（安全技术及工程专业论文）建筑物火灾烟气模拟及应急疏散对策研究.pdf

北京化工大学硕士学位论文 s i m u l a t o r 简称f d s ) ，模拟出了教学楼火灾事故中各个参数的变化，并在 相应火灾烟气环境实时变化的条件下，运用原胞自动机模型同步进行了火 灾烟气作用下的教室内部和楼梯间内人员疏散的仿真分析，所得结论对提 高人员疏散效率，改进建筑物空间结构和安全设置等都有一定的帮助。 关键词：事故模拟，f d s ，原胞自动机，疏散，紧急预案 t h es i m u l a t i o no fb u i l d i n gf i r ed i s a s t e ra n d e 珏l r g e n c ye v a c u a t i o n a b s t r a c t w i t ht h es o c i e t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e n tq u i c k l y , t h ed e n s i t yo f p e o p l ea n dp r o p e r t ya r ea l s oi n c r e a s i n gf a s t h o w e v e r , t h e r ea r el o t so f a c c i d e n tr i s k sh i d ei nap l a c ew h e r ea s s e m b l e dm a n yp e o p l e s ，i nc a s eo f e m e r g e n c yi n c i d e n t ss u c ha se a r t h q u a k e s ，f i r e s ，e t c p e o p l ew i l li n e v i t a b l y c r o w d e de a c ho t h e r , m u t u a li n f l u e n c ed u r i n gt h ee v a c u a t i o np r o c e s s t h i s o r d e r l e s se n e r g yi sd i f f i c u l tt og e te f f e c t i v ec o n t r o l ，c o m b i n e dw i t hi n c i d e n t s a r i s i n gf r o me x t e r n a li n f l u e n c e ，t h er e s u l to f s u c ha c c i d e n t sa r eo f t e na p p a l l i n g ， n o to n l yb r i n ga b o u te x t e n s i v ep r o p e r t yd a m a g e ，b u ta l s om a k em a n yi n j u r i e s a n dd e a t h s t h e r e f o r e ，d o m i n a t i n gt h ed i v e r s i f i c a t i o no ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so f s u d d e na c c i d e n tw i l lb et h ek e yt or e d u c i n gt h ea c c i d e n tl o s s ，a n di m p r o v et h e e v a c u a t i o ne f f i c i e n c y b e c a u s ef i r e s ，e a r t h q u a k e sa n do t h e ra c c i d e n tc o m e v e r yu n e x p e c t e d l y ，a tt h ep r e s e n ts t a g e ，t ou n d e r s t a n dt h ep a r a m e t e r so fs u c h a c c i d e n t si nt h em o s te f f e c t i v ea n dm a t u r ew a yi sc o m p u t e rs i m u l a t i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ed i s a s t e r sb a s e do nt h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a l i i i 北京化工大学硕士学位论文 m o d e l ，u s i n gn u m e r i c a lm e t h o d sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s i m u l a t et h e p r o c e s so fd i s a