風向?qū)Ω邔幼≌馂臒煔饬鲃拥挠绊?/h1>
2021-10-26 08:03:10李曉虹
山西建筑 2021年21期
鄒 濤，李曉虹，吳 際
(西華大學土木建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610039)
1 概述
隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化水平不斷提高，導致城市居住用地越發(fā)緊張，為了滿足更多人口居住需求，高層住宅近年來迅速發(fā)展。一方面，高層住宅作為社會發(fā)展進步的產(chǎn)物，能夠更高效率的利用土地空間，同時由于居住環(huán)境視野更加開闊，使得居住舒適性得到了提升。另一方面，高層住宅具有建筑體量大、建筑高度高、層數(shù)多、電氣管路復雜、人員構成復雜等特點，因此相比于多層住宅，高層住宅發(fā)生火災的概率更大，且一旦發(fā)生火災，火災煙氣會嚴重危害住宅內(nèi)人員的生命安全。火災煙氣對人體的危害主要來源于四個方面：
1)毒害性。可燃物燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的有害物質(zhì)，如CO，CO2，SO2，氮氧化物以及可吸入顆粒物等，人體吸入過量的有害物質(zhì)后會造成頭痛等不良反應，嚴重的會導致窒息。
2)高溫性。火災煙氣的溫度一般能達到上百攝氏度，遠遠超過人體能夠承受的極限溫度，會灼傷人體皮膚。
3)減光性?；馂臒煔饴友杆?，煙氣會吸收周圍光線，降低能見度，造成人體視線受阻，無法辨別逃生出口的方向。
4)心理壓力?；馂陌l(fā)生會帶來很大的心理壓力，往往因為慌亂導致不能做出正確的逃生選擇，造成人員疏散困難。因此如何有效地減緩火災煙氣通過安全通道蔓延，成為目前學者們研究的重點。
風作為一種空氣流動引起的自然現(xiàn)象，為火災反應提供更多的氧氣，加速可燃物內(nèi)部水分蒸發(fā)，同時會吹動已經(jīng)點燃的可燃物到其他可燃物上，造成火勢蔓延和煙氣擴散更加迅速，因此減弱風對于高層建筑火勢蔓延及煙氣流動的影響就顯得尤為重要。夏樂天等[1]以某15層辦公樓為研究對象，采用FDS軟件分析了室外風在不同風速下的火災煙氣流動規(guī)律，結果表明風速越大，著火房間外開口中性面越大。史健勇等[2]以高層住宅外墻為研究對象，采用計算機數(shù)值模擬方法，分析了不同風速對高層住宅外墻火災煙氣發(fā)展的影響，結果表明隨著風速增大，熱釋放速率增大，風速對外墻火災煙氣發(fā)展起著顯著作用。侯龍飛等[3]應用FDS軟件，探究了風速對高層建筑火災煙氣特性的影響，結果表明風速越大，各煙氣特性數(shù)值越大。尹越等[4]使用數(shù)值模擬方法，研究了風速對高層住宅凹型外墻煙氣擴散的影響，為高層住宅凹型外墻的設計提供了一些理論參考。
綜上所述，在以往建筑火災煙氣蔓延和人員應急疏散研究中，研究人員多采用計算機數(shù)值模擬的方法，多為研究風速對室內(nèi)外火災煙氣流動的影響，較少有系統(tǒng)分析風向?qū)κ覂?nèi)火災煙氣流動影響的研究。因此本文以成都地區(qū)某高層住宅為研究對象，應用PyroSim軟件進行數(shù)值模擬的方法，探究不同風向?qū)τ诟邔幼≌覂?nèi)火災煙氣流動的影響，對于高層住宅消防安全設計及人員安全逃生具有重要意義。
2 模型建立
2.1 模擬軟件簡介
傳統(tǒng)主流的火災模擬軟件是FDS，F(xiàn)DS雖然應用廣泛，但是該軟件建模過程相對復雜，需要一定的編程基礎，輸入各種指令用于建模，不易學習。因此本文使用PyroSim軟件進行數(shù)值模擬，該軟件是基于FDS發(fā)展起來的，在FDS基礎上加入了一個圖形用戶界面，最大的優(yōu)點是將火災模擬過程可視化。它對于火災煙氣運動過程能夠較為準確的進行模擬，同時可測量火場溫度、有害氣體濃度、能見度等參數(shù)，且更加易于學習，因此目前廣泛應用于火災消防設計等相關領域。
