典型結(jié)構(gòu)走廊火災(zāi)煙氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究*
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作者:湯 靜，石必明，陳 昆
（1．安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001：
2．安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）
摘要：選取條形、L形、T形和環(huán)形走廊4種典型建筑結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，使用火災(zāi)模擬軟件FDS對(duì)4種典型結(jié)構(gòu)的走廊發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析。初步得出建筑結(jié)構(gòu) 對(duì)于火災(zāi)煙氣的流動(dòng)和溫度分布的影響：對(duì)于有封閉轉(zhuǎn)角處的L形和環(huán)形走廊，轉(zhuǎn)角處受到建筑封閉結(jié)構(gòu)的阻礙和反浮力作用，熱煙氣易積聚；而無論何種形式的走廊，都會(huì)由于壁面限制和反浮力作用造成走廊末端熱煙氣的積聚；T形走廊交叉口處流通性較好，相對(duì)安全；這些容易造成煙氣積聚的走廊轉(zhuǎn)角和走廊末端的溫度也會(huì)有所上升，而現(xiàn)在很多連接走廊的疏散樓梯都設(shè)置在走廊兩端，反而不利
于人員疏散。因此這些地方應(yīng)引起重視，加強(qiáng)防火排煙措施。
關(guān)鍵詞：建筑火災(zāi)；不同走廊結(jié)構(gòu)；煙氣流動(dòng)；數(shù)值模擬
中圖分類號(hào)：X932 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2015. 10. 006
0 引言
建筑物走廊型通道作為建筑物的重要組成部分，是火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員逃生的重要路徑，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣經(jīng)過門窗進(jìn)入走廊，擴(kuò)散蔓延至整個(gè)建筑物，嚴(yán)重妨礙人員疏散和消防救援工作。而現(xiàn)代建筑形式豐富，不同的建筑結(jié)構(gòu)決定了不同的走廊形式。目前我國的走廊結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：條形、L形、T形和環(huán)形。本文采用場(chǎng)模型軟件FDS對(duì)上述四種建筑走廊火災(zāi)進(jìn)行模擬，得出不同走廊結(jié)構(gòu)下煙氣遷移規(guī)律，對(duì)建筑通風(fēng)排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，人員安全疏散設(shè)計(jì)，減少火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等具有重要意義。
1 火災(zāi)模擬場(chǎng)景設(shè)定
本文模擬計(jì)算采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院National Institute of Standards and Technology( NIST)開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)場(chǎng)模擬軟件FDS進(jìn)行模擬。為了研究走廊結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣的影響，本文根據(jù)目前常見建筑的設(shè)計(jì)要求建立了條形，L形，T形和環(huán)形4個(gè)物理模型，標(biāo)準(zhǔn)層高3m，走廊寬為2.Om，起火房間均選取走廊一端，最不利的位置。除結(jié)構(gòu)外，其他工況條件一樣。通風(fēng)口均設(shè)置在火源房間最左側(cè)，模擬網(wǎng)格邊界位置，大小均為2m×3m =6 m2，風(fēng)速為一般室內(nèi)風(fēng)速0.3 m/s。4個(gè)建筑模型使用相同燃料，均屬聚氨酯反應(yīng)，其火源功率均為2000kW，模擬時(shí)間為600s。平面圖如圖1所示。
2模擬結(jié)果分析
2.1 不同走廊結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的影響