s t e rr i s ku n i to rs y s t e m ，a n dp r e d i c tt h er e h e a r s a lp r o c e s sa n d s c o p eo ft h ea c c i d e n tc o n s e q u e n c e s a n dt h e nw e c a nb em o r ev i s u a l l yg r a s p t h es c e n ec h a n g e si nv a r i o u sp a r a m e t e r s t a r g e t e dt ov a r i o u sp a r a m e t e r sf o r t h ec h a n g e ，i tc a nt a k ec o u n t e r m e a s u r e sa g a i n s ta c c i d e n t st op r o t e c tl i f ea n d p r o p e r t y , a n da l s oh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rr e s c u ea n de v a c u a t i o nw o r k c o m p u t e re v a c u a t i o ns i m u l a t i o n ( t h eo r i g i n a lc e l l u l a ra u t o m a t o n ) c o n s i d e rt h e i n d i v i d u a lc h a r a c t e r i s t i c si ne v a c u a t ep r o c e s s ，s ot h a tt h ec o n c l u s i o n so f s i m u l a t i o nh a v em o r er e a l i s t i ca n dp r a c t i c a lv a l u e t h i sp a p e rm a d eat e a c h i n gb u i l d i n ga sae x a m p l e ，s u p p o r t i n go ft h ef i r e d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r - f d s ) ，a n dg e tt h e p a r a m e t e r s d i v e r s i f i c a t i o ni nt h ef i r ea c c i d e n to ft h et e a c h i n gb u i l d i n g f u r t h e r m o r e ，w eu s e dt h eo r i g i n a lc e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e lf o re v a c u a t i n g s i m u l a t i o ni nt h ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e sf o rr e a l t i m es m o k ee n v i r o n m e n t ，o u r c o n c l u s i o na r ev e r yh e l p f u lf o ri m p r o v i n gt h ee v a c u a t i o ne f f i c i e n c y , t h e b u i l d i n g s c o n s t r u c t i o na n ds e c u r i t ys e t t i n g s k e yw o r d s ：a c c i d e n ts i m u l a t i o n ，f d s ，o r i g i n a lc e l l u l a ra u t o m a t o n ， e v a c u a t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：丛堕缉 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：兰氐堕盈 导师签名： 日期：兰型三竺：三蔓 日期：型：竺：三重 第一章绪论 第一章绪论 1 1 火灾事故及疏散模拟研究的背景与意义 目前，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。因为 火灾具有突发性强，危害性大，不易控制，难以扑救的特点，越来越被人们所关注。 国内外的火灾统计都表明，随着社会经济和城市的发展，伴随着人口密度增长和财产 的集聚，火灾次数和火灾损失都呈上升的趋势。 