯間設(shè)置1.2m×2m的疏散門，疏散門敞開;電梯前室與樓梯間前室合用疏散門敞開，設(shè)置一個電梯井從2樓至10樓貫通;感煙火災(zāi)探測器和自動噴淋系統(tǒng)整棟樓全覆蓋。

工況二：在10層公共建筑第2層靠近疏散走道右側(cè)盡端位置設(shè)置一處火源，疏散走道6個辦公室門全部關(guān)閉，火災(zāi)煙氣只能通過疏散樓梯門和合用前室門進行擴散;其他條件同工況一所述。

二 、 煙氣蔓延規(guī)律

圖2中的a～e為工況1條件下的煙氣變化。（a）可以看到煙氣在6.1s時向四周擴散，燃燒器上方噴淋位置溫度達(dá)到68℃時，噴頭開始噴水滅火。煙氣在10s時沿著樓層頂板水平運動，在頂板聚集，進行擴散。（b）可以看出煙氣在28s時布滿著火層。（c）可以清楚看到在400s時，左右側(cè)樓梯煙氣以及窗戶外煙氣布滿5層。（d）表示煙氣在500s時充滿著火層。（e）可以看出煙氣在250s時布滿10層樓層。圖2中的f～k為工況2條件下的煙氣變化。（f）顯示出煙氣在6.1s時向四周擴散，燃燒器上方噴淋位置溫度達(dá)到68℃時，噴頭開始噴水滅火。（g）為煙氣在12.4s時充滿二層室內(nèi)疏散通道整個頂板。（h）可以看出在121s時煙氣布滿5層疏散走道。（j）顯示出在82s時煙氣布滿8層疏散走道，相較于從著火層蔓延至5層的速度更快。（k）顯示出在64s時，第10層室內(nèi)疏散通道整個頂板充滿煙氣。

（一） 著火層煙氣溫度切片情況分析

圖3中的a為工況1著火層第100s時坐標(biāo)Y=13.6m時疏散走道著火層的溫度切片圖。可以看出煙氣最高溫度為370℃，高溫?zé)煔庵饕奂陧敯逦恢?，越靠近著火點煙氣溫度越高。

圖3中的b為工況2著火層第100s時坐標(biāo)Y=13.6m時溫度切片圖?？梢钥闯鰺煔庾罡邷囟葹?20℃，高溫?zé)煔庵饕性谥瘘c頂板位置，工況2著火層第100s時坐標(biāo)Y=13.6m時最高溫度比工況1最高溫度低150℃。

（二）著火層煙氣中CO氣體濃度分析

圖4為工況1和工況2條件下著火層第100s時坐標(biāo)Y=13.6m時CO氣體云圖。從圖中可以看出兩種工況下煙氣CO含量為9289ppm。研究表明[7]，當(dāng)空氣中CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到6400ppm時，健康成年人1～2min出現(xiàn)頭痛、惡心;10～15min，會造成人員死亡。

（三）著火層煙氣能見度分析

從圖5的工況1條件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03分別從t=3.01s、t=5.41s、t=9s、t=13.2s探測到煙霧，煙感探測器從探測到煙霧至煙霧不透明度達(dá)到100%平均時間為0.755s。從圖5的工況2條件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03分別從t=3.02s、t=5.41s、t=9.02s、t=13.2s探測到煙霧，煙感探測器從探測到煙霧至煙霧不透明度達(dá)到100%平均時間為0.9s。

（四）著火層疏散走道煙氣溫度分析

圖6的a為工況1條件下著火層熱電偶數(shù)據(jù)圖，THCP在0～6.62s時煙氣溫度急劇上升，在6.62s時溫度達(dá)到最高峰值為555℃，6.62～20s煙氣溫度下降，20s后煙氣溫度維持在200～330℃之間。THCP25、THCP26、THCP27在0～40s屬于煙氣溫度上升期，40s后溫度處于平穩(wěn)狀態(tài)，煙氣溫度保持在100～200℃之間，此溫度范圍人體最多能堅持1min左右。

圖6的b為工況2條件下著火層熱電偶數(shù)據(jù)圖，THCP在6.6s和37.2s時出現(xiàn)兩個峰值，分別為586℃和567℃;100s后煙氣溫度趨于穩(wěn)定，溫度保持在100℃左右。THCP26、THCP27在100s后溫度處于平穩(wěn)，煙氣溫度保持在100℃左右，此溫度人體能堅持15～30min左右。

三、結(jié)語

控制高層建筑場所火災(zāi)煙氣流動、降低煙氣溫度、提升場所能見度和降低有毒有害煙氣濃度是高層建筑火災(zāi)防控的重要內(nèi)容。文章基于研究煙氣蔓延的不同場景，通過在兩種不同工況下進行模擬研究，得出以下結(jié)論：

第一，煙氣水平流動速度為2.04m/s時，在有熱對流、有氧氣補充的疏散走道（設(shè)置的工況1）煙氣溫度比相對封閉環(huán)境（設(shè)置的工況2）溫度高150℃左右，也就是疏散走道辦公室門處于敞開狀態(tài)時人員逃生的危險系數(shù)更大。

第二，煙氣濃度從頂板到底板逐漸下降，從著火點向擴散方向逐漸下降。在辦公室門處于全開啟的狀態(tài)下，底板幾乎沒有CO的存在，而當(dāng)辦公室門處于閉合狀態(tài)時，CO的頂板底板含量幾乎一樣。

第三，著火層煙感探測器從檢測到煙氣至煙氣不透明度達(dá)到100%平均時間小于1s;開門通風(fēng)等有利于煙氣含氧量的提高，降低人員危險，但隨著著火時間的推進煙氣含氧量還是呈逐漸下降趨勢。

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