中智地下車庫火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬分析*
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呂 辰1，吳宗之1，2，王天瑜1，胡馨升1
（1．中國礦業(yè)大學(xué)<北京>資源與安全工程學(xué)院，北京100083；2．國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京100730）
摘要：隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，地下建筑得到了充分的開發(fā)和應(yīng)用。但是，由于這些地下建筑物具有封閉性強(qiáng)，自然通風(fēng)條件較差，人流密集度高等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)極易造成群死群傷重特大惡性事故。運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、煙氣控制理論和有限元方法，對淮南中智大型地下車庫不同條件下火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：建筑噴淋系統(tǒng)對火災(zāi)抑制效果明顯，但對火災(zāi)煙氣控制會(huì)產(chǎn)生較為不利影響，有時(shí)會(huì)造成疏散出口處能見度下降20%~ 30%，且在一些半封閉區(qū)域內(nèi)形成煙氣集聚，不易被排出，從而對火災(zāi)遇險(xiǎn)人員安全疏散產(chǎn)生不利影響。
關(guān)鍵詞：地下車庫；火災(zāi)煙氣；數(shù)值模擬；人員疏散
中圖分類號(hào)：X932 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 020
0 引 言
隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量市政地下工程設(shè)施逐漸趨于大型化和綜合化，一些地下車庫、地下商場、地鐵等相繼開工建設(shè)，地下空間得到了充分的開發(fā)和利用。但是，由于這些地下建筑工程具有建筑結(jié)構(gòu)封閉性強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然通風(fēng)條件較差，火災(zāi)荷載大，人流密集度高等特點(diǎn)，因此，一旦發(fā)生火災(zāi)，很容易造成群死群傷重特大惡性事故。同時(shí)，地下建筑物在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于熱釋放速率高、蔓延快，伴隨產(chǎn)生大量的有毒高溫?zé)煔猓沟糜鲭U(xiǎn)人員逃生能見度急劇下降，疏散、救援難度相應(yīng)增大。因此火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生大量的有毒高溫?zé)煔�，如不能得到及時(shí)有效的控制，往往會(huì)迅速蔓延到與之相連的地下、地面建筑，造成更大的危害。所以，地下建筑物火災(zāi)的高風(fēng)險(xiǎn)性，使人們不得不對地下建筑火災(zāi)煙氣控制技術(shù)進(jìn)行深入的研究。
1 地下建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)分析理論與技術(shù)
地下車庫火災(zāi)是一個(gè)受限燃燒過程，火災(zāi)煙氣蔓延是由浮力、氣體膨脹、通風(fēng)等多因素共同作用的結(jié)果，其主要驅(qū)動(dòng)力是由熱煙氣與環(huán)境空氣溫差所產(chǎn)生的浮力。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究建立了火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的納維爾一斯托克斯(N -S)方程，用此方程來計(jì)算分析火災(zāi)煙氣流動(dòng)和熱傳遞過程，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于場模擬的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，其中采用的SMOKEVIEW后處理技術(shù)可以將FDS的計(jì)算分析結(jié)果可視化，以便人們更加直觀了解和認(rèn)識(shí)火災(zāi)煙氣流動(dòng)蔓延過程，目前此技術(shù)在火災(zāi)研究領(lǐng)域得到了較廣泛應(yīng)用。
FDS采用的納維爾-斯托克斯(N -S)方程，在計(jì)算火災(zāi)燃燒過程中主要考慮了溫度及密度的變化，其基本控制方程組如下：
1)組分輸運(yùn)公式：
式中：y i表示燃燒氣第i組分氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di表示第i組分氣體的擴(kuò)散系數(shù)，m2 /s,而”表示第i組分氣體單位體積生成率，kg/( m3．s)；t表示燃燒時(shí)間，s；p表示燃燒生成氣體的密度，kg/m3；u表示氣體的流速，m/s。
2)質(zhì)量守恒公式：
式中：p表示氣壓值，Pa; f為外力值的大小，kg/( m2．s)；丁表示粘性力大小，kg/( m2．s)；g為重力加速度，kg．m／s2。
4)理想氣體狀態(tài)方程：
式中：T表示氣體溫度，K；M表示氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；R表示氣體常量。
2 實(shí)例分析
2.1 地下停車場總體概況
淮南中智高層居民樓地下大型車庫，東西長173.7m，南北寬142.8 m，層高3m，設(shè)計(jì)停車位530輛，分別在西南角和東北角設(shè)置2個(gè)汽車進(jìn)出口，整體地下建筑結(jié)構(gòu)呈長方型。中智地下大型車庫共設(shè)有5個(gè)防火分區(qū)、10個(gè)防煙分區(qū)，其總體布置如圖1所示。地下車庫日常以停放居民私家車輛為主，由于車內(nèi)含有大量的可燃性裝飾材料和易燃易爆的燃料性物質(zhì)，所以地下車庫火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性較高。在地下車庫防火分區(qū)之間除了安裝有防火門、防煙卷簾等阻火、隔煙設(shè)施之外，還在地下車庫的頂部設(shè)有機(jī)械排煙口和噴淋裝置。