PyroSim軟件建立火災模型的步驟一般為：1)新建文件并保存；2)根據(jù)精度需要創(chuàng)建網(wǎng)格；3)導入需要的材料，定義反應類型；4)創(chuàng)建需要的表面類型并定義其屬性；5)根據(jù)建筑圖構建實體模型；6)創(chuàng)建地板、孔洞、通風口；7)創(chuàng)建探測裝置和切片；8)設置模擬運行參數(shù)；9)檢查模型；10)運行FDS；11)得到smoke view可視化窗口運行結果；12)提取數(shù)據(jù)進行處理分析。
2.2 模型假設
為了使火災模擬準確的同時簡化物理模型，本文進行了以下假設：
1)風向?qū)嶋H上由于空氣擾動一直處于變化之中，為了更好的研究風向?qū)煔饬鲃拥挠绊懀僭O整個模擬過程中風向是穩(wěn)定的；
2)實際燃燒過程極其復雜，為簡化燃燒模型，選用場模型進行模擬研究；
3)由于僅研究風向?qū)煔饬鲃拥挠绊?，因此假設其他氣象條件是固定值。
2.3 參數(shù)設置
本文研究對象為成都市某高層住宅。該住宅共兩部電梯，每層共六戶住戶，共三種戶型，分為A,B,C三種，建筑層高3 m，層數(shù)20層，建筑高度60 m，占地面積482.19 m2。
對于計算網(wǎng)格的確定，從理論上來講，計算網(wǎng)格劃分得越精細，計算結果越準確，但是相應會增加模型計算的時間，因此為了保證計算準確的同時，減少計算時間，選擇單位網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，網(wǎng)格總數(shù)為91 800個。根據(jù)建筑圖在PyroSim中建立模型，假定起火位置位于第10層C戶型客廳沙發(fā)處。由于燃燒物主要是聚氨酯和木材，且火災發(fā)展過程是非穩(wěn)態(tài)的，因此使用快速t2火來描述火災發(fā)展過程是相對準確的。GB 51251—2017建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準[5]中對于不同場所火源最大熱釋放量給出了參考值，其中不帶噴淋的客房最大熱釋放量為6 MW，因此將火源最大熱釋放量定為6 MW，假定火源尺寸為0.5 m×0.5 m，因此火源最大功率為24 MW/m2。由GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[6]確定成都地區(qū)環(huán)境溫度16.1 ℃，相對濕度84%，室外大氣壓94 970 Pa，風速2 m/s。在住戶門口距離地面1.7 m高處設置能見度探測器(Visibility)，用于監(jiān)測煙氣流動至住戶門外所用時間，方便后續(xù)結果分析。保持其他所有條件不變，根據(jù)風向設置八種不同的工況，分別為北風(0°)、東北風(45°)、東風(90°)、東南風(135°)、南風(180°)、西南風(225°)、西風(270°)和西北風(315°)，模擬時間定為500 s。
建立的火災模型平面圖如圖1所示。
3 模擬結果分析
火災發(fā)生后產(chǎn)生的大量煙氣具有很強的減光性，隨著煙氣的不斷流動會使得室內(nèi)能見度不斷降低，導致人員疏散受到影響。對于商場等大空間建筑，最小可視范圍為10 m，而對于住宅等一般建筑物，最小可視范圍為5 m，當可視范圍小于5 m時，煙氣會嚴重影響人員對于安全出口的辨認，使得人員疏散更困難，進而對人員生命安全造成威脅。因此本文以住戶門口距地高度1.7 m處能見度降低到5 m作為煙氣擴散到住戶外的臨界點(見圖2)。
由圖2可知，從測點整體能見度隨時間變化趨勢上看，火災初期由于可燃物未充分燃燒，產(chǎn)生的煙氣較少，因此火災初期測點能見度變化不明顯，但隨著可燃物持續(xù)燃燒，同時在風的助燃作用下，火勢迅速蔓延，煙氣迅速擴散，在極短的時間內(nèi)測點能見度下降到5 m，其中西南風、東風、東南風、南風整體能見度隨時間變化趨勢相近，西北風、西風、北風整體變化趨勢相近，東北風整體變化趨勢明顯區(qū)別于其他風向。測點能見度降低到5 m所用時間由短到長依次為：西南風<東風<東南風<南風<東北風<北風<西風<西北風，其中西南風所用時間最短，為41.5 s，西北風所用時間最長，為113.5 s。
4 結論
