郭晨寧，黃冬梅,2，朱榮杰，林　鵬，楊　燕

(1.中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省家具檢測技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；3.浙江省家具與五金研究所，浙江 杭州 310013；4.陜西省微生物研究所，陜西 西安 710043)

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高層建筑火災(zāi)污染物下風(fēng)向擴(kuò)散規(guī)律研究

郭晨寧1，黃冬梅1,2，朱榮杰1，林鵬3，楊燕4

(1.中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省家具檢測技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；3.浙江省家具與五金研究所，浙江 杭州 310013；4.陜西省微生物研究所，陜西 西安 710043)

【摘要】利用FDS軟件建立模型，設(shè)置不同的火災(zāi)場景，研究風(fēng)速對高層建筑火災(zāi)污染物下風(fēng)向擴(kuò)散的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)測定了不同場景中煙氣擴(kuò)散、能見度、溫度以及煙氣運(yùn)動速度的變化情況.結(jié)果表明,風(fēng)速小于臨界速度(臨界速度約為10 m/s)時，對下風(fēng)向建筑的影響較?。伙L(fēng)速大于臨界速度，隨著風(fēng)速的增大，煙氣接近下風(fēng)向墻面并沿著下風(fēng)向建筑墻面向下運(yùn)動，下風(fēng)向建筑附近能見度降低，溫度未見變化.

【關(guān)鍵詞】高層建筑火災(zāi)；煙氣污染物；FDS火災(zāi)動力學(xué)模擬

高層建筑火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣污染物不僅對發(fā)生火災(zāi)的建筑物內(nèi)的人員和財產(chǎn)造成極大的危害，而且隨著煙氣污染物的擴(kuò)散和蔓延，也對周圍建筑物人員生命和財產(chǎn)安全造成極大的威脅[1-2].眾所周知，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，靜風(fēng)狀態(tài)時，煙氣在熱煙浮力作用下，垂直向上蔓延；非靜風(fēng)狀態(tài)下，火災(zāi)煙氣隨著風(fēng)速向下風(fēng)向蔓延，風(fēng)速越大，煙氣蔓延越快.當(dāng)著火建筑下風(fēng)向的建筑高度大于著火建筑時，煙氣將彌漫在建筑之間，并通過面對著火建筑的開口蔓延至相鄰建筑內(nèi)，對其內(nèi)部人員造成極大危害；當(dāng)著火建筑下風(fēng)向的建筑高度小于著火建筑時，風(fēng)速較大的情況下，煙氣亦可向下蔓延.因此，有風(fēng)情況下，高層建筑發(fā)生火災(zāi)將對周圍建筑產(chǎn)生極大影響.研究高層建筑火災(zāi)情況下，煙氣下風(fēng)向蔓延規(guī)律可為火災(zāi)發(fā)生時下風(fēng)向建筑物內(nèi)人員疏散、設(shè)定建筑之間的防火間距提供參考.

目前，國內(nèi)外研究者就火災(zāi)發(fā)生時下風(fēng)向蔓延規(guī)律開展了部分研究，取得可喜的研究成果.如：周汝[3]等人對煙氣在橫向通道內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律展開了研究，研究結(jié)果表明，煙氣運(yùn)動的速度、濃度及溫度的變化與發(fā)生火災(zāi)的建筑樓層與中性面的距離有直接關(guān)系，離中性面越遠(yuǎn)變化越快、越大.陳大宏[4]等人利用數(shù)值分析法，對建筑物窗口形狀對火災(zāi)煙氣向外擴(kuò)散的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明煙氣的向外擴(kuò)散的情況取決于窗戶的形狀、比表面積以及寬度;火災(zāi)煙氣溢出著火建筑窗口后，受浮力作用向上運(yùn)動，隨著高度的增加，風(fēng)速可以改變煙氣的蔓延規(guī)律[5]；胡隆華[6]等人利用FDS模擬軟件，以兩棟等高的建筑建立模型，研究了風(fēng)速的改變對樓間空間煙氣蔓延的影響.煙氣的蔓延的規(guī)律對防火間距的設(shè)計和發(fā)生火災(zāi)時人員的疏散有極大的影響[7-8].