1 9 9 7 年1 2 月11 日，黑龙江哈尔滨市汇丰大酒店( 6 层，高2 2 7 米) 发生火灾， 由于该酒店违章采用大量可燃材料装修，水喷淋系统未开通，楼层防火门未关闭，致 使3 1 人死亡( 其中3 人摔死) 、2 4 人受伤( 其中消防人员7 人) ，过火面积4 0 0 多 平方米，火灾直接财产损失6 1 9 万元。 ， 2 0 0 0 年3 月2 7 日，吉林省松原市扶余县万发乡中学一栋4 0 0 平方米的砖瓦结构 的平房学生宿舍发生火灾。大火烧毁了1 2 间学生宿舍，共4 1 5 平方米。四名初中生 在火灾中丧生，11 名学生被烧成重伤。这是近十年来，吉林省伤亡最惨重的一起校园 火灾。 2 0 0 1 年5 月2 1 日晚，位于英国伦敦市中心的市立大学发生严重火灾，这座建于 1 8 9 4 年的建筑被大火烧毁。幸好当时参加考试的6 0 多名学生及时逃离，才未被埋在 坍塌下来的楼顶之下。据伦敦消防队发言人说，大楼中的一名保安发现了火苗，曾试 图将其扑灭。但不久火势便失去了控制。当时有6 0 至7 0 名学生在该楼的主厅参加考 试。火警一发出，这些学生及大楼内的工作人员马上全都撤离了出去，因此未造成人 员伤亡，但教学楼已毁于一旦。大火直至2 2 日凌晨才被扑灭，楼内设施全部烧毁， 大楼的部分楼项坍塌。 2 0 0 2 年1 2 月1 日晚，位于南京老虎桥附近的南大成教院宿舍楼发生大火，数百 名学生纷纷跳楼逃生，9 辆消防车赶到现场奋战半小时才将大火扑灭，宿舍内的学生 衣物等贵重物品均被付之一炬，损失惨重。着火的大楼共有5 层，每层有1 0 个房间， 住有3 0 0 多名学生。据住在该幢楼的部分女生介绍，她们住的房间墙壁是用木板做成 的，有的房间竞放着l o 个床铺。她们是先闻到电线被烧焦的味道后才看到火光的， 估计是宿舍内电线老化引起的。这些女生强调说，平时宿舍里禁止使用大功率的用电 器，一旦有人用就会跳闸。不少同学在对火灾痛心不已的同时，也对宿舍楼的管理提 出质疑。一名已经喊哑嗓子的女生说，幸好是星期六，很多同学回家去了，否则，仅 i 北京化工大学硕士学位论文 靠一个不足1 米宽的楼道来疏散3 0 0 多人恐怕就困难了，万一是同学都睡着后再起火， 后果将更加不堪设想。 2 0 世纪9 0 年代以来，特别是近年来，我国每年发生火灾2 0 万余起，比8 0 年代 年均值翻了两番；多死亡3 0 0 0 人以上，比8 0 年代年均值上升3 0 ；受伤4 5 0 0 人， 比8 0 年代年均值上升3 3 ；直接财产损失1 5 亿多元，是8 0 年代年均值的4 倍左右【。 火灾事故，特别是重特大火灾，严重破坏经济建设，影响社会稳定。并且与外国研究 不同的是，中国的火灾发生率则随着经济水平的提高而先有增加的趋势，火灾形势将 更加严重。因此，研究火灾发生的规律和防治对策减少火灾对经济社会发展和人民生 命财产的危害，对维护社会稳定具有重要意义。 火灾安全的根本出发点就是尽量减少火灾中所造成的人员伤亡和财产损失【2 】。当 一幢建筑中发生火灾时，火灾产生的热烟气和热量便会在整个建筑物内迅速扩散，严 重危及室内人员生命和财产的安全。因此，如何及时控制火灾，使人员能安全疏散， 避免或减少建筑物内的生命和财产损失，便成为建筑物火灾安全研究的一个重要内 容。运用计算机模拟火灾可以节省大量人力物力并掌握火灾发生规律，而疏散模型的 建立也为人员的安全疏散提供了重要的依据和理论支持，将二者相结合对建筑物进行 安全评价，可以在很大程度上提高建筑物的安全疏散系统的性能。 1 2 国内外相关领域的研究现状及基本模型 为减少火灾损失，人们需要了解火灾规律，事先预测火灾的发生和发展。然而， 火灾的发生和发展是个复杂的过程，且具有随机性。实尺寸火灾实验将消耗大量资金， 实验周期长，消耗人力物力多，有时无法进行。运用计算机模拟建立数学模型进行模 化计算，可以运用较少的资金在较短的时间内实现对火灾特性的研究。 计算机模拟是指利用计算机的计算、数据库、图形和图像等功能所进行的研究。 火灾过程的计算机模拟是多层次和多种类的，现在常用的确定性火灾模型主要有：以 实验测定的数据和经验为基础建立的经验模型( e x p e r i e n t i a lm o d e l ) t 3 1 。将质量、动量、 能量等基本定律结合温度、烟气的浓度以及人们关心的其它参数表达成微分方程组建 立的区域模型( z o n em o d e l ) 、场模型( f i e l dm o d e l ) 和网络模型( n e tw o r k s ) 等。区域模型 通常把房间分为两个控制体，即上部热烟气层与下部冷空气层。在火源所在的房间， 有时还增加一些控制体来描述烟气羽流和顶棚射流。实验表明，在火灾发展及烟气蔓 延的大部分时间内，室内的烟气分层现象相当明显，因此人们普遍认为区域模拟给出 的近似相当真实【4 】。典型模型有a s e t 与a s e t - b 模型、h a r v a r d v 和f i r s t 模型、 c f a s t 与h a z a r d 模型。场模型也称物理模拟，是以流体力学基本理论为基础的模 拟。此方法是把一个房间划分为几千甚至上万个小控制体，可以是一维、二维或者三 2 第一章绪论 维的，并通过对每个小控制体进行质量、能量等守恒方程的计算，来得到火灾过程中 各参数( 如速度、温度、组分浓度等) 的空间分布及其随时间的变化情况。