本文使用PyroSim軟件進行數(shù)值模擬，探究風向?qū)Τ啥嫉貐^(qū)高層住宅室內(nèi)火災煙氣流動的影響，得到的主要結論如下:
1)在只改變風向，不改變其他條件的情況下，在火災初期可燃物燃燒不充分時，煙氣擴散速度不快，隨著可燃物繼續(xù)燃燒，煙氣會快速擴散，此時對于人員逃生產(chǎn)生很大阻礙，因此火災初期不僅是火災撲救的最佳時機，也是人員逃生的最佳時機。
2)所有風向中，西南風能見度降低到5 m所用時間最短(41.5 s)，而西北風所用時間最長(113.5 s)，表明在成都地區(qū)西南風對煙氣流動影響最大，西北風影響最小。從能見度降低到5 m所用時間可以看出，南風相較于北風，對煙氣流動影響更大；東風相較于西風，影響更大。
高層住宅發(fā)生火災時人員需要在短時間內(nèi)撤離到住戶外，以減少煙氣對于人員疏散的影響。由于南向風和東向風對于成都地區(qū)高層住宅火災煙氣流動影響更大，因此可通過在南向和東向窗戶適當減小窗戶開窗面積、貼防風條、加裝厚窗簾等措施減少南向風和東向風進入室內(nèi)，減弱南向風和東向風對煙氣流動的影響，為人員爭取更多的逃生時間，以減少高層住宅火災的人員傷亡。
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1)毒害性。可燃物燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的有害物質(zhì)，如CO，CO2，SO2，氮氧化物以及可吸入顆粒物等，人體吸入過量的有害物質(zhì)后會造成頭痛等不良反應，嚴重的會導致窒息。
2)高溫性。火災煙氣的溫度一般能達到上百攝氏度，遠遠超過人體能夠承受的極限溫度，會灼傷人體皮膚。
3)減光性?；馂臒煔饴友杆?，煙氣會吸收周圍光線，降低能見度，造成人體視線受阻，無法辨別逃生出口的方向。
4)心理壓力?；馂陌l(fā)生會帶來很大的心理壓力，往往因為慌亂導致不能做出正確的逃生選擇，造成人員疏散困難。因此如何有效地減緩火災煙氣通過安全通道蔓延，成為目前學者們研究的重點。
風作為一種空氣流動引起的自然現(xiàn)象，為火災反應提供更多的氧氣，加速可燃物內(nèi)部水分蒸發(fā)，同時會吹動已經(jīng)點燃的可燃物到其他可燃物上，造成火勢蔓延和煙氣擴散更加迅速，因此減弱風對于高層建筑火勢蔓延及煙氣流動的影響就顯得尤為重要。夏樂天等[1]以某15層辦公樓為研究對象，采用FDS軟件分析了室外風在不同風速下的火災煙氣流動規(guī)律，結果表明風速越大，著火房間外開口中性面越大。史健勇等[2]以高層住宅外墻為研究對象，采用計算機數(shù)值模擬方法，分析了不同風速對高層住宅外墻火災煙氣發(fā)展的影響，結果表明隨著風速增大，熱釋放速率增大，風速對外墻火災煙氣發(fā)展起著顯著作用。侯龍飛等[3]應用FDS軟件，探究了風速對高層建筑火災煙氣特性的影響，結果表明風速越大，各煙氣特性數(shù)值越大。尹越等[4]使用數(shù)值模擬方法，研究了風速對高層住宅凹型外墻煙氣擴散的影響，為高層住宅凹型外墻的設計提供了一些理論參考。
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2 模型建立
2.1 模擬軟件簡介
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2.2 模型假設
為了使火災模擬準確的同時簡化物理模型，本文進行了以下假設：
1)風向?qū)嶋H上由于空氣擾動一直處于變化之中，為了更好的研究風向?qū)煔饬鲃拥挠绊懀僭O整個模擬過程中風向是穩(wěn)定的；
2)實際燃燒過程極其復雜，為簡化燃燒模型，選用場模型進行模擬研究；
3)由于僅研究風向?qū)煔饬鲃拥挠绊?，因此假設其他氣象條件是固定值。
2.3 參數(shù)設置
本文研究對象為成都市某高層住宅。該住宅共兩部電梯，每層共六戶住戶，共三種戶型，分為A,B,C三種，建筑層高3 m，層數(shù)20層，建筑高度60 m，占地面積482.19 m2。