火災(zāi)煙氣溫度可高達(dá)幾百度，人體對(duì)高溫?zé)煔獾牡挚故怯邢薜�，�?5℃時(shí)，可短時(shí)忍受；在120℃時(shí)，15min內(nèi)可產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷；在140℃時(shí)，可以忍受5min；在170℃時(shí)，只能忍受1min,溫度再高些，就會(huì)導(dǎo)致心率加快，肌肉痙攣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的疼痛感以至于出現(xiàn)休克。圖2—圖5給出4種結(jié)構(gòu)走廊火災(zāi)發(fā)生300s時(shí)人眼高度(1.6m)處溫度分布圖。
從模擬的溫度切片圖中可以看出，條形走廊由于結(jié)構(gòu)單一，煙氣流的擴(kuò)散沒有受到建筑結(jié)構(gòu)的阻礙，熱煙氣流在無阻礙的空間內(nèi)能迅速傳播，煙氣溫度隨著遠(yuǎn)離火源而不斷降溫，距離火源5m處迅速降至150℃以下。走廊盡頭，由于壁面限制和熱煙氣的卷吸，溫度有小幅上升，上升約10℃。
L形走廊a段中，煙氣溫度隨著遠(yuǎn)離火源而不斷降低直至150℃以下，運(yùn)動(dòng)到L形拐角25m處，受到建筑封閉結(jié)構(gòu)的阻礙，熱煙氣流堆積，溫度上升了約50℃，越過拐角b段煙氣溫度又持續(xù)下降，最終降至100 ℃。所以拐角處溫度上升顯著，應(yīng)做好相應(yīng)降溫排煙措施。
T形走廊中，a段煙氣溫度分布規(guī)律類似條形，隨著遠(yuǎn)離火源不斷降溫，a、b段交匯處由于b段的分流和冷空氣的冷卻，溫度降低了約20℃。運(yùn)動(dòng)到走廊盡頭，由于壁面限制和煙氣的卷吸，溫度有小幅上升，上升約lO℃。
環(huán)形走廊中，由于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度曲線出現(xiàn)了較為明顯的4個(gè)峰值，著火點(diǎn)附近對(duì)應(yīng)了1、4兩個(gè)最高點(diǎn)。圖中25m處和67m處出現(xiàn)溫度上升幅度高達(dá)20℃的現(xiàn)象，而這兩點(diǎn)正是受到建筑封閉結(jié)構(gòu)的阻礙，熱煙氣的堆積，對(duì)應(yīng)的是環(huán)形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)拐點(diǎn)。45m處由于自然通風(fēng)口的作用熱煙氣擴(kuò)散，溫度沒有顯著升高。所以環(huán)形走廊的轉(zhuǎn)角處易形成危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)引起重視。
2.2 不同走廊結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣層高度的影響
統(tǒng)計(jì)表明，火災(zāi)中80 %以上的死亡者是由于吸入了毒性氣體而昏迷致死的。利用FDS模擬軟件計(jì)算“LAYER_HEIGHT”這一參數(shù)（其實(shí)貢是在計(jì)算完整個(gè)模擬空間各點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布后采用積分比值法算得。）得出不同結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣擴(kuò)散有明顯的影響。
條 形走廊中，可以看出煙氣在火源附近出現(xiàn)先下降后上升再下降的現(xiàn)象，這是由于火羽流對(duì)走廊左側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入冷空氣的卷吸使羽流在上升過程中產(chǎn)生反錐形擴(kuò)散。煙氣不斷上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)房間頂部時(shí)，熱煙氣積聚在水平頂棚下，達(dá)到一定厚度便沿頂棚水平運(yùn)動(dòng)，形成頂棚射流，上層煙氣不斷積累從而形成熱煙氣層。當(dāng)熱煙氣到達(dá)房間墻壁時(shí)，會(huì)受到墻壁的阻礙作用而向下運(yùn)動(dòng)，形成反向的浮力流二其他結(jié)構(gòu)走廊情況類似。下文中將不一一贅述。另外，在條形走廊中，由于煙氣擴(kuò)散沒有受到結(jié)構(gòu)的阻礙，頂棚蔓延的煙氣在走廊末端封閉擋墻處沿壁下流，形成反浮力壁面射流，造成煙氣在走廊末端積聚。因此高濃度煙氣區(qū)域不在著火房間附近，而在走廊盡頭，所以走廊疏散樓梯可以設(shè)置在距離走廊末端3~5m處，煙氣層高度較高，利于人員疏散。
