王妍(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學,北京 100070)

基于PyroSim的高校宿舍火災數(shù)值仿真

王妍(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學,北京 100070)

高校宿舍是典型的人員密集場所,為了有效保障師生的人身安全,對高校宿舍的火災蔓延情況,應用火災模擬軟件PyroSim建立模型并進行數(shù)值仿真進行模擬。分析煙氣、溫度、能見度等因素對于逃生的影響。并根據(jù)分析給出合理的建議。

高校宿舍火災 PyroSim 火災數(shù)值模擬

1 引言

高校宿舍是學生們休息的地方,學生有一半的時間在宿舍度過,如果發(fā)生火災事故很可能造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失,因此做好高校宿舍的火災研究和預防工作具有十分重要的意義。近年來,高?；馂念l繁發(fā)生,給高校宿舍的消防安全敲響了警鐘[1]。例如,2003年2月20日清晨,武漢大學某男生宿舍樓一個寢室突發(fā)大火,火借風勢瞬時吞噬了整個三樓22間寢室,大火被撲滅時,3樓燒得只剩下斷壁殘垣;2003年11月24日,俄羅斯人民友誼大學學生宿舍樓失火,造成41名學生死亡,將近200人受傷,其中遇難的中國留學生11名;2007年1月11日,東北師范大學研究生宿舍樓發(fā)生火災,濃煙將十一層高的宿舍樓籠罩,樓里百余個寢室的500多名學生被困;2008年5月5日,中央民族大學28號樓6層一個女生宿舍發(fā)生火災,上千名女生被迫疏散;2008年11月14日上午6點10分左右,位于上海中山西路的上海商學院發(fā)生火災,煙氣把四名女生逼到陽臺,最后四人從6層樓高的宿舍跳下,不幸全部身亡[2]。

我國多數(shù)高校宿舍建造的時間比較早,消防設施陳舊以及日常管理中對安全疏散不夠重視,一旦發(fā)生火災事故,宿舍內(nèi)人員能否及時、合理地疏散逃亡直接關系到學生和宿舍工作人員的生命和財產(chǎn)安全。因此,研究高校宿舍火災事故是十分必要的。隨著計算機科學技術的發(fā)展,采用計算機軟件對火災情況進行模擬,獲得火災中的一些重要參數(shù),可以有效地指導人員逃生[3]。用以描述建筑物內(nèi)部火災事故的模型已經(jīng)有很多種,比如CFAST、FLUENT、PHOENICS、JASMINE、FDS等。筆者以某高校女生宿舍為研究對象,利用火災模擬軟件PyroSim分析了發(fā)生火災時具體煙氣、溫度等方面情況,為現(xiàn)實中的高校宿舍發(fā)生火災等緊急情況下的人員逃生提供指導。

表3 .1 網(wǎng)格參數(shù)設置

圖4 .1 t=70.8s的溫度切面圖(單位℃)

2 PyroSim軟件簡介

PyroSim軟件是一款用于消防模擬的軟件,是在FDS的基礎上發(fā)展起來的。PyroSim是最著名的開源燃燒動力學仿真軟件Fire Dynamics Simulator(FDS)的圖形界面軟件。其最大的特點是提供了三維圖形化用戶界面的模擬設計和執(zhí)行。友好的用戶操作界面,包括建模、邊界條件設置、火源設置、燃料材料設置等均可以輕松的完成。不僅如此,PyroSim 軟件可以模擬預測火災中的煙氣流動情況,并對火災中煙氣的運動、溫度、和毒氣濃度進行準確預測分析。

3 數(shù)值建模

3.1 學校女生宿舍樓介紹

本文所選模型來自于某高校女生宿舍樓。該宿舍樓共4層,每層約高3m,東西長81m,南北寬15m,總面積為1215平方米。宿舍樓1層有47個房間,其中2個衛(wèi)生間,2個洗漱間,1個過廳,1個管理間,41個住宿間;2層到4層樓每層有49個房間,其中2個衛(wèi)生間,2個洗漱間,45個住宿間。每個住宿間的入住人數(shù)為4人,共有1名管理人員和704名住宿女生,為典型的人員密集場所。一般情況下三個樓梯均開啟,大門也開啟,但除大門以外的逃生門處于關閉狀態(tài)。該女生宿舍經(jīng)過合理簡化,建立女生宿舍PyroSim模型。

3.2 PyroSim建模

3.2.1 網(wǎng)格參數(shù)的選取

由前文所述,房間尺寸為3m×6m,高3m。中間過道寬為3m。模型的計算區(qū)域長X=81m,Y=15m,Z=12m,采用直角坐標網(wǎng)絡,均勻分布,取網(wǎng)格參數(shù)見表3.1,最小網(wǎng)格尺寸1.5m×1.0m×0.5m,網(wǎng)格總數(shù)為19,440個,在坐標系中形成精細的網(wǎng)格。