綜上所述，前人對高層建筑火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律方面開展了研究[9-12].但是，對高層建筑火災(zāi)時，煙氣下風(fēng)向的擴(kuò)散研究較少[13-15].基于此，本文以某兩棟不等高高層民用建筑作為建立模型的參考對象，利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)進(jìn)行模擬計算，研究風(fēng)速不同時，火災(zāi)煙氣污染物下風(fēng)向的擴(kuò)散規(guī)律，為合理設(shè)計高層建筑火災(zāi)條件下，下風(fēng)向的應(yīng)急疏散策略提供參考.

1數(shù)值模擬

本研究利用火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS進(jìn)行模擬，F(xiàn)DS是美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(Building and Fire Research Laboratory)研發(fā)的一種場模擬程序[16].采用數(shù)值方法求解描述熱驅(qū)動的低速流動的Navier-Stokes方程(粘性流體方程)，重點(diǎn)計算火災(zāi)中的煙氣流動和熱傳遞過程，得到很多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛[17-18].FDS基于動量守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)定律等計算求解測點(diǎn)處的溫度、煙氣流速、能見度等數(shù)據(jù).FDS計算求解的方程如下：

質(zhì)量守恒方程

(1)

動量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

1.1建立模型

本研究起火建筑物尺寸為40 m×20 m×40 m，下風(fēng)向建筑物尺寸為40 m×20 m×55 m，兩樓間距為40 m，共設(shè)置了6個測點(diǎn)，3個測溫度，3個測能見度.測點(diǎn)位置如圖1.實(shí)驗(yàn)中在著火建筑23 m高處設(shè)置兩個測點(diǎn)；在距離下風(fēng)向建筑物2 m、高度為23 m和39 m處各設(shè)置兩個測點(diǎn)，測定火災(zāi)中煙氣的擴(kuò)散、能見度、溫度以及煙氣運(yùn)動速率的變化情況.

圖1　測點(diǎn)位置Figure 1　Measuring point location

1.2基本條件

1.2.1模擬條件的設(shè)置

起火樓層為20 m高度處的樓層，火源尺寸為4 m×5 m×1 m，位于該樓層的正中間.煙氣溢出的窗口尺寸為5 m×3 m，位于該樓層右側(cè)面的正中間.火源采用t2快速增長火，火源功率為10 MW，穩(wěn)定燃燒，燃料采用PMMA.網(wǎng)格選定尺寸為2 m×2 m×2 m.計算時間300 s.

1.2.2模擬中場景的設(shè)置

本研究共設(shè)置3個場景，風(fēng)速分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s.

2結(jié)果與討論

2.1煙氣擴(kuò)散分析

圖2為不同場景300 s時煙氣在下風(fēng)向擴(kuò)散圖.由圖可知，煙氣從窗口溢出，首先沿著著火建筑物向上運(yùn)動，到達(dá)樓頂后，因風(fēng)速的不同對煙氣的作用力不同，煙氣的運(yùn)動方向不一樣.由圖2(a)可知，風(fēng)速為5 m/s時，煙氣到達(dá)樓頂后在風(fēng)力的作用下，沿斜上方運(yùn)動，越過下風(fēng)向建筑物向外擴(kuò)散；圖2(b)中，風(fēng)速增加到10 m/s，煙氣到達(dá)樓頂后，在風(fēng)力作用下，沿水平方向運(yùn)動，大部分煙氣沿著下風(fēng)向建筑物向下運(yùn)動，少部分煙氣向上運(yùn)動，兩樓之間聚集了大量煙氣污染物；圖2(c)中，風(fēng)速增加到15 m/s，煙氣在風(fēng)力的作用下，沿著下風(fēng)向建筑向下運(yùn)動.

