張宇金

(四川職業(yè)技術學院 建筑工程學院，四川 遂寧 629000)

0 引言

宿舍由于其自身的特殊性，其走廊的寬度窄，縱深長，往往成了消防防御的重要部位。宿舍一旦發(fā)生火災，煙氣以火源為中心，在充滿著火寢室后，通過門窗向走廊兩端蔓延。若火災未得到及時撲救，加之走廊布局不合理，煙氣就會進入走廊，迅速蔓延開來，危及著火層及以外樓層中人員的安全，造成更加嚴重的影響[1]。其蔓延的范圍取決于火災發(fā)生的規(guī)模和走道的通風狀況，對于整個宿舍來說，一般火災都是由一個宿舍引起的，火災的區(qū)域只是局部的范圍，如果火災初期發(fā)現(xiàn)及時或者走道的通風系統(tǒng)設計合理，則可以有效地控制煙氣的蔓延，將火災區(qū)域控制在最小的范圍，然后集中力量將其撲滅，為人員逃生創(chuàng)造條件，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。因此，開展宿舍走廊火災煙氣運動規(guī)律的研究具有一定的現(xiàn)實意義[3]。

煙氣運動規(guī)律的研究方法目前主要有理論分析、實驗研究，實驗研究又分為實體實驗和數(shù)值模擬實驗。一些國家已經(jīng)把重點放在研究更加智能、簡單和實用的模型上，以使廣大工程施工人員能掌握更多的理論知識。國內(nèi)在火災煙氣研究方面起步較晚。在實體實驗方面，目前國內(nèi)僅中科大有條件做這樣的實驗。因此，本課題主要采用國際上最常用的FDS軟件進行模擬分析。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準研究所的建筑與火災研究實驗室合作共同研究開發(fā)的一款基于場模型的計算流體動力學軟件[4]。模擬火場被分割為許多長方體的小單元，假設每個小單元內(nèi)部氣體的溫度和速度是一致的，模擬過程中小單元的數(shù)量決定了模擬的準確性[5]。當今社會，隨著現(xiàn)代化進程不斷加快，各種建筑正向多元化發(fā)展，人們對安全的重視程度越來越高，對模擬精度的要求也在不斷提高，在這樣的背景和要求下，性能化防火設計規(guī)范如雨后春筍般興起。FDS火災模擬軟件被國內(nèi)外很多專家學者都認為是最有效、最方便、最實用的研究火災煙氣的數(shù)值模擬軟件。本文應用基于場模型的計算流體動力學軟件(FDS)，模擬研究了在宿舍走道兩端不設置自然排煙口、設置排煙口及設置不同開口高度的自然排煙口情況下，宿舍發(fā)生火災時走道能見度的變化規(guī)律。希望能為新宿舍建設設計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災煙氣的有效控制提供一定的理論依據(jù)。為新宿舍建設設計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災煙氣的有效控制提供了一定的理論依據(jù)。

當今社會，隨著現(xiàn)代化進程不斷加快，各種建筑正向多元化發(fā)展，人們對安全的重視程度越來越高，對模擬精度的要求也在不斷提高，在這樣的背景和要求下，性能化防火設計規(guī)范如雨后春筍般興起。FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準研究所的建筑與火災研究實驗室合作共同研究開發(fā)的一款基于場模型的計算流體動力學軟件。被國內(nèi)外很多專家學者都認為是最有效、最方便、最實用的研究火災煙氣的數(shù)值模擬軟件。本文基于場模型的計算流體動力學軟件(FDS)，模擬研究了在宿舍走道兩端不設置自然排煙口、設置排煙口及設置不同開口高度的自然排煙口情況下，宿舍發(fā)生火災時走道能見度的變化規(guī)律。希望能為新宿舍建設設計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災煙氣的有效控制提供一定的理論依據(jù)。為新宿舍建設設計和老舊宿舍的改造、人員疏散逃生、火災煙氣的有效控制提供了一定的理論依據(jù)。

1 宿舍概況

通過調研多所學校宿舍走道，實地測量走道的尺寸大小(包括長度、高度和寬度)和查看宿舍走道的整體布局，本文建立一宿舍走道第一層的全尺寸數(shù)值模擬模型，走道的長度確定為54m(綜合考慮兩個排煙口間距離如果大于60m便要設置機械排煙設施)，走廊的寬度為2.0m，走道的高度為3.0m(綜合考慮排煙口位置設置在走道凈高二分之一以上)。寢室里放置了四張多用床，下邊是書桌，上邊是床，書桌上擺放的是書籍、文具等學習用品，書桌之間是木質衣柜。如圖1所示，為走廊平面圖。運用FDS進行數(shù)值模擬最基本的就是文本文件的編寫，其中，包括：建立網(wǎng)格；模擬時間的設定；邊界條件的設定；起火點設定；定義床體；定義輸出文件等。