通常所使用 的方法有有限差分法、有限元法、边界元法等。这种模型由于计算量很大因而对计算 机的发展十分依赖，当用三维不定常方式计算多室火灾时，需要占用很长的机时，但 随著计算机技术的发展这些缺点正在逐步被改善，场模拟在火灾安全技术中应用也越 来越广泛。典型模型有j a s m i n e 模型、f d s 模型。网络模型把系统中的每个特殊区 域( 例如房间) 作为一个节点处理。在每个节点上，烟气的温度、浓度、代表的组分 的含量等参数具有相同的值，这种模型的最大优点是它可以考虑包括多个房间但结果 显然比较粗糙【引。 计算机火灾模化和模拟技术的开发与利用，为人们了解火灾发生和发展的过程提 供了新的方法和手段，也为建筑防火设计和消防安全评估提供了新的科学工具。它使 人们可以通过在计算机上建立火灾模型，运用工程计算和计算机模拟的方法，对不同 空间和环境条件下火灾的发展和蔓延进行模拟和预测；并根据设定的火灾场景，测算 和确定各种建筑构件、材料与组件、消防设备以及空间内的火灾特性参数【6 】。这样一 方面减少了人们对昂贵的火灾试验的依赖，可以大大节省研究和测试费用；另一方面 通过设定多种火灾场景进行重复的模拟和演算，可以大大增加研究的灵活性和准确 性，从而便于找出规律性的东西。为火灾的预防与控制，以及火灾发生后的人员疏散、 消防管理、应急预案的制定等决策提供了重要的依据和信息。 ：。 在实际生活中，单纯的靠预防措施并不能防止灾害的发生。水火无情，一旦发生 火灾造成的损失是惨重的。发现火灾后，人员如何及时的脱离火灾危险区是减轻事故 损失的重要问题之一，因此研究火灾中安全疏散问题具有现实性指导意义。 在建筑物火灾中，人员安全疏散指的是在火灾烟气未达到危害人员生命的状态之 前，将建筑物内的所有人员安全地疏散到安全区域的行动。建筑物发生火灾后，其 中的人员能否安全疏散主要取决于两个特征时间，一是火灾发展到对人构成危险所需 的时间，或称可用安全疏散时间( a v a i l a b l es a f e t ye g r e s st i m e a s e t ) ；一个是人员疏 散到达安全区域所需要的时间，或称所需安全疏散时间( r e q u i r es a f e t ye g r e s st i m e r s e t ) t 7 1 。如果人员能在火灾达到危险状态之前全部疏散到安全区域，便可认为该建 筑物的防火安全设计对于火灾中的人员疏散是安全的，这是也是各种疏散仿真模型中 研究的关键。 疏散仿真模型一般可分为宏观模型和微观模型两大判8 】： 宏观模型的研究较为成熟，发展时间长代表作为排队网络仿真模型( 例如 w a y o u t 模型) ，在上世纪七八十年代成为了疏散仿真模型研究的重点。但是宏观模 型中也有一些不可避免的缺陷，首先，需要对平面布局进行抽象，在在这一抽象过程 中，丢失了大量的空间信息。同样大小，但形状、内部结构等不同的房间对疏散的过 程造成的影响是不同的，但是在网络图中它们都对应同样的一个节点。显然，在这种 3 北京化工大学硕士学位论文 情况下，仿真的结果会与实际状况产生一些偏差。其次，在一些宏观模型中，人群是 作为整体来考虑的，人群中的所有人都具有同样的移动特性。人员之间的相互作用， 人员的主观心理在模型中都得不到体现，因此人们开始寻求微观模型的研究。 微观模型可以对行人流的详细行为进行描述，近来它们引起了更多关注，逐渐成 为疏散模型所研究的重点，其中代表性的模型有社会力模型，元胞自动机模型和磁场 力模型等。在h e l b i n g 的社会力模型中【9 1 ，人的坐标为方便起见表示为位置矢量、时 间，及其他的一些量都是连续而非离散的。这种模型的核心是建立一组动力学的微分 方程或运动学方程，通过这些方程将各个量的变化联系在一起。只要给出了初始的条 件，模型就可以模拟出后续的运动状况。离散模型通常又被称为元胞自动机模型。在 这种模型中，通常的做法是把建筑物的平面空间划分为微小的正方形单元格。在任意 时刻，一个单元格要么被占据障碍物或一个个体要么为空。因此，个体的空间位置可 以由个体所处的单元格的编号所唯一标示。在仿真的运行过程中，时间被划分为等长 的时间段，在每一时间段，所有个体依照所处的环境和自己的行为规则选择是留在原 格还是移动到相邻的下个单元格中的一格。此类模型中，一般的做法是用概率的方法 给出个体移动到邻格或留在本格的概率，再通过蒙特卡罗法确定个体的行为。 人员疏散仿真模型作为对人群疏散研究的一个重要的组成部分，其发展与疏散研 究的发展密不可分。只有将其纳入疏散研究这一学科中阐述，才能理解其发展的历程 和最新的进展。目前国际上火灾中人员安全疏散的研究主要集中在下面一些方面： l 、疏散模型的开发和模型预测能力的改进。未来的模型将包含更多的行为细节， 注重人行为的因素，并考虑残疾人的疏散行为和对整体疏散时间的影响。目前仍不断 有疏散模型开发的报道，一些自称重点考虑人的相互作用因素并能预测人的个体疏散 行为和追踪个体疏散轨迹的模型被开发出来，如中国香港的s g e m 模型【l o 】。此外， 一些前期开发的模型如e x i t 8 9 、e x d u s 、c r i s p 等在其使用范围和功能上作了一定 拓展【1 1 1 。 2 火灾中居民反应及毒性和烟的影响。