魏引尚，游成旭，劉 庚，魯昆侖

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

某娛樂場所火災危險性的判定

魏引尚1,2，游成旭1，劉 庚1，魯昆侖1

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

針對公共娛樂場所可燃物較多、人員密集、發(fā)生火災時人員難以疏散的現象，以襄陽市某網吧發(fā)生的“4·14”重大火災事故為例，通過建立CFD模型，對火災條件下場所內溫度、CO濃度、煙氣層高度等參數的變化情況進行了數值模擬，得到了各參數達到危險狀態(tài)的時間。模擬結果表明：該場所發(fā)生火災后，場所內人員未全部安全疏散出去，網吧內的環(huán)境已經對人體構成嚴重威脅；通過對原場所安全出口進行改進，模擬并判定改進后場所的火災危險性，判定結果表明符合人員疏散的條件，這對公共娛樂場所火災危險性的預先分析與判定有一定的指導意義。

公共娛樂場所；火災；危險性判定；安全疏散時間；數值模擬

公共娛樂場所建筑的形式多種多樣，內部結構錯綜復雜，且場所內可燃、易燃物品多，火災荷載大；用電設備多，一般采用多種照明燈具和各種音響設備，數量多、功率大，倘若安裝或使用不當，很容易引發(fā)火災；有些燈具表面溫度很高，若與幕布、布景等可燃物品靠近極易引起火災[1]。公共娛樂場所的特點是建筑功能復雜、社會性強、人員集中，一旦發(fā)生火災就會造成群死群傷的惡性事故，因此對此類火災進行研究具有重要的現實意義[2]。

據統(tǒng)計，火災中80%的人員是由于煙氣窒息死亡[3-5]。因此，研究公共娛樂場所火災時CO濃度及其他參數的分布情況以及隨時間變化的發(fā)展規(guī)律是非常有必要的。近年來，國內外學者針對娛樂場所火災頻發(fā)的現象進行了大量的研究[1-6]，但大多是從定性的角度來分析，無法準確再現火災現場。

2013年4月14日5時40分許，襄陽市迅馳星空網絡會所因電氣線路短路引起電線絕緣層等可燃物發(fā)生緩慢燃燒，煙氣通過吊頂內的孔洞向網吧西側各房間蔓延,6時41分許火災從包房的西南角突破，引燃其下方的沙發(fā)、布簾等物品，火勢迅猛，最終造成14人死亡、47人受傷。本文以該網絡會所發(fā)生的 “4·14”重大火災事故為例，應用CFD數值模擬對火災發(fā)展演化過程進行定量分析，從而實現以溫度、CO濃度、煙氣層高度等參數為指標來判定火災危險性的目的。

1 模型及邊界條件

1.1 數學模型

將火源簡化為一個熱源，不考慮具體的燃燒和熱輻射過程，采用Reynolds時均Navier-Stokes方程可求解娛樂場所火災湍流問題[7]。該問題遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒和組分質量守恒控制方程，可統(tǒng)一寫成如下通用形式[8]:

(1)

式中：φ為通用變量,可以代表速度、溫度等求解變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項；ρ為密度(kg/m3)；t為時間(s)；u為速度矢量(m/s)。

1.2 物理模型

根據襄陽市消防支隊提供的該網吧火災現場圖，并參照迅馳星空網絡會所實際情況建立物理模型：設定空間尺寸為25m×16m×3.5m，坐標原點見圖1；門位于建筑北側，尺寸為1.8m×2m，坐標為(4.8,1,0.2)；建筑東西側各設置3扇窗，其尺寸均為1.6m×1m，下沿1m，墻壁厚0.4m，西側窗戶由北向南坐標分別為(0.2,1.8,4.4)、(0.2,1.8,8)、(0.2,1.8,11.6)，東側窗戶由北向南坐標分別為(24.8,1.8,4.4)、(24.8,1.8,8.8)、(24.8,1.8,11.6)，西側的三扇窗與門為空氣入口，東側的三扇窗為空氣出口。建立的物理模型如圖1所示。

