奚翠萍，盧 平，李鎮(zhèn)韜，楊 楊

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

由于地下車庫位于地下，是一個大型的封閉空間，建筑結構復雜，自然通風條件差等特性，一旦發(fā)生火災，車庫內溫度高，煙氣無法快速散出導致地下車庫能見度降低，人員疏散與救援十分困難，這將造成極大的人員傷亡與財產損失[1-4].因此，人們越來越注重對地下車庫火災防控和處理的研究.

近年來，國內外學者們對地下空間火災煙氣的研究取得了顯著成就.Peter Weisenpacher等通過汽車仿真模型的模擬研究，模擬結果與全尺寸火災試驗結果相比較，得出仿真模擬是具有可靠性的[5].程遠平等通過對一輛小汽車的燃燒試驗，得到了火場溫度、熱釋放速率等參數的變化規(guī)律，并得出了小汽車燃燒熱時逃出火場的最佳時間[6].張淑慧利用FDS建立車庫三維模型，通過設置不同的工況，得出在排煙系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)的作用下可以有效地降低火場溫度和提高火場的能見度[7].張甫仁等采用FDS火災模擬軟件建立三維車庫模型，設置不同工況分析排煙口的布置方式與排煙口風速大小對煙氣層的發(fā)展和火災控制的影響規(guī)律[8].

本文以某醫(yī)院地下車庫為研究對象，利用Pyrosim建立三維模型，通過模擬來分析在機械排煙系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)的作用下，地下車庫發(fā)生火災時的溫度、能見度以及CO濃度的變化，從而得出火災過程中煙氣蔓延的規(guī)律.

1 數值模擬理論

Pyrosim是在FDS的基礎上發(fā)展而來的，主要能夠快捷地創(chuàng)建火災模型，準確預測火災的溫度、煙氣流動和有毒氣體濃度，然后通過Smokeview將模擬結果可視化，可更加方便直觀地看到火災中煙氣的蔓延過程[9].

火災發(fā)展模型主要有經驗模型、場模型、區(qū)域模型和網絡模型.其中，場模型比較適合用于建筑火災模擬分析，采用Navier-Stokes方程對煙氣流動及傳熱過程進行計算，利用大渦模擬方法進行模擬求解.在計算過程中會考慮建筑物內整個過程的火場煙氣蔓延及溫度動態(tài)，其(N-S)基本控制方程有：

質量守恒方程為

(1)

式中：ρ為燃燒氣體的密度；t為燃燒時間；為哈密頓算子；u為煙氣速度.

動量守恒方程為

(2)

式中：p為氣壓值；f為外力；τ為粘性力.

能量守恒方程為

(3)

式中：h為熱焓值；q為熱釋放速率；k為導熱系數；D為氣體擴散系數；dρ/dt為壓力的隨體導數.

組分輸運方程為

(4)

2 案例分析

2.1 工程概況

已知某醫(yī)院地下車庫(如圖1所示)，建筑面積18 440 m2，層高5.2 m,長206.8 m，寬108 m.該地下車庫南面設有1個出口，1個入口，車庫內共設有11個防煙分區(qū)，每個防煙分區(qū)用特級防火卷簾分隔.根據我國《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規(guī)范》規(guī)定，地下車庫每個防煙分區(qū)的建筑面積不宜超過2 000 m2[10].

圖1 地下車庫整體布局

2.2 模型建立

本文取11個防煙分區(qū)中的E 防煙分區(qū)為對象建立三維模型，該分區(qū)面積1 985 m2，其中長82 m(Y方向)，寬24 m(X方向)，高5.2 m(Z方向),設有45個停車位，2條人員疏散樓梯以及1間排風機室和1間濾毒室，與兩邊的D和F防火分區(qū)用防火卷簾隔開，該防火分區(qū)上方布置有排煙風管與噴淋系統(tǒng).根據實際工程概況進行建立模型，如圖2所示.并在(X,Y,Z)=(6.5，13.8，2)處的樓梯間附近與火源點附近設置監(jiān)測設備，在離地2 m(Z=2 m)處設置切片，用來測量溫度、CO濃度以及能見度.

圖2 三維模型

2.3 設置工況

以汽車表面為火源點，設置在兩樓梯間之間，火源熱釋放速率設定為7 MW，統(tǒng)一汽車尺寸為4.4 m×1.8 m×1.5 m.網格尺寸采用0.4 m×0.4 m×0.4 m，模擬時間設置為500 s.

本文主要研究排煙系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)對地下車庫的火災煙氣蔓延的影響，共設置了3個火災場景進行模擬研究對比，如表1所示.