对居民反应研究集中在烟气中出口标志和 疏散门标识的可见度测试，疏散试验得出的居民行为和反应时间，居民人数、探测时 间和行动前时间分析，对火反应的性别差异，睡眠中火灾信号的认识，应用在疏散模 拟中的开始疏散前延迟时间和行走速度的数据库建立等些方面。毒性和烟的影响有 暴露在一氧化碳后的长期后遗症的影响，在紧张的火灾试验中心理和精神指标的相关 性，头顶照明和指路设施的使用对行走速度的影响，火灾烟气对生存和健康的致命影 响，对可见度损失为有限危险的烟气环境的评价，预测火灾条件下疏散者寻路方式的 概率测量方式，由于路标指示设置而导致的出口复杂性和变化采用随机走路模型的评 价等等【1 2 1 。通过上述项目的研究，火灾安全工程师得到了需要的信息和数据，如所需 的疏散时间及其组成( 探测、反应、行为延误、移动) 、居民特点、路线寻找、标识、 安全区域、信息类和非信息类警报系统、出口路径特征、决策等。 4 第一章绪论 3 疏散模型在防火设计、性能化设计规范和工程评估中的应用。人员疏散研究的 目的是改善防火设计，减少人员伤亡。国外在减少火灾事故影响的非工程方案方面已 经有了许多成功的经验，如基于人员疏散模型教育和训练计划的开发，公共建筑内如 娱乐场所复杂居民的紧急疏散和管理，火灾中人的行为与防火保护工程的结合，以人 的行为和危险为基础的消防法规，通过积极的防火管理来提高性能等等。人员疏散的 研究成果将逐步应用到防火设计和性能化规范当中，如在澳大利亚性能化规范b c a 9 6 中疏散模型的应用，以及中国香港利用疏散模型s g e m 所做的工程评估等等【1 3 】。 1 3 关键因素分析 与一般的科学研究对象不同，火焰与人员都具有随机性强，易受外界影响等特点。 人群，特别是疏散中的人群，其行为既受外界许多因素的影响，又受到人们的心理状 况的影响。对于如此复杂的现象，很难发现其运动的一般规律；而且，人群疏散研究， 往往涉及大量的，具有不同特性的人。对于这种研究，很难多次的组织真实的人群进 行多次的试验以获取试验数据，在使用计算机模拟时，虽然能够快速地进行大量数据 的处理，但是如何科学合理地体现个人在火灾过程中的行为特征进而把握整体人群的 运动规律，是检验模型优劣的关键。因此，关系到本课题的关键因素有如下几点： 1 、对火场内危害因素的动态掌握； 2 、人员在特定的危害环境下的心理状态及行为规律； 3 、大量个体聚集疏散时的群体效应对疏散的影响等。 1 4 研究内容及方法的确定 由于场模拟可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象的特 点，能更好的表现建筑物火灾中各个阶段不同位置参数的详细变化，并有利于精确的 获得可用疏散时间，因此本文将使用以场模拟中流体运动为主要模拟对象的计算流体 动力学软件进行研究。同时为了更好的观察研究个体在火灾疏散中行为和受到的影 响，体现拥挤、堵塞、快即是慢等特殊现象对疏散时间的影响，本文以离散模型中的 原胞自动机为基础并加以合理的改进建立模型，研究疏散规律。 为研究开展以上几项工作，本论文主要结构如下所述： 第一，总体论述了火灾模拟与疏散仿真的历史及国内、外研究现状，指出了本文 研究的必要性和意义；描述了几种基本模型的基本思想、优缺点、不同适用性。 第二，阐述了计算机软件f d s 火灾模拟的基本原理和方式，并应用其对特定场景 北京化工大学硕士学位论文 中的火灾情况进行模拟，掌握突发事故中各个重要参数的变化规律，根据相关数据， 得出了突发事件中人群疏散的可用时间。 第三，选取合适的人员疏散模型一原胞自动机作为本文模拟的基础，考虑现实场 景中的实际情况加以改进，对单一楼层进行简单的疏散模拟。 第四，找出人员疏散过程中的关键位置楼梯间，并采用合理的假设，结合第三 章中所得结论，继续深化对楼梯间中人员疏散的模拟。 第五，对模拟的结果进行分析，指出建筑结构，安全设置，人员技能上存在的薄 弱环节，提出相应的针对性人员疏散应急预案。 第六，归纳本课题所完成的主要工作及积极意义，本课题存在的不足。 6 第二章对建筑物火灾烟气的模拟及分析 第二章对建筑物火灾烟气的模拟及分析 2 1 火灾在建筑物内的发展及演变 2 1 1 室内火灾发展特点 根据室内火灾温度随时间的变化特点，可分为起火、初期增长阶段、充分发展阶 段、减弱熄灭阶段。 1 、初期增长阶段 室内发生火灾后，最初只是起火部位及其周围可燃物着火燃烧。初期增长阶段的 特点是：火灾燃烧范围不大，火灾仅限于初始起火点附近；室内温度差别大，在燃烧 区域及其附近存在高温，室内平均温度低；火灾发展速度较慢，在发展过程中火势不 稳定。该阶段的火灾持续时间受点火源、可燃物质性质和分布、通风条件等因素的影 响很大，火灾发展一般会出现以下情况： ( 1 ) 初始可燃物全部烧完而未能延及其他可燃物，致使火灾自行熄灭。这种情 况通常发生在初始可燃物不多且距离其他可燃物较远的条件下。 ( 2 ) 火灾增大到一定规模，但是由予通风不足使燃烧强度受到限制，于是火灾 以较小的规模持续燃烧。若通风条件相当差，则在燃烧一段时间后火灾也会自行熄灭。 ( 3 ) 如果可燃物充足且通风良好，火势将迅速扩展，乃至将其周围的可燃物引 燃，起火房间内的温度也随之迅速上升。 