由圖可知，當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s時，大量煙氣向建筑之間蔓延且下風(fēng)向建筑靠近著火建筑一側(cè)鄰近墻面處煙氣濃度大于中部.風(fēng)速繼續(xù)增大，在建筑之間的空隙上方形成風(fēng)速剪切面，阻止煙氣向上蔓延.煙氣沿風(fēng)速方向向下風(fēng)向蔓延，當(dāng)接近下風(fēng)向墻面時，轉(zhuǎn)而向下貼近墻面向下蔓延，類似煙氣在走道內(nèi)的蔓延規(guī)律.因此，風(fēng)速較大時，煙氣將對下風(fēng)向建筑造成極大影響.

圖2　各場景300 s時煙氣下風(fēng)向擴(kuò)散狀況Figure 2　Status of the flue gas diffusion under the wind in various wind speeds

2.2能見度分析

圖3為300 s時，建筑之間能見度場圖.由圖3可知，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時，建筑之間能見度在30 m以上，下風(fēng)向建筑周圍能見度未見降低；當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，下風(fēng)向建筑靠近著火建筑的一面的能見度降低至12 m，靠近下風(fēng)向墻面的能見度降低至24 m；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，風(fēng)速剪切面之上的能見度未減少，之下的樓層能見度降低為15 m.

由圖可知，當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s時，下風(fēng)向建筑物靠近著火建筑貼近墻面處的能見度小于中部的值.風(fēng)速持續(xù)增大至15 m/s時，在建筑物控系之間形成環(huán)狀蔓延且煙氣不發(fā)散.空隙中近下風(fēng)向建筑靠近著火建筑一側(cè)表面能見度降低.

圖3　各場景300 s時能見度狀況　　　　　Figure 3　Visibility conditions in various wind speeds after 300 s

2.3溫度分析

圖4為600 s時，建筑之間溫度場圖.由圖4可知，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時，著火建筑煙氣溢出口附近溫度變化最大，增大為120 ℃，下風(fēng)向建筑附近溫度未見變化.當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s時，兩建筑之間空隙上面的溫度增加了40 ℃，下風(fēng)向建筑附近的溫度未見上升.著火建筑溢出口上方的溫度變化明顯，兩建筑之間及下風(fēng)向建筑附近溫度幾乎沒有變化，保持在20 ℃左右.

圖4　各場景600 s時溫度狀況　　　　　Figure 4　 Temperature conditions in various wind speeds after 600 s

2.4煙氣運(yùn)動速度分析

圖5　各場景煙氣運(yùn)動矢量狀況Figure 5　Flue gas motion vector in various wind speeds

由圖5可知，水平風(fēng)速越大，煙氣對下風(fēng)向建筑的影響越大.

煙氣越過著火建筑樓頂后，運(yùn)動的角度越小，下風(fēng)向建筑對煙氣的阻礙作用越強(qiáng).因此，風(fēng)速越大煙氣對下風(fēng)向建筑影響越強(qiáng).

圖6　臨界速度隨絕對高度差變化曲線　　Figure 6　Curve of the critical speed changing with absolute height

圖7　臨界速度隨樓間距變化曲線　Figure 7　Difference curve of the critical speed with floor space

由圖5可知，當(dāng)其他因素不變時，樓間距和兩樓的絕對高度差對煙氣的擴(kuò)散有一定的影響.圖6中絕對高度差為下風(fēng)向建筑與著火建筑的高度差值，臨界速度為煙氣影響下風(fēng)向建筑的臨界速度值.絕對高度差越大，臨界速度越小.絕對高度差和臨界速度是有一定比例系數(shù)的反比函數(shù)關(guān)系.圖7為樓間距與臨界速度的關(guān)系圖，由圖可知，樓間距越大，臨界速度越大，且有一定的線性關(guān)系.因此，風(fēng)速一定時，樓間距越小，下風(fēng)向建筑受影響越大；下風(fēng)向建筑越高，受到的影響越嚴(yán)重.