2.2模型建立
為簡化計(jì)算，本文選取最具代表性的第二防火分區(qū)作為研究對象，如圖2所示。該防火分區(qū)南北長64.8m，東西寬44 m，層高3m，設(shè)計(jì)車位45輛。在第二防火分區(qū)里設(shè)有內(nèi)疏散通道門4個(gè)，通往地面出口1個(gè)；設(shè)有機(jī)械排煙系統(tǒng)，排煙口沿通風(fēng)管道兩側(cè)均勻布置，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)機(jī)械排煙系統(tǒng)開啟，總排風(fēng)量設(shè)計(jì)為全面換氣6次／小時(shí)，滅火及控制火勢蔓延采用閉式噴淋系統(tǒng)，每個(gè)噴頭默認(rèn)開啟溫度為74℃，噴頭位置均勻布置在停車位區(qū)域的上方。根據(jù)第二防火分區(qū)工程圖，按照1:1的比例建立第二防火分區(qū)FDS模型圖，如圖3所示。
2.3 模擬工況條件的設(shè)置
假定火災(zāi)火源點(diǎn)位于第二防火分區(qū)地下車庫的中央部位，火源功率設(shè)定為20 MW，并采用與實(shí)際較為相符的t2快速火災(zāi)模型，用此來反映該處汽車油品泄漏，遇明火燃燒，相繼引起車輛燃燒的情形。并針對噴淋系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)相互作用關(guān)系，設(shè)定：①噴淋系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)均不開啟的情況；②機(jī)械排煙系統(tǒng)開啟，噴淋系統(tǒng)不開啟的情況；③機(jī)械排煙系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)均開啟的情況，此3種不同運(yùn)行工況條件。見表1。
3 結(jié)果分析
3.1 機(jī)械排煙系統(tǒng)開啟對地下車場火災(zāi)煙氣溫度 的影響
在工況1、工況2條件下，著火點(diǎn)上方3m處溫度變化曲線如圖4所示。通過溫度變化曲線對比分析可知：在122 s之前的火災(zāi)燃燒初起階段，工況2的溫度上升速率較工況1的快，這是因?yàn)榈叵萝噲龀跗痣A段火源點(diǎn)燃燒屬于富氧燃燒，供氧量的大小對火焰燃燒速率影響較大。隨著機(jī)械排煙系統(tǒng)的開啟，導(dǎo)致進(jìn)氣量增加，使火災(zāi)燃燒更加劇烈，煙氣溫度也迅速增高。但在122 s以后，隨著機(jī)械排煙系統(tǒng)不斷排出大量煙氣的同時(shí)，也帶走了大量的熱量，所以，工況2溫度曲線開始變緩，并維持在600℃左右，且始終低于工況1溫度曲線。
3.2 噴淋系統(tǒng)開啟對地下車場火災(zāi)煙氣溫度的影響
在工況1、工況3條件下，著火點(diǎn)上方3m處溫度變化曲線如圖5所示。通過溫度變化曲線對比分析可知：在火災(zāi)燃燒初起階段，工況3的溫度上升速率較工況1的快，但在50 s以后，在排煙系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)開啟的作用下，帶走的熱量大于火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱量，使工況3的溫度曲線有一個(gè)明顯的下降過程，最終穩(wěn)定在450℃左右，且低于工況1、工況2的溫度曲線，對火災(zāi)發(fā)展產(chǎn)生了一定的抑制作用。
3.3不同工況條件下對地下車場能見度的影響
在不同工況條件下，內(nèi)疏散通道門1和進(jìn)出口離地面高1.6 m處能見度變化曲線，如圖6、圖7所示。由能見度變化曲線對比分析可知：在門1處，尤其是在進(jìn)出口處工況3條件下能見度值小于工況2，平均下降20%~ 30%，而在工況1條件下能見度值最低，說明排煙系統(tǒng)開啟有助于火災(zāi)煙氣的排出和提高疏散出口的能見度，而噴淋系統(tǒng)開啟產(chǎn)生的水霧會(huì)對火災(zāi)煙氣產(chǎn)生冷卻作用，使煙氣層高度降低，對排煙造成一定的阻礙，從而導(dǎo)致能見度值減小。
同時(shí)，通過工況3條件下車場內(nèi)能見度分布圖(見圖8)還可以看出：在第二防火分區(qū)的一些半封閉區(qū)域內(nèi)，如通風(fēng)機(jī)房旁、靠近墻邊的拐角區(qū)域，能見度值普遍較低。因?yàn)樵谶@些區(qū)域空氣流動(dòng)不暢，存在著大量的渦流區(qū)，致使煙氣集聚不易被及時(shí)有效排出。因此，在建筑防火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免這類半封閉式建筑結(jié)構(gòu)的使用。
4 結(jié)論
1)地下車庫配備的自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)，對地下車場火災(zāi)滅火降溫會(huì)起到一定的作用，但對火災(zāi)煙氣控制和疏散通道能見度會(huì)存在一些不利影響。
2)在建筑防火性能化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量避免半封閉式建筑結(jié)構(gòu)。對無法避免的半封閉式建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采取特定的排煙措施，合理設(shè)置進(jìn)出風(fēng)口位置及排煙氣流組織，防止火災(zāi)煙氣大量聚集。
3)本文基于FDS數(shù)值模擬軟件對地下車庫火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果常常受對模擬軟件的了解程度以及各參數(shù)設(shè)定是否合理的影響，因此為使研究結(jié)論更加貼近實(shí)際，今后將對現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行補(bǔ)充。
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