根据初期增长阶段的特点可见，该阶段是灭火的最有利时机，应设法争取尽早发 现火灾，把火灾及时控制消灭在起火点。为此，在建筑物内安装和配备适当数量的灭 火设备，设置及时发现火灾和报警的装置是很有必要的。初期增长阶段也是人员疏散 的有利时机，发生火灾时，人员若在这一阶段不能疏散出房间，就很危险了。 2 、充分发展阶段 在火灾初期增长阶段后期，火灾范围迅速扩大，当起火房间温度达到一定值时， 聚积在房间内的可燃气体突然起火，整个房间都充满了火焰，房间内所有可燃物表面 部分都卷入火灾之中，燃烧很猛烈，温度升高很快。房间内局部燃烧向全室性燃烧过 渡的这种现象通常称为轰燃。轰燃是室内火灾最显著的特征之一，它标志着火灾全面 发展阶段的开始，对于安全疏散而言，人们若在轰燃之前还没有从室内逃出，则很难 幸存。 7 北京化工大学硕士学位论文 轰燃发生后，房间内所有可燃物都在猛烈燃烧，放热速度很大，因而房间内温度 升高很快。火焰、高温烟气从房间的开口大量喷出，把火灾蔓延到建筑物的其他部分。 室内高温还对建筑构件产生热作用，使建筑构件的承载能力下降，甚至造成建筑物局 部或整体倒塌破坏。 耐火建筑的房间通常在起火后，由于其四周墙壁和顶棚、地面坚固，不会烧穿， 因此发生火灾时房间通风开口的大小没有什么变化，当火灾发展到全面燃烧阶段，室 内燃烧大多由通风控制着，室内火灾保持着稳定的燃烧状态。火灾全面发展阶段的持 续时间取决于室内可燃物的性质和数量、通风条件等。 3 、减弱熄灭阶段 在火灾全面发展阶段后期，随着室内可燃物的挥发物质不断减少，以及可燃物数 量减少，火灾燃烧速度递减，温度逐渐下降。当室内平均温度降到温度最高值的8 0 时，则认为火灾进入熄灭阶段。随后，房间温度下降明显，直到把房间内的全部可燃 物烧光，室内外温度趋于一致，火灾结束。 2 1 2 室内火灾的主要危害 大量的火灾事故统计结果可知，在火灾事故中，8 0 的人是死于火灾中烟气的影 响，一般来说室内火灾危险状态确定条件可分为： 1 、当烟气层界面高于人眼特征高度时，若上部烟气层的热辐射强度能够对人构 成伤害，就可以认为达到危险状态。有资料表吲1 4 1 ，烟气温度超过1 8 0 时便可构成 这种危险。如果烟气层界面低于人眼特征高度，对人的危害是直接烧伤或吸入热气体， 这种危险状态的烟气温度值约为7 5 1 1 5 。 2 、当烟气层界面长期保持低于人眼特征高度时，人员视线受阻，个体长时间处 于此状态时也可判定为达到危险状态，由相关实验结论f l5 】可取烟气层高度持续低于 1 5 米5 0 秒后为临界时间。 3 、当烟气层界面低于人眼鼻特征高度时，还可以根据某种有害燃烧产物的临界 浓度判定是否达到了危险状态。人眼的特征高度通常为1 2 1 8 米，现取为1 5 米。 2 1 3 疏散时间的确定 伴随着火灾发展过程，人员疏散一般也相对应的要经历获悉火灾信息阶段、移动 准备阶段、疏散阶段。而火灾本身具有突发性、多变性、瞬时性、高温性、烟毒性等 特点，使身在其中的人员处于非正常状态，从而最直接的表现为人员疏散行为上的特 殊性，人的行为反应与火灾发展过程的关系如图2 1 所示： 第二章对建筑物火灾烟气的模拟及分析 火 火 所 安 起火警报达到危险状况熄灭 0 一， 7 j7 v7 u 灾发展过程 起火 火灾发展猛烈期至衰： 查证、确认、判断 灾中人的行为获悉火灾信息评价、决簧反应逃生 需逃生时间献难t 报警时间发出警报到对人构成威胁的时间 全速生时间a s e t 图2 1 人的行为反应与火灾发展过程 f i g 2 - 1p e o p l e sb e h a v i o r sa n dd e v e l o p m e n to ff i r e 因此，掌握火灾发展过程烟气分布、烟气层高度、火焰威胁区域以及有毒有害气 体的分布等各个参数的变化，确定火灾充分发展到临界危险点的时间，是获得准确的 可用安全疏散时间的基础。 2 2 模拟软件的简介及选用 2 2 1f d s 软件简介及特点 f d s ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) 是美国国家技术标准局( n i s t ：n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 建筑火灾实验室( b u i l d i n ga n df i r er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 开发 的基于场模拟的以场模拟中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件，在火灾 安全工程领域中应用十分广泛【1 6 】，它不但可以完成对火灾现场的创建和数学计算，而 且可以通过s m o k e v i e w 软件将f d s 的计算结果可视化，生动直观的展示出火场内参数 变化。 2 2 2f d s 工作原理 f d s 软件的工作原理是采用数值方法来求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的 n a v i e r - - s t o k e s 方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。