1.3 邊界條件

模型火源設在會所西南角(見圖1)，其尺寸為1m×1m×0.8m，中心點坐標為(4.5,0.4,15.1)，放熱量為500kW[9]。模擬中設定內、外部初始溫度均為17℃ ，外部壓力為101 325Pa，入口風速為1m/s；考慮浮力的影響，重力加速度g為-9.81m/s2，作用方向與y軸正方向相反。湍流模型采用的是標準的k-ε模型，輻射模型采用DO模型，數值計算在直角坐標系中進行，網格采用四面體網格[10]，最小網格尺寸為1.06×10-4m3，最大網格尺寸為2.34×10-3m3，網格總數為1 534 388個。

2 火災危險狀態(tài)的判定標準

建筑物發(fā)生火災后，如果建筑內所有的人員在火災煙氣未達到對人體生命構成威脅之前都能安全疏散出建筑物，那么該建筑物的防火設計就是安全的。而人員能否安全疏散，取決于可用安全疏散時間(ASET)與所需安全疏散時間(REST)的關系。其中，ASET是火災發(fā)展到對人體構成危險所需的時間；REST為處于危險區(qū)域的人員全部迅速安全撤離并抵達安全區(qū)域所需的時間。當tASET>tREST時，該建筑物防火設計是安全的；反之就認為是危險的。 火災危險狀態(tài)是指發(fā)生火災時火災環(huán)境對建筑物內人員造成嚴重傷害的狀態(tài)，一般用煙氣溫度、煙氣中有毒氣體的濃度以及煙氣層高度來表示[9]。

2.1 煙氣溫度

考慮煙氣溫度時，需要結合煙氣層高度綜合考慮。當煙氣層高于人眼的特征高度(一般取1.2～1.8m)，上部煙氣層的溫度高于180℃時，認為達到危險狀態(tài)；當煙氣層低于人眼特征高度，煙氣的溫度達到110～120℃時，認為達到危險狀態(tài)[11]。設煙氣溫度達到危險狀態(tài)的時間為t1。

2.2 有毒氣體的濃度

在煙氣層高度下降到人體呼吸的高度時(一般取1.5m)，可根據某種有害燃燒物的濃度是否達到臨界濃度來判斷其危險狀態(tài)。當CO濃度達到0.3%時，就可以對人體構成危險[11]。設有毒氣體的濃度達到危險狀態(tài)的時間為t2。

2.3 煙氣層高度

煙氣層高度達到危險狀態(tài)的確定方法是以煙氣層距地面的高度S滿足下面關系式時，認為達到危險狀態(tài)[12]。設煙氣層高度達到危險狀態(tài)的時間為t3。

S=1.6+0.1H

(2)

式中：S為煙氣層距地面的高度(m)；H為樓板距地面的高度(m)。

火災條件下，將上述三種危險條件中最先達到危險臨界狀態(tài)的時刻作為判定依據，設火災對人體構成威脅的時間為t0，則有

t0=min[t1，t2，t3]

(3)

3 模擬結果分析與火災危險性判定

3.1 模擬結果分析

該場所火災發(fā)生397.5s時上部煙氣層溫度分布如圖2所示(y=1.8m截面處)，可見圖中大部分區(qū)域煙氣層溫度都超過了180℃，達到了危險狀態(tài)，即t1=397.5s。圖3為y=1.8m截面處不同坐標點溫度隨時間的變化曲線。

該場所火災發(fā)生336.2s時上部煙氣層CO濃度分布如圖4所示(y=1.5m截面處)，可見圖中大部分區(qū)域CO濃度都超過了0.3%，達到了危險狀態(tài)，即t2=336.2s。圖5為y=1.5m截面處不同坐標點CO濃度隨時間的變化曲線。