圖1 走廊平面圖

2 參數(shù)的確定

2.1 網(wǎng)格的確定

網(wǎng)格是FDS中最基本的單元，網(wǎng)格的劃分不光關系到計算時間的長短，更重要的是其直接關系到計算的精確程度。網(wǎng)格劃分得越細，網(wǎng)格數(shù)量越大，其計算結果就越準確，但是由此帶來的問題是計算時間的增加。在確定網(wǎng)格大小時，必須注意的是模擬對象網(wǎng)格的大小必須在一定的范圍內(nèi)才能準確地計算出流場中的粘滯應力。在這里引入火災的特征直徑D，即火災煙柱的最小尺度。

(4-1)

式中，D—火災特征直徑，單位m；

ρ—空氣密度，單位kg/m3；

C—空氣比熱，單位kj/kg.k；

Q—總熱釋放速率，單位kw；

T—空氣溫度，單位k；

g—重力加速度，m/s2。

FDS的所有計算都是在一個矩形界面下進行的，用MESH命令建立網(wǎng)格時，首先要通過IJK參數(shù)來指定網(wǎng)格的數(shù)量，其次用XB參數(shù)來定義矩形區(qū)域的位置和尺寸，根據(jù)兩個參數(shù)就可以看出所劃分網(wǎng)格的大小，本文所選取的網(wǎng)格大小為0.1×0.1×0.1m3。XB參數(shù)是由6個數(shù)字(X1,X2；Y1,Y2；Z1,Z2)組成，X2-X1就是矩形區(qū)域在X軸方向的長度，Y2-Y1就是矩形區(qū)域在Y軸方向的長度，Z2-Z1就是矩形區(qū)域在Z軸方向的長度。其中一種宿舍網(wǎng)格的編寫程序如下：

&MESH IJK=76,30,32,XB=-2.3,5.3,0.0,3.0,0.0,3.2/著火房間網(wǎng)格

&MESH IJK=16,540,32,XB=5.3,6.9,0.0,54.0,0.0,3.2/走廊網(wǎng)格

2.2 模擬時間設定

本論文確定模擬時間為1300s。

&TIME T_END=1300.0 /

2.3 邊界條件設定

MISC是用于定義各類輸入?yún)?shù)的命令，且一個文本文件只能有一個MISC行。MISC命令包含有很多參數(shù)，本研究中MISC命令的編寫程序如下：

&MISC TMPA=20.0,SURF_DEFAULT=‘WALL’/

&MATL ID=‘GYPSUM PLASTER’

FYI=‘Quintiere,Fire Behavior’

CONDUCTIVITY=0.48

SPECIFIC_HEAT =0.84

DENSITY=1440. /

&SURF ID=‘WALL’

RGB=200,200,200

MATL_ID=‘GYPSUM PLASTER’

THICKNESS=0.012 /

2.4 定義起火點

通過SURF命令的 HRRPUA參數(shù)來定義著火源的熱釋放速率，火源起火后再引燃室內(nèi)其他一些可燃物。具體的程序如下所示：

&SURF ID=‘FIRE’,HRRPUA=1500,PART_ID=‘smoke’ /

&PART ID=‘smoke’,MASSLESS=TRUE,SAMPLING_FACTOR=1/

&VENT XB=1.6,1.7,2.6,2.7,0.8,0.8,SURF_ID=‘FIRE’ /(著火房間)

2.5 定義床體

通過MATL命令來定義物品的材料組成，通過SURF命令將MATL命令定義的材料進行組合，通過OBST命令將其應用到具體的物品上。床的主體結構為一種OAK木材，其中OAK的主要成分有CELLULOSE,WATER和LIGNIN。床上的被褥和衣柜中的衣物用UPHOLSTERY表示，其中UPHOLSTERY的主要成分有FABRIC和FOAM，二者的一些參數(shù)如：比熱、導熱系數(shù)、密度、反應熱和燃燒熱等是通過MATL來定義的。具體的程序如附錄1所示。

bed1

&OBST XB=1.1,1.2,2.2,3.0,0.0,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=1.2,2.4,2.4,3.0,0.6,0.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=2.4,4.0,2.2,3.0,0.0,1.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=4.0,5.2,2.4,3.0,0.6,0.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=5.2,5.3,2.2,3.0,0.0,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=3.15,3.25,2.2,3.0,1.8,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=1.2,3.1,2.2,3.0,1.8,1.9,SURF_ID=‘UPHOLSTERY’/