對于計算網(wǎng)格的確定，從理論上來講，計算網(wǎng)格劃分得越精細，計算結果越準確，但是相應會增加模型計算的時間，因此為了保證計算準確的同時，減少計算時間，選擇單位網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，網(wǎng)格總數(shù)為91 800個。根據(jù)建筑圖在PyroSim中建立模型，假定起火位置位于第10層C戶型客廳沙發(fā)處。由于燃燒物主要是聚氨酯和木材，且火災發(fā)展過程是非穩(wěn)態(tài)的，因此使用快速t2火來描述火災發(fā)展過程是相對準確的。GB 51251—2017建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準[5]中對于不同場所火源最大熱釋放量給出了參考值，其中不帶噴淋的客房最大熱釋放量為6 MW，因此將火源最大熱釋放量定為6 MW，假定火源尺寸為0.5 m×0.5 m，因此火源最大功率為24 MW/m2。由GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[6]確定成都地區(qū)環(huán)境溫度16.1 ℃，相對濕度84%，室外大氣壓94 970 Pa，風速2 m/s。在住戶門口距離地面1.7 m高處設置能見度探測器(Visibility)，用于監(jiān)測煙氣流動至住戶門外所用時間，方便后續(xù)結果分析。保持其他所有條件不變，根據(jù)風向設置八種不同的工況，分別為北風(0°)、東北風(45°)、東風(90°)、東南風(135°)、南風(180°)、西南風(225°)、西風(270°)和西北風(315°)，模擬時間定為500 s。
建立的火災模型平面圖如圖1所示。
3 模擬結果分析
火災發(fā)生后產(chǎn)生的大量煙氣具有很強的減光性，隨著煙氣的不斷流動會使得室內(nèi)能見度不斷降低，導致人員疏散受到影響。對于商場等大空間建筑，最小可視范圍為10 m，而對于住宅等一般建筑物，最小可視范圍為5 m，當可視范圍小于5 m時，煙氣會嚴重影響人員對于安全出口的辨認，使得人員疏散更困難，進而對人員生命安全造成威脅。因此本文以住戶門口距地高度1.7 m處能見度降低到5 m作為煙氣擴散到住戶外的臨界點(見圖2)。
由圖2可知，從測點整體能見度隨時間變化趨勢上看，火災初期由于可燃物未充分燃燒，產(chǎn)生的煙氣較少，因此火災初期測點能見度變化不明顯，但隨著可燃物持續(xù)燃燒，同時在風的助燃作用下，火勢迅速蔓延，煙氣迅速擴散，在極短的時間內(nèi)測點能見度下降到5 m，其中西南風、東風、東南風、南風整體能見度隨時間變化趨勢相近，西北風、西風、北風整體變化趨勢相近，東北風整體變化趨勢明顯區(qū)別于其他風向。測點能見度降低到5 m所用時間由短到長依次為：西南風<東風<東南風<南風<東北風<北風<西風<西北風，其中西南風所用時間最短，為41.5 s，西北風所用時間最長，為113.5 s。
4 結論
本文使用PyroSim軟件進行數(shù)值模擬，探究風向?qū)Τ啥嫉貐^(qū)高層住宅室內(nèi)火災煙氣流動的影響，得到的主要結論如下:
1)在只改變風向，不改變其他條件的情況下，在火災初期可燃物燃燒不充分時，煙氣擴散速度不快，隨著可燃物繼續(xù)燃燒，煙氣會快速擴散，此時對于人員逃生產(chǎn)生很大阻礙，因此火災初期不僅是火災撲救的最佳時機，也是人員逃生的最佳時機。
2)所有風向中，西南風能見度降低到5 m所用時間最短(41.5 s)，而西北風所用時間最長(113.5 s)，表明在成都地區(qū)西南風對煙氣流動影響最大，西北風影響最小。從能見度降低到5 m所用時間可以看出，南風相較于北風，對煙氣流動影響更大；東風相較于西風，影響更大。
高層住宅發(fā)生火災時人員需要在短時間內(nèi)撤離到住戶外，以減少煙氣對于人員疏散的影響。由于南向風和東向風對于成都地區(qū)高層住宅火災煙氣流動影響更大，因此可通過在南向和東向窗戶適當減小窗戶開窗面積、貼防風條、加裝厚窗簾等措施減少南向風和東向風進入室內(nèi)，減弱南向風和東向風對煙氣流動的影響，為人員爭取更多的逃生時間，以減少高層住宅火災的人員傷亡。
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