該場所煙氣層距地面的高度S=1.6+0.1×3.5=1.95m，根據溫度、CO濃度可以得到煙氣層高度隨時間的變化曲線見圖6，可見煙氣層高度達到危險狀態(tài)的時間t3=147.4s。

該場所內人員可用的安全疏散時間tASET=t0-ta=147.4-10=137.4s，ta為場所內人員覺察到火災的時間，一般取ta=10s。

3.2 火災危險性判定

本文利用Steps軟件對該場所內300人進行疏散模擬，疏散模擬人員簡化為成年男性和成年女性，各參數設置見表1[13-14]。

表1 疏散模擬人員參數設置

通過模擬得出該場所內人員所需安全疏散時間tREST=192.8s，顯然tASET(137.4s)

4 改進方案及檢驗

4.1 改進方案

通過對原場所火災條件下的數值模擬，發(fā)現火災發(fā)生后，該場所內人員未全部安全疏散出去，網吧內的環(huán)境已經對人體構成嚴重威脅，其主要原因是由于場所空間大、人員密集、安全出口狹窄、疏散距離過長，造成人員不能及時地疏散到安全區(qū)域。因此，需對原場所內的通道進行改進。具體改進方案是在原場景的基礎上增加一個安全出口，該出口位于建筑南側，其尺寸為1.5m×2m，坐標為(20.2,1,0.2)[15]，如圖7所示。通過對原場景改進后，火災條件下場所內人員均能自主選擇最優(yōu)疏散路線。

4.2 改進后的模擬結果分析與危險性判定

5 結 論

(1) 針對娛樂場所此類建筑火災，可應用CFD數值模擬技術來模擬火災條件下溫度、CO濃度、煙氣層高度等參數的分布情況，并運用模擬結果來判定建筑火災危險性。若不符合安全疏散的標準，則可通過改善建筑物出口的設計或優(yōu)化防火設計來縮短人員所需安全疏散時間。在對原場景進行改進后，需重新進行模擬，以確?；馂臈l件下場所內人員都能安全疏散；若tASETtREST為止。

(2) 原場景中，火災發(fā)生后397.5s時上部煙氣層溫度超過了180℃，336.2s時上部煙氣層CO濃度超過了0.3%，147.4s時煙氣層高度下降到1.95m，均超出了人體所能承受的極限，而人員在這段時間內不能安全疏散到安全區(qū)域，分析原因主要是網吧安全出口狹小。

(3) 通過對原場景的安全出口進行改進，模擬并分析了改進后的場所火災危險性，判定結果表明可用安全疏散時間大于所需安全疏散時間，符合人員安全疏散的條件。

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Judgment of the Fire Risk of a Public Place of Entertainment

WEI Yinshang1,2，YOU Chengxu1，LIU Geng1，LU Kunlun1

(1.SchoolofEnergy,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054，China;2.KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPreventionofMinistryofEducation,Xi’an710054，China)

In view of the difficulty of evaluation when a fire breaks out in crowded public places of entertainment with many flammable materials,this paper takes the “4·14” fire disaster which happened at 5 o'clock on April 14, 2013 in a net barof Xiangyang as the research object to built a CFD model and simulates the fire condition and observes the variation of CO concentration, temperature, smoke layer's height and other parameters in the place, and then finds out the dangerous state time of each parameter.The results show that when the fire occurred, not all the people in the net bar were evacuated safely and the environment of the place posed a grave threat to people.In the paper we improve the emergency exits, and then simulate and judge the new fire risk of it.This reaearch has certain guiding significance in analyzing and judging in advance the fire risk in public places of entertainment.

public places of entertainment;fire;risk judgment;safety evacuation time;numerical simulation

1671-1556(2015)04-0155-05

2014-12-15

2015-06-03

魏引尚(1966—)，男，博士，教授，主要從事礦井通風安全性、瓦斯積聚危險性分析及其綜合治理等方面的研究。E-mail:weiys@xust.edu.cn

X928.7;X

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.027