綜上所述，下風(fēng)向建筑物附近的溫度不受上風(fēng)向著火建筑的影響.當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時，風(fēng)力對煙氣的作用較小，煙氣越過下風(fēng)向建筑向外擴(kuò)散，兩樓之間的能見度在30 m以上，下風(fēng)向建筑物未見降低.當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s時，煙氣向兩樓之間蔓延，下風(fēng)向建筑臨近墻面的能見度小于中間的值.風(fēng)速持續(xù)增加，煙氣在風(fēng)力的作用下，在兩樓之間的空隙上方形成風(fēng)速剪切面，阻止煙氣向上蔓延，接近下風(fēng)向墻面時沿下風(fēng)向建筑向下蔓延，下風(fēng)向建筑近著火建筑一側(cè)表面能見度降低至15 m.

3結(jié)語

本文利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對相同樓間距、起火高度，不同風(fēng)速下高層建筑火災(zāi)煙氣污染物下風(fēng)向擴(kuò)散情況進(jìn)行了模擬研究，根據(jù)各測點(diǎn)處的煙氣的擴(kuò)散、能見度、溫度以及煙氣運(yùn)動速度的變化情況，得出以下結(jié)論：

風(fēng)速不小于臨界速度時，隨著風(fēng)速的增大，在建筑之間形成的空隙上方形成風(fēng)速剪切面，阻止煙氣向上蔓延，接近下風(fēng)向墻面時，沿著下風(fēng)向建筑墻面向下運(yùn)動.煙氣在下風(fēng)向建筑附近的蔓延規(guī)律與走廊內(nèi)的蔓延規(guī)律類似.

風(fēng)速越大，下風(fēng)向建筑臨近著火建筑一面的能見度越低.

高層建筑火災(zāi)時，著火建筑附近的溫度變化較大，下風(fēng)向建筑物和兩樓之間的溫度不受影響.

樓間距越小，下風(fēng)向建筑越低，煙氣污染物被下風(fēng)向建筑阻擋，煙氣蔓延至兩樓之間，對下風(fēng)向建筑造成極大的影響.因此，發(fā)生火災(zāi)時，下風(fēng)向建筑越高，與著火建筑樓間距越小，越要及時疏散人員和組織救援.

影響下風(fēng)向煙氣擴(kuò)散的因素有很多，包括風(fēng)速大小、風(fēng)向、樓間距、兩樓的絕對高度差等.本文主要是針對風(fēng)速大小對下風(fēng)向煙氣擴(kuò)散規(guī)律的影響展開研究的，在以后的工作中，將繼續(xù)開展其他因素對下風(fēng)向煙氣擴(kuò)散的影響研究.

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【文章編號】1004-1540(2016)02-0183-07

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.02.011

【收稿日期】2016-01-06《中國計量學(xué)院學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項目】國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51306168)，浙江省大學(xué)生科研團(tuán)隊資助項目(No.2016R409047).

【作者簡介】郭晨寧(1993-)，女，河南省商丘人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻ㄖ馂?zāi).E-mail:guochenning0829@163.com 通信聯(lián)系人：黃冬梅，女，講師.E-mail:dmhuang@cjlu.edu.cn

【中圖分類號】

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

Research on wind direction diffusion of high-rise buildings’ fire pollutants

GUO Chenning1, HUANG Dongmei1,2, ZHU Rongjie1, LIN Peng3, YANG Yan4

(1. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliangiang University, Hangzhou 310018， China;2. Key Laboratory of Furniture Inspection Technology of Zhejiang, Province Hangzhou 310018， China;3. Zhejiang Furniture and Hardware Research Institute, Hangzhou 310013， China;4. Microbology Institute of Shaanxi, Xi’an 710043, China)

Abstract:The influence of wind speed on smoke dispersion in the downwind of high-rise building fire sources was investigated by using the Fire Dynamics Simulator (FDS). The smoke field, the visibility and the temperature on different fire scences were measured. The results showed that the impact of wind velocity on the downwind building was moderate when the speed was less than the critical value (about 10 m/s). The smoke moved down along the surface of the building wall at the downwind when the speed was larger than the critical value. The temperature nearly remained unchanged but the visibility decreased with the increase of the wind speed.

Key words:high-rise building fire; firesmoke; fire dynamic simulation