表1 工況條件設置

3 模擬結果分析

3.1 不同工況下溫度分布數值變化

3.1.1Z=2 m處

離地面2 m處的溫度變化云圖如圖3所示，可以看出：當火災燃燒時間達到300 s時，工況1條件下車庫的整體溫度在45 ℃以上，火源點附近最高溫度達到了70 ℃，由于熱煙羽流上升到了頂棚遇阻后向四周擴散下沉，導致車庫兩側溫度較高，達到了60 ℃以上；工況2在燃燒時間達到300 s時，火源點附近溫度達到了105 ℃，但車庫其他位置溫度在50 ℃左右(這是因為機械排煙帶走了部分熱煙，使得車庫整體溫度比工況1低，但同時也帶進了空氣，充足的氧氣使得火燃燒更加旺盛，導致火源附近溫度很高)；工況3因為機械排煙與噴淋的相互作用，車庫整體溫度在35 ℃左右.

(a) 工況1

3.1.2X=6.5 m處

在X=6.5 m的樓梯口處3種不同工況下的溫度變化曲線如圖4所示，可以看出：3種工況在燃燒時間達到140 s火災燃燒初期，樓梯口處的溫度基本相同，這是因為起火初期溫度上升速率較慢，除火源點位置溫度較高外，車庫內整體溫度都在20 ℃左右；在140 s之后，溫度開始整體上升，工況1的溫度明顯高于其他2個工況，其最高溫度達到75 ℃以上，工況2的最高溫在65 ℃左右，而工況3在機械排煙與噴淋系統(tǒng)都開啟的情況下，整個車庫溫度一直維持在35 ℃左右.

圖4 不同工況下X=6.5 m處的溫度變化曲線

人只可以短暫忍受一定的溫度，但在超過65 ℃的環(huán)境中，將會造成無法恢復的創(chuàng)傷.3種工況下，工況1的受困人員必須在火災發(fā)生后220 s左右的時間段從這個樓梯口逃出去，否則會有傷亡危險.

3.2 不同工況下能見度分布數值變化

3.2.1Z=2 m處

不同工況下Z=2 m處的能見度云圖如圖5所示，分析可得：工況1下整個車庫的能見度不高，只有局部能達到15 m左右；工況2與工況3下，車庫的整體能見度相對來說要比工況1好，局部最高能見度能達到30 m 左右，在機械排煙與噴淋系統(tǒng)的作用下，大大提高了地下車庫的能見度.在3種工況下，都是車庫墻邊拐角區(qū)域能見度非常低，說明一些半封閉的區(qū)域煙氣流通性差.

(a) 工況1

3.2.2X=6.5 m處

在不同工況條件下，左側樓梯口附近X=6.5 m處的變化曲線如圖6所示，分析可得：在燃燒時間達到100 s之前，3種工況的能見度均在30 m，因為火災發(fā)生初期，煙氣上升還未蔓延到樓梯附近2 m處；在燃燒時間達到100 s之后發(fā)生明顯變化，工況1的能見度直線下降，在燃燒時間達到150 s后能見度低于5 m，這使得逃生與救援工作受到很大的阻礙；工況3條件下，在燃燒時間達到150 s以后能見度下降到10 m以下，也不利于受困人員從該樓梯逃生；工況2下，地下車庫的能見度是最高的，始終保持在10 m左右，說明排煙系統(tǒng)的開啟能很大程度提高樓梯出口附近的能見度，當噴淋系統(tǒng)開啟時，煙氣冷卻下沉，使排煙有所阻礙，從而導致能見度降低.

圖6 不同工況下X=6.5 m處的能見度變化曲線

3.3 不同工況下CO濃度分布數值變化分析

圖7是3種工況下X=6.5 m左側樓梯口附近的CO濃度變化曲線，可以看出：工況1在機械排煙系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)都不開啟的情況下，CO濃度明顯高于其他2個工況，其CO濃度最高達到565 mg/m3；工況2的CO濃度基本在250 mg/m3以下；工況3的CO濃度達到了375 mg/m3.表明機械排煙能將煙氣排出，有效地降低了火場的CO濃度，而噴淋的開啟抑制了火源的燃燒，使火處于陰燃狀態(tài)，燃燒不充分，從而導致CO濃度增加.

圖7 不同工況下X=6.5 m處的CO濃度變化曲線

人長時間在CO濃度為125 mg/m3的環(huán)境中，會出現頭痛，惡心，在250 mg/m3的環(huán)境中會產生頭痛、嘔吐甚至昏迷.所以在3種工況中，工況1的受困人員需在220 s之前從該樓梯逃生，否則會有安全隱患.

4 結論

1) 在自然通風條件下，煙氣蔓延的速度較快，很快蔓延到整個地下車庫且不能及時排出，導致地下車庫溫度、能見度以及CO濃度相對較高，有的甚至超過安全界限.

2) 機械排煙系統(tǒng)打開，可以直接將車庫內大量煙氣排除，降低煙氣濃度，提高了能見度；同時，能很好地降低逃生樓梯附近的CO 濃度.因此，應在地下車庫合理位置設計排煙系統(tǒng).

3) 噴淋系統(tǒng)的開啟降低了車庫內的溫度，但是單獨使用可能會使煙氣層降低，導致能見度降低，CO濃度升高；與機械排煙系統(tǒng)聯(lián)合作用，會更好地控制火場的各項參數，為逃生救援工作提供了有利條件.