新型建筑材料論文火災(zāi)調(diào)查論文火災(zāi)逃生論文家居類建筑火災(zāi)的數(shù)值模擬與分析

1、新型建筑材料論文火災(zāi)調(diào)查論文火災(zāi)逃生論文家居類建筑火災(zāi)的數(shù)值模擬與分析摘 要： 本文以某普通家庭二室住宅為研究對象基于火災(zāi)動力學(xué)的相關(guān)知識，利用FDS建立了家居類建筑火災(zāi)的數(shù)值模型并進(jìn)行全尺寸模擬，通過模擬試驗得出火災(zāi)發(fā)生過程中煙氣運(yùn)動、溫度變化和能見度變化等的規(guī)律。關(guān)鍵詞： FDS；火災(zāi)數(shù)值模擬；家居類建筑；抽風(fēng)機(jī)1 引言隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長，城市化進(jìn)程的加快，小型家居建筑越來越密集的出現(xiàn)在我們的視野之中。部分建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電氣設(shè)備多，人流密度較大，造成火災(zāi)危險性大。家居類建筑火災(zāi)特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）小型家居建筑雖然疏散距離較短，疏散人員較少，但發(fā)生火災(zāi)時煙氣會在室內(nèi)快速蔓延

2、，煙氣層高度急劇下降，特別是當(dāng)小空間建筑火災(zāi)發(fā)生轟然后，室內(nèi)煙氣出現(xiàn)紊流狀態(tài)，煙氣層厚度可能降至地面，人員疏散面臨危險。（2）火災(zāi)蔓延迅速，各類消防規(guī)范沒有對家居類建筑進(jìn)行強(qiáng)制的規(guī)定，火災(zāi)的危險性存在著很大的不確定性，不僅對人員安全構(gòu)成重大威脅，也對火災(zāi)后消防隊員滅火救援造成了影響。因此，如何控制火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生和蔓延，延長人員可用逃生時間，確保建筑物安全至關(guān)重要。為了研究小空間建筑，特別是小型家居類建筑火災(zāi)時煙氣流動特性，筆者運(yùn)用火災(zāi)模擬軟件FDS對一個普通家庭二室住宅火災(zāi)煙氣進(jìn)行了模擬。2 數(shù)值模型方案設(shè)置2.1 FDS簡介本文采用FDS 5場模擬軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬。FDS是由NI ST(Na

3、ti on alInstitute of Standards and Technology，美國商務(wù)部標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)開發(fā)的計算機(jī)場模擬軟件。它是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動為主要模擬對象的計算流體力學(xué)(CFD)模型，適用于因火災(zāi)引起的煙氣和熱傳輸規(guī)律的研究。FDS由NIST定期在網(wǎng)上公開發(fā)布，由于FDS的功能強(qiáng)大，模擬結(jié)果可靠性高，目前已被越來越多的業(yè)內(nèi)人士采用。2.2 火災(zāi)場景設(shè)定模擬實體為長22.5m、寬10m、高3m的普通二室建筑，F(xiàn)DS模擬計算設(shè)定網(wǎng)格大小為邊長0.3m的立方體單元。在A室設(shè)置三個沙發(fā)，材料均為泡沫，還有一些簡單物品，材料同樣為泡沫，鋪設(shè)松木地板，隔墻為石膏墻；B室地板為松木

4、地板，與室外隔墻為石膏墻；房間的開口情況如下表1。在模型中，我們假設(shè)起火原因是由沙發(fā)A上電器電線短路發(fā)熱造成的。取紅色小方塊（0.5m×0.5m）為火源，熱釋放速率為6000kw/m2,按照t2平方火快速增長，a=0.047kw/s2,具體模型如下：2.3 模型方案設(shè)置根據(jù)對火災(zāi)死亡原因的調(diào)查得知，火災(zāi)中威脅火場人員生命安全的主要因素有火源輻射熱以及有毒煙氣和粉塵等。因此，為了確保火場內(nèi)人員的生命安全，可以通過空氣能見度、煙氣溫度、煙氣層高度等具體參數(shù)來度量人員生命安全的可耐受條件，估計人員疏散可用時間，以此判斷人員所在區(qū)域的安全性?；谝陨先齻€主要的性能化評估指標(biāo)，并且考慮到A室和

5、B室的兩個門附近的生存條件對于人員安全有最直接的重要性，因為人員逃生集中在此局域，所以作者在房間的兩個門洞口附近分別設(shè)置檢測空氣能見度、煙氣溫度和煙氣層高度的設(shè)備，圖2和圖3分別為兩個門附近的檢測設(shè)備示意圖。3 實驗結(jié)果與分析3.1 煙氣高度分布模擬分析火災(zāi)煙氣是一種混合物，包含了大量的氣相、固相和液相的物質(zhì)，其中的CO等有毒氣體和濃度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的CO2都能使室內(nèi)人員的生命安全受到威脅，統(tǒng)計結(jié)果表明：80%以上的火災(zāi)中死亡者是煙氣所致，所以，火災(zāi)場所中人員要盡可能少接觸到煙氣，這就需要在煙氣層高度下降到1.8m左右前保證人員都順利疏散到安全地帶。圖47是隨時間推移，室內(nèi)煙氣的縱向分布情況：通