&OBST XB=3.3,5.2,2.2,3.0,1.8,1.9,SURF_ID=‘UPHOLSTERY’/

2.6 定義輸出文件

通過SLCF(Slice File)命令，生成一種可視化的二維數(shù)據(jù)，保存在后綴名為smv的文件中(如Corridor_smoke.smv)。本文主要是從能見度考慮，可視化的二維數(shù)據(jù)程序為：

&SLCF PBX=6.3,QUANTITY=‘VISIBILITY ’/走廊中間煙氣能見度分布

通過DEVC命令測量煙氣能見度物理參量。

3 實驗結果與分析

3.1 煙氣的減光性

煙氣的減光性能夠降低能見度，使疏散速度下降，煙氣的減光性體現(xiàn)在：(1)煙氣中的固體和液體顆粒對光有吸收、反射和折射等作用；(2)有些煙氣中含有HCl、NH3和Cl2等，這些氣體對眼睛有刺激作用，嚴重影響人的視覺?；馂默F(xiàn)場的能見度受多種因素的影響，其中包括煙氣的濃度、物體的亮度、煙氣的顏色、背景的亮度以及觀察者對光線的敏感程度等因素；由于煙氣的減光性，實際能夠達到的能見距離將遠遠小于極限視程。實驗證明，對環(huán)境熟悉的人員在能見距離低于5m時便難以成功疏散。人能夠忍受的能見度極限值如下表1。

表1 人能忍受的能見度極限值[6]

3.2 火災煙氣的能見度在走廊的變化

如圖2所示，給出了不同時間點走道中間切面能見度截圖。

(1)300s時走道中間切面能見度截圖

(2)1000s時走道中間切面能見度截圖

如圖3所示，給出了火災發(fā)生時走道內(nèi)不同時間點煙氣能見度變化曲線。其中，上面(左邊)為走廊封閉的情況，中間為走廊兩端設有自然通風(通風口為走廊2.5m高度到走廊頂部)，下面(右邊)為走廊兩端設有自然通風(通風口為走廊1.8m高度到走廊頂部)的情況。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》GB51251-2017中第 4.3.3款規(guī)定:自然排煙窗(口)應設置在排煙區(qū)域的頂部或外墻，并應符合下列規(guī)定：1當設置在外墻上時，自然排煙窗(口)應在儲煙倉以內(nèi)，但走道、室內(nèi)空間凈高不大于3m的區(qū)域的自然排煙囪(口)可設置在室內(nèi)凈高度的1/2以上。所以本文選取通風口都是設置在走道凈高1.5m以上。

在截圖中，藍色(豎軸第四道)代表能見度為0.5-8.0m，綠色(豎軸第三道)代表能見度為8.0-21.5m，黃色(豎軸第二道)代表能見度為21.5-24.5m，紅色(豎軸第一道)代表能見度為24.5-30.5m以上。

(1)500s時走廊能見度變化曲線

(2)600s時走廊能見度變化曲線

(3)800s時走廊能見度變化曲線

4 結論

與其他建筑相比，宿舍類建筑由于走道狹長，導致在火災發(fā)生后，火災煙氣極易在走道聚集，火災危險及危害性更高。為了分析排煙口對宿舍走道煙氣運動規(guī)律的影響，本研究通過對某大學圖書館宿舍樓進行模擬，得出排煙口對走道能見度的變化情況：

第一，高度越高，能見度越低。在走廊13m和40m距離處，能見度略高于周圍，這是因為此處為樓梯間及出口其前室，煙氣到達這里后，一部分煙氣便通過出口蔓延出去。

第二，通過對三組曲線的分析可知，隨著燃燒的加劇，走廊內(nèi)能見度不斷下降，走廊為封閉狀態(tài)時煙氣能見度都低于走廊兩端設有自然通風口時的能見度。三種情況中，500s時，1.8m高度處煙氣的能見度都已經(jīng)低于人體的極限視距了，此時，必須迅速撤離火場。因此，建議學校在宿舍走廊內(nèi)增設逃生疏散指示標志等。

第三，走道兩端未設置自然排煙口時，在2.6m高度范圍內(nèi)，能見度變化不大，說明在此高度范圍內(nèi)煙氣濃度比較集中。因此，若設置機械排煙口，設置高度不應低于2.6m。

第四，走道兩端設置自然排煙口時，能夠有效地降低煙氣濃度，增加能見度。且沿走道越往遠處走，煙氣濃度越高，能見度越低。

第五，走道兩端自然排煙口設置位置靠上有利于排煙，但是對能見度的影響不是很大。

綜上，在一些新建和改建的宿舍樓中，應在走道兩端增設自然排煙口；若自然排煙口不能滿足要求還應增設機械排煙口，以增加火災時走道能見度，便于安全疏散。