3.2.2 火源和模擬參數(shù)的設定

建立的模型尺寸為81m×15m×12m。結合當前國內(nèi)外的研究成果和工程的實際情況,設置燃燒物質功率:480kw,模擬時間為400s。著火源為樓梯1旁的宿舍。在模擬宿舍人員逃生時,由于溫度和煙氣是干擾人員疏散的主要因素,而煙氣的遮光性和障礙物的封閉效應對逃生時的可見度又有影響,因此選用溫度、煙氣和能見度參數(shù)來反映火災的危害性。

4 模擬結果與分析

4.1 煙氣

圖4.2 一層的樓梯1溫度-時間曲線

有研究表明:火災發(fā)生時,2/3以上的人員死亡是由煙氣導致的[4,5]。因此,有必要對煙氣的運動方向和分布進行研究。模擬結果表明,由于火源在樓梯1旁的宿舍內(nèi),高溫煙氣主要先通過樓梯1迅速向上運動,然后向樓道兩側擴散,這時大量煙氣集中在一層和四層的樓梯1附近(t=0-63.6s),然后通過樓梯2煙氣上下運動(t=73.2-93.6s),在橫向擴散同樣主要集中在一層、四層,最后通過樓梯3,在二層、三層樓道充滿煙氣,此時全部樓層已充滿煙氣(t=246.0s)。在315.6s時,煙氣的濃度已經(jīng)很大,能見度極低,情況危險,而煙氣還在聚集。

4.2 溫度

設定溫度切片平面(Y=7.5m,位于樓道中央)。由下圖的溫度分布云圖可以觀測到,在燃燒一段時間后,溫度急劇上升,t=70.8s時到最高溫度,最高溫度集中在一層如圖4.1。由于四層的溫度比二層和三層的溫度上升的更快,因此主要分析一層和四層的溫度變化對于逃生時的影響。在高校宿舍由于逃生方式全部是通過樓梯間進行,因此在各層三個樓梯口設置溫度探測器。火源在樓梯1旁的宿舍內(nèi),因此一層的樓梯1的溫度在短時間內(nèi)急速上升如圖4.2所示,在逃生時,住在高層的學生不適合選擇樓梯1進行逃生。圖4.3、圖4.4分析可知,最高溫度為樓梯2一層的溫度大約在43℃,低于安全疏散溫度60℃,所以溫度對相關人員安全疏散無影響。樓梯2和樓梯3均可選作為逃生路線。

圖4.3 一層(左)、四層(右)的樓梯2時間曲線圖

圖4.4 一層(左)、四層(右)的樓梯3溫度-時間變化曲線

4.3 能見度

煙氣的遮光性直接影響使能見度,發(fā)生火災后,影響人員逃生的一個極為重要的因素就是能見度[6]。根據(jù)上述煙氣的走勢和分布以及人員的逃生選擇主要集中在樓梯2和3,確定能見度探測器位置設置在四層的樓梯2和3。四層的樓梯2在75s內(nèi)的能見度為30m,然后急劇下降,在80s左右就下降到5m以下,對逃生極為不利。四層的樓梯3在120s內(nèi)的能見度為30m,然后馬上降低到5m逐漸趨近于0m。由此,樓梯2最佳逃生時間在75s內(nèi),樓梯3最佳逃生時間在120s內(nèi)。

5 結語

高校發(fā)生火災的主要原因有明火引燃、使用電器不當、不遵守宿舍安全管理規(guī)定胡亂使用大功率電器等等,因此,為了避免發(fā)生火災,學生和宿舍管理人員應該嚴格遵守宿舍安全管理規(guī)章制度。作為人員密集場所,高校宿舍一旦發(fā)生火災對學生的生命財產(chǎn)帶來非常嚴重的威脅。利用火災模擬軟件PyroSim表明,煙氣、溫度、能見度對人員逃亡疏散有直接影響,因此安裝機械排煙機、自動噴淋系統(tǒng)、逃亡指示燈十分有必要。不僅如此,學校也應該定時的進行安全疏散演習。

[1]李琳,程遠平,吳蕾,宋艷.高校學生宿舍消防安全疏散[J].消防科學與技術,2010(2):122-125.

[2]樂增,金潤國,毛龍,湛鑫.高校宿舍火災數(shù)值仿真模擬[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2009(2):51-55.

[3]劉濤,李葳.禮堂火災情況下人員疏散過程的計算機模擬[J].消防科學與技術,2008(1):10-13.

[4]Hietaniemi,J.,S. Hostikka,J. Vaari. FDS Simulation of Fire Spread—Comparison of Model Results with Experimental Data[R].Finland: VTT Building and Transport Press,2004:20-32.

[5]Kevin,M.,B.Klein,S.Hostikka,et al. Fire Dynamics Simulator(Version5) Technical Reference Guide[R].USA:NISTIR,2008:47-48.

[6]崔武遠,劉禹辰,侯龍飛,肖麗娜.基于FDS與Pathfinder的賓館火災與人員疏散數(shù)值仿真[C].2010(沈陽)國際安全科學與技術學術研討會.中國遼寧沈陽:2010.

王妍(1990—),女,北京,研究生在讀,研究方向:安全技術。