6、過模擬表明，煙氣流動在房間A內(nèi)是一種受限運(yùn)動。熱煙氣的溫度比初始空氣溫度高，溫度差導(dǎo)致的密度差，進(jìn)而在浮力的作用下，形成火羽流迅速到達(dá)頂棚，遇到頂棚的阻礙，煙氣的垂直運(yùn)動轉(zhuǎn)變水平擴(kuò)散，遇到墻壁又開始垂直流動，隨著煙氣量的不斷增多，煙氣層的高度也在下降，整個房間將充滿煙氣；與此同時，煙氣通過門洞1擴(kuò)散到B室后，B室內(nèi)的煙氣流動規(guī)律與A室基本一致，但是由于B室沒有直接的火焰，并且煙氣通過門洞2直接排到室外，所以煙氣層高度的下降速度要滯后于A室。通過設(shè)置的煙氣層高度的檢測裝置，可以得到三處煙氣層高度隨時間的函數(shù)曲線圖，如圖810所示。三個圖對比可以發(fā)現(xiàn)，A室門洞1附近煙氣層高度達(dá)到1.8m大概在50

7、s左右，而B室門洞2附近需要100s左右才會接近人能忍受的煙氣層高度。3.2 煙氣能見度分布模擬煙氣具有減光性，一般用減光系數(shù)（K）來衡量煙氣的衰減程度，而人們在有煙場合下的能見度（Visibility）必然有所下降，而這會對火災(zāi)中人員的安全疏散造成嚴(yán)重影響。能見度指的是人們在一定環(huán)境下剛剛看到某個物體的最遠(yuǎn)距離，減光煙氣將使能見度降低，進(jìn)而減慢人員疏散速度，甚至使人員誤入歧途而導(dǎo)致傷亡。減光系數(shù)和能見度的關(guān)系可表示為：V=R/K，式中R為常數(shù)，能見度和減光系數(shù)成反比，這也是煙氣厚度越大，能見度越低的原因。圖1112分別為門洞1和2附近離地面高度為1.8m的能見度隨時間變化曲線圖?？梢钥闯?，A

8、室門洞1口在50s時能見度開始急劇下降，大概在75秒時，煙氣能見度開始下降到5m以下，而根據(jù)有關(guān)實驗測試，距地面高度2m一下能見度小于5m時，人員逃生就會出現(xiàn)問題，人員的心理壓力會增加，導(dǎo)致其找不到正確的出口；B室門洞2附近能見度開始下降的時間比門洞1晚大概50s，這為人員順利從門洞2逃生到室外提供了充足的時間；兩個測試點(diǎn)最終的能見度都保持在0m，這表明煙氣會覆蓋整個房間。3.3 煙氣溫度分布模擬溫度是反映煙氣蔓延的重要屬性之一。圖1314分別為門洞1和2附近離地面高度為1.8m的溫度值隨時間變化曲線圖。從曲線上看，兩處溫度均呈現(xiàn)一定的規(guī)律：（1）從火源起火后的一小段時間內(nèi)溫度維持在室溫（設(shè)定

9、為20）不變，通過研究表明熱量從火源向整個房間擴(kuò)散主要通過熱對流和熱輻射，煙氣到達(dá)熱電偶處需要一定的時間，熱對流和熱輻射傳遞的熱量積累需要一定的時間，熱電偶1大概保持50s，熱電偶2為100秒，因為熱電偶2位于B室門口，離火源較熱電偶1遠(yuǎn)，；（2）過了這個階段，溫度隨時間呈近似線性規(guī)律增長;(3) 一段時間后，溫度都趨向穩(wěn)定，波動相對很小，熱電偶1最后溫度接近200左右，熱電偶2由于靠近室外出口，最終溫度大概為67，熱電偶2處熱量積累動態(tài)平衡建立的溫度較熱電偶1低了大概1 3 3。根據(jù)規(guī)定，人能短時間忍受的極限溫度為60，A室門洞1附近在105s時就達(dá)到了60，而B室門洞2在280s時才達(dá)到60，說明B室內(nèi)人員的安全系數(shù)高于A室，兩室均滿足火災(zāi)工況下的人員安全疏散要求。4 結(jié)論（1）兩個房間的煙氣層高度、能見度和溫度的變化規(guī)律一致，但是，遠(yuǎn)離火源的B室相對于A室在上面三個指標(biāo)上均有滯后性，B室內(nèi)的人員的安全系數(shù)更高。（2）煙氣的產(chǎn)生和流動依次出現(xiàn)頂棚射流、水平層流、受限垂直流動和紊流運(yùn)動。（3）家居類建筑雖然疏散距離較短，疏散人員較少，但由于建筑體量小，煙氣下降快速，人員可用的安全疏散時間較短。疏散時，人員不應(yīng)放松大意，必須緊急疏散。參考文獻(xiàn)：1 龔偉，游偉.地鐵車站火災(zāi)煙氣蔓延數(shù)值模擬分析J.消防科學(xué)與技術(shù).2010，29（4）：2