其基本假设是：在考虑 9 北京化工大学硕士学位论文 燃烧过程中温度和密度的变化时，不考虑它所引起的声波的脉动【1 7 】。软件中提供的数 值模拟方法分为两种：直接数值模拟( d n s ) 和大涡模拟( l e s ) 。直接数值模拟是通过直 接求解湍流的控制方程，是一种最为理想的方法，它不需要任何物理模型的假设，直 接对流场、温度场及浓度场的所有时间尺度和空间尺度进行精确描述【l 引。此种方法能 得到比较精确的结果，但计算量无比巨大，在目前的计算条件下，只能用于对层流及 较低雷诺数湍流流动的求解，实际应用价值很低。大涡模拟将包括脉动在内的湍流瞬 时运动通过某种滤波方法分解成大尺度的含能大涡和小尺度的耗散小涡两部分【1 9 】，含 能大涡量通过数值求解微分方程直接计算出来，随机性较强的耗散小涡对大涡的影响 通过建立亚格子模型来模拟，这样既能保证一定的准确性，又能大大简化了计算工作 量和对计算机内存的需求。在f d s 中默认的运作模式为l e s 。 2 3 使用f d s 对建筑物火灾烟气的模拟 本文选取整栋教学楼作为火灾模拟对象，模拟范围为9 2 m x l 2 m x 2 4 m 的整层空间， 现以0 4 m x 0 4 m x 0 4 m 为单元结构，可将整个教学楼的网格划分为2 8 8 0 0 0 个。每层都有 4 8 0 0 0 个网格。 本文使用f d s 软件对起火后3 0 0 秒内进行模拟，将起火位置设置在教室靠窗一侧， 火源起因为烟头、电线短路或其他原因致使窗帘及其他易燃物品起火，进而引燃课桌 发生火灾，起火前环境总温度设定为2 0 0 c ，教室窗户全部处于关闭状态。火源选为距 离楼梯最远，周围无消防设备的3 0 7 教室内邻窗的l m x l m 红色方块区域。一般室内火 灾的火源热释放速率都和其燃烧时间有一定的关系，但是本文所关心的时间是从火势 难以控制，开始进行疏散时开始的，所以在本次模拟中，暂不考虑火灾初期的准备过 程，从人员发现火势已起并难以控制，准备撤离的情况开始模拟，此时的火势己处于 初期增长末期或充分增长初期，即将进入其燃烧峰值阶段，并会长期处于燃烧峰值燃 烧，所以可简化火源类型，将火源定义为极快型，其热释放率恒定为1 0 0 0 k w m 2 。具 体起火房间楼层结构如图2 2 所示： 1 0 第二章对建筑物火灾烟气的模拟厦分析 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i 。 口 i 口 m r r t 删 图2 - 2 教学楼平面结构( 对称结构之一半) f 堙2 - 2 p l a n a r8 仉l g t l l r e o f t e a c h i n g b u i l d i n g 4 模拟结果的分析说明 4 1 对起火房间前后门楼梯问处及走廊的温度分析 通过观察火灾模拟全过程( 图2 - 3 至图2 - 5 ) ，可知，在起火初期2 0 s 左右时，由于 源刚剐形成，火势处于扩大阶段，烟气刚刚形成首先随着热气流向上方流动，到达 ! 棚后，烟气成为水平方向的顶棚射流并逐步传播至整个顶棚面，此阶段对烟气对下 吸室外人员影响不大，并且浓度较小，是疏散逃生的最好时机。当火灾持续至l j 6 0 s n 右时，随着火势的加大，起火房间内的烟气在垂直方向上呈明显的分层流动，并且 i 气层高度不断下降，浓度趋于稳定。当火灾进行至l o o s 左右时，起火房间内己明显 ! 烟气占据，并且走廊和其他房间内的烟气层也不断下降。 l l 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 3 f d s 模拟教室火灾过程( 1 ) f i g 2 3 t h e f d ss i m u l a t i o n f o r c i 狐s r o o m n r 可1 ) 圈2 4f d s 模拟教室火灾过程( 2 ) f l g _ 2 - 4 t h e f d ss i m u l a t i o n f o rc l a s s r o o m 州2 ) 第二章对建筑钫火灾烟气舳模拟厦分析 圈2 - 5f d s 模拟教室火灾过程( 3 ) f i g 2 - 5 t h e f d ss i m u l a t i o n f o rc l a s s r o o m 血d 3 、 图2 - 6 到图2 - 8 为走廊中心线切面温度变化图，由切面变化图中可以看出：在初 始几十秒内，由于高温烟气仅在单室内传播扩散，只有少量烟气快速扩散出了教室， 因此走廊中的温度并无明显变化。 tr d j 】。； 图2 - 6 走廊中心线切面温度变化( 1 ) f i g 2 4 5 t h e c h a n g e o f c o r r i d o r c e n t e r l l n e8 e 吐i 佣t e m p e r a t - a r e ( t ) 暴u m 陌m n虾匹嚣锄 北京化工大学硕士学位论文 在房间内烟气层下降至房门高度后，烟气从火源房间经拱腹溢出在走廊中形成受 限空间的顶棚射流，在起火房间的出口上方处引起局部高温，随着外溢烟气逐渐增加， 高温烟气快速扩散，整个走廊项层温度逐渐升高，截面中温度分层明显，并且随着时 间的推移，低温层高度逐渐降低，至1 0 0 s 时顶层部分区域已有温度超多1 8 0 0 c ，并 且高温烟气层( 大于1 1 0 。