L形走廊中，在25m拐點(diǎn)處，煙氣運(yùn)動(dòng)受到建筑結(jié)構(gòu)的阻礙，煙氣層高度降至1m。越過拐點(diǎn)煙氣層高度又逐漸回升。因此L形走廊除在走廊末端，還會(huì)在走廊轉(zhuǎn)角處，造成煙氣積聚，煙氣層高度降低，形成危險(xiǎn)區(qū)域。見圖8。
T形走廊交叉處，由于b段走廊新鮮空氣的補(bǔ)入和熱煙氣的分流，煙氣層高度上升了約0. 2m。煙氣運(yùn)動(dòng)到a段45m和b段20m處煙氣層高度由于頂棚蔓延的煙氣在走廊末端封閉擋墻處沿壁下流，形成反浮力壁面射流，造成煙氣在走廊末端積聚。所以T型走廊交叉處煙氣層高度較高，相對(duì)安全，而走廊兩端是危險(xiǎn)區(qū)域。見圖7。
環(huán)形走廊中（由于著火房間位于走廊內(nèi)側(cè)，通風(fēng)口設(shè)置在外墻，距離火源較遠(yuǎn)，所以層分區(qū)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的起始煙氣層高度低于其他結(jié)構(gòu)走廊）由于結(jié)構(gòu)的特殊，煙氣層高度出現(xiàn)了明顯波動(dòng)，圖9中25m處煙氣層高度降低，即a和b段拐角處。45m處煙氣層高度明顯降低，即b和e段拐角處，越過拐角由于自然然通風(fēng)口的設(shè)置，煙氣逃散，煙氣層高度迅速回升。走廊內(nèi)滯留的煙氣越過通風(fēng)口繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至68m處，再次降低至約1m。90m附近走道處有一個(gè)側(cè)面開窗，用于新鮮空氣的自然補(bǔ)氣，因此在這個(gè)位置的煙氣層高度會(huì)在窗子位置出現(xiàn)升高。所以環(huán)形走廊除在封閉擋墻處外，還會(huì)在走廊轉(zhuǎn)角處，造成煙氣積聚，煙氣層高度降低，形成危險(xiǎn)區(qū)域。雖然環(huán)形走廊結(jié)構(gòu)上對(duì)稱，但是因?yàn)榫唧w排煙通風(fēng)設(shè)施的設(shè)置不一定對(duì)稱，所以煙氣蔓延規(guī)律也是不完全對(duì)稱的。因此在以后的防煙排煙措施的設(shè)置上需要進(jìn)一步研究。
4結(jié)論
筆者對(duì)現(xiàn)在4種典型走廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了火災(zāi)模擬，從走廊火災(zāi)溫度和煙氣層高度兩個(gè)角度分析了建筑結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響。得出以下結(jié)論：
1)不同建筑結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)情況下煙氣層溫度分布影響明顯，由于煙氣層與壁面邊界及下部冷空氣間的傳熱，煙氣層的平均溫度及與下層冷空氣的浮力差隨著與火源距離的增加而衰減明顯。而當(dāng)煙氣運(yùn)動(dòng)到走廊盡頭，都會(huì)由于壁面限制和反浮力作用造成熱煙氣的積聚，人眼位置(1.6m)溫度回升。條形走廊煙氣層溫度分布平緩下降，走在走廊末端由于熱煙氣積聚有小幅上升。T形交叉處由于煙氣的分流和冷空氣的冷卻，溫度會(huì)有所降低，相對(duì)安全。而對(duì)于L形和環(huán)形走廊的封閉轉(zhuǎn)角，受到建筑封閉結(jié)構(gòu)的阻礙，熱煙氣堆積，溫度上升，不利于人員疏散，形成危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)引起重視。
2)4種結(jié)構(gòu)下，煙氣層高度在火源附近都會(huì)由于頂棚射流的原因出現(xiàn)先下降后上升再下降的現(xiàn)象。隨后頂棚蔓延的煙氣在走廊末端封閉擋墻處沿壁下流，形成反浮力壁面射流，造成煙氣在走廊末端積聚。相對(duì)于結(jié)構(gòu)單一的條形走廊，L形、環(huán)形走廊除在封閉擋墻處外，還會(huì)在走廊轉(zhuǎn)角處，造成煙氣積聚，煙氣層高度降低，形成危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)當(dāng)引起重視，做好相應(yīng)的排煙措施。而T形走廊的交叉口處，煙氣流通性較好，危險(xiǎn)性較低。
3)現(xiàn)在很多建筑物內(nèi)的安全出口或疏散樓梯都設(shè)置在走廊末端，本文通過模擬發(fā)現(xiàn)，發(fā)生火災(zāi)后，煙氣容易在走廊末端積聚，形成危險(xiǎn)區(qū)域。所以筆者認(rèn)為，安全出口或疏散樓梯應(yīng)該設(shè)置在距離走廊末端3~5m處，更有利于人員疏散。