c ) 尤其是在通风较弱的侧楼梯出口一边，已降至2 m 左右。 图2 - 7 走廊中心线切面温度变化( 2 ) f 培2 7 t h ec h m g e o f c o , x i d o rc v n t e r l i n e8 e g , t i o n t e m p e r a t u r e ( 2 ) 耀唧_冒腐恻棚jjj州j 第二章对建筑物火灾馏气的模拟厦分析 图2 - 8 走廊中心线切面温度变化图( 3 ) f i g 2 - 8 t h ec h a n g e o f c o r d d o r c e n t e r l i n eg e c d o n t e m p e t a l x t t e f 3 1 2 , 4 2 对起火房间前后门殛楼梯间处的烟气高度以及f e d 值分析 在教室前后门出口1 5 m 高处以及走廊两端楼梯间处测得的温度，烟气层高度以 及f e d 值如图2 - 9 至2 - 1 l 所示。 由图2 - 9 可知，由于起火位置位于教室中部，与前后门距离相当，因此前后出口 处温度走势相似。在起火后温度迅速上升，1 9 s 时前面出口温度已达8 0 。c ，5 0 s 左右 温度已接近1 8 0 。c ，后门由于走廊中厅大楼梯间较近，在火灾中前期与外部冷空气对 流相对较明显，温度上升速度较慢，其温度升值至8 0 。c 、1 8 0 。c 的时间分别为3 2 s 和 7 6 s 。而楼梯间处温度因和外部空气对流较大且存在“烟囱效应”，所以此部位温度受火 灾影响不大，中部楼梯单元温度在1 5 0 s 后稳定在8 0 。c 左右，虽然理论上已达到对人 体造成伤害的温度，若长期处于此状态中，必会威胁个体的生命安全。 北京化工大学硕士学位论文 o o 3 5 0 3 0 0 2 s o g；t o o 田 s o o o 4 3 e 也2 o o o5 01 0 0 5 02 0 02 5 03 0 0 a ( s ) 图2 - 9 教室前后门及走廊出口处1 5 米高处温度变化曲线 f i g 2 - 9t h et e m p e r a t u r e c u r v ei nd o o r sa n dc o r r i d o r sa t1 5 m o5 01 0 0 5 02 0 02 5 03 0 0 a ( s ) 图2 1 0 教室前后门及走廊两侧烟气高度变化曲线 f i g 2 1 0t h eg a sh e i g h tc u r v ei nd o o r sa n dc o r r i d o r s 各个出口的烟气层高度可由图2 1 0 得到，可以看出，烟气层的扩散和下降在火灾 第二章对建筑物火灾烟气的模拟及分析 初期就十分明显，仅仅2 0 s 左右教室前后出口处的烟气层就降至1 5 m 以下，并在5 0 s 以后稳定在l m 左右。由于烟气需先在教室内扩张并通过拱腹进入走廊，走廊两端受 到烟气的影响大约在3 0 s 以后，由于走廊狭窄的空间结构，烟气层积聚下降迅速，走 廊与楼梯间连接处受门拱和楼梯间大厅通风的影响，约9 0 s 后长期稳定在1 5 m 左右， 此时烟气层温度已将近8 0 0 c ，会对人体造成危害。 人体伤害模型为n i s t 提出n 气体模型，用该模型预测建筑火灾中烟气毒性的大 小。其假设条件是火灾中大多数的燃烧毒性主要由为数不多的n 种气体产生，这个假 设已被很多实验所证吲2 0 1 。这几种气体是c o ( 一氧化碳) 、c 0 2 ( 二氧化碳) 、h c n ( 氢氰 酸) 、h c l ( 氯化氢) 及缺氧状态下的燃烧产物，一般用有效剂量分数( f e d ) 来描述n 气 体模型中气体整体作用的毒性大小。f e d 把燃烧毒性和暴露剂量关联起来，接近和大 于1 的f e d 值，可认为是达到致死的临界值【2 1 1 。此处暂未考虑h c n 的毒性效应和 c 0 2 的麻醉效应，只综合考虑c 0 2 的窒息效应、缺氧的窒息效应、c o 的毒性效应。 田 o s o1 0 01 5 02 0 02 s o a ( s ) 图2 n 教室前后门及走廊出口处1 5 米高处f e d 变化曲线 f i g 2 - 1 0t h ef e dc u r v ei nd o o r sa n dc o r r i d o r sa t1 5 m 门 门 廊 图2 1 1 给出的是火灾现场内各个出口1 5 米高度处的f e d 值，房间前后门处f e d 值呈指数函数增长，在1 0 0 s 后增长加快，但即使3 0 0 s 后由于通风和空间关系，f e d 值仅o 0 4 对人体威胁不大，在走廊尽头的楼梯间处，f e d 值趋于0 ，但是由于f e d 值的积累随时间增加很快，个体在火场内停留时间越长，所受威胁就越大。 1 7 北京化工大学硕士学位论文 同样，我们可以测得其他各个楼层与楼梯间连接出口处的温度、烟气高度及f e d 值曲线图，并