广州白云机场区域火灾烟气流动数值模拟

邓伟雄,黄艳山,廖坚卫,陈小辉,周孝清

(1.广东省建筑设计研究院,广州,510010);2.广州大学建筑节能研究院,广东省建筑节能与应用技术重点实验室,广州510006)

在建筑物受限空间的火灾中,烟气运动与火蔓延存在着复杂的相互作用。火的蔓延会产生大量的烟气,烟气是建筑火灾中对人的生命安全构成巨大威胁的一个重要因素,烟气的毒害性和减光性是造成火灾中人员伤亡的主要原因[1]。统计结果表明,在火灾中85%以上的死亡者是死于烟气的影响,而其中大部分是吸入了烟尘及有毒气体 (主要是一氧化碳)昏迷后致死的[2]。因此有必要对火灾烟气的气流组织分布规律进行充分的研究,分析其对火场人员安全疏散产生的具体影响。

1 模拟计算区域

西指廊三层区域为一个防火分区,主要用于旅客候机大厅,设计滞留人数为0.5人/m2。各登机桥可作为疏散口。指楼三层有可能起火的地方主要是旅客通道一侧的商店,其中的可燃物主要是商品。本文主要模拟在自然排烟条件下,西二指楼(见图1)三层大空间烟气流动特性及规律,确定自然排烟口面积对大空间烟气层下降的影响规律,校核自然排烟口设计的合理性。同时对指楼的疏散时间进行分析,计算烟气运动情况结果能否满足指楼的疏散要求。

图1 西二指廊三层平面图

2 人员疏散分析

火灾风险评估中的主要项目之一是评估建筑物内的人员在发生火灾情况下的人身安全。

通常情况下,在出现火灾等紧急情况时,建筑物中的人员都希望尽可能早地离开着火区,疏散到安全区。而实际上,由于火灾环境和建筑结构的复杂性,在开始阶段,人员往往不能迅速地察觉火灾并做出反应,只有等到火灾报警系统动作或者火焰和烟气由起火区向非起火区蔓延,火势扩大时人员才能发现火灾并开始疏散,但是由于火灾烟气的迅速蔓延将严重妨碍建筑物内人员的逃生行动,火场中的人员往往不能理智地选择最佳疏散路径加以疏散,从而使人员生命和财产遭受重大损失。下面根据指楼的总体建筑特点和客流量数据,计算在最不利情况下,不同人员疏散方式所需要的时间,为候机楼内人员疏散方式的选择提供科学依据。

2.1 疏散方式

西指楼的疏散口较多,包括从连接楼到指楼的入口和各个登机口。但是登机口的情况较为复杂,为安全起见,分以下两种情况进行疏散计算:情况①只从登机通道尽头的疏散楼梯疏散;情况②只从连接楼到指廊的入口疏散,入口宽度10m。

2.2 疏散行动时间预测分析

候机楼内各区域疏散行动时间计算将主要由最大步行时间和出口排队时间两方面组成,若疏散时出口排队时间大于最大步行时间,则疏散行动时间将主要由出口排队时间决定,即航站楼内的大量人群疏散将主要受到排队效应的影响。若将平均步行速度确定为1 m/s,情况①中候机楼内的最大疏散距离取80m,则最大步行时间应该为80s,情况②中候机楼内的最大疏散距离取265m,则最大步行时间应该为265s,两种情况中出口宽度人员流量参系数设定为1.5(人/m·s)的宽度[3],计算结果见表1。

表1 疏散行动时间计算结果

情况①只从登机通道尽头的疏散楼梯疏散,考虑登机口到地面的台阶的影响,这可由下面公式计算人员下台阶所用时间[4]:

式中:s为楼梯的长度,取30m;R为楼梯阶高,取0.2m;B为楼梯阶宽,取1.2m;v为人员下楼梯速度,取0.915m/s。

通过上式计算得到人员下楼梯的时间为 T2=60s。时间T3是指从人员得到火灾信号到开始疏散行动时间,本文中设定为30s。因此,情况①层疏散时间则为30+60+307=397s,情况②则为276+30=306s。

3 烟气对人员疏散影响的数值模型

3.1 计算模型

场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及其随时间变化的模拟方式,场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应的定律等。火灾过程中状态参数的变化也遵循着这些客观规律,上述方程也就构成烟流三维模型方程组,再引入雷诺时均化、紊流粘性等参数构成封闭可解析的方程组。本文利用计算流体软件PHEONICS对其进行非稳态模拟计算,模型外观如图2所示。

图2 计算模型外观图

3.2 参数设置

(1)初始条件:

火灾发生前,室内温度 t内=26℃,室外温度t外=33.5℃,且无烟气产生。

(2)火灾火源设定条件:

三层有可能起火的地方主要是旅客通道一侧的商店,其中的可燃物主要是商品,根据美国NIST的实验数据和BSI标准中列出的最大热释放速率可用于火灾安全设计 (表2),取火灾点的燃烧强度500kW/m2。在模拟计算时,采用一种较为不利情况进行模拟,即起火的商店在指廊的端头附近,这样有一侧的烟气扩散会受到限制。

表2 火灾发展速率和最大热释放速率

(3)人体控制参数:

在大尺度空间内随着烟气不断上升或者蔓延到远离火源的地方时,烟气温度大大降低,容易发生局部沉降,造成烟气层表面并非十分平整,此时,在确定烟气层危险高度时,应该考虑顶棚高度和空间面积的影响而作相应调整,本文建议采用下面的计算公式,该公式只考虑了顶棚高度的影响[5]。

式中:Hd为危险高度 (m);Hp为人体的平均身高 (m),本文取1.6m;Hc为棚的高度 (m),本文为14m。

通过计算可以得到疏散危险高度为3 m。

(4)排烟条件:

指楼屋顶中部是天窗结构,在消防上作为自然排烟。天窗长度为200m,高度从中间到两侧由1.8～0.5m不等,排烟口的面积取地面面积的1%为82m2,排烟口高度从8～15m不等,火灾发生时假定排烟口与疏散口同时开放。

(5)烟气层界面的判定:

根据中国科技大学火灾科学国家重点实验室的实验研究表明,取烟气的折光率30%左右为烟气层的边界是合理的,本文取中心烟气浓度的5%这一保守值作为烟气层的边界。

4 烟气模拟结果分析

(1)三层商店着火失控后,西二指楼三层旅客通道和候机厅人员疏散到室外为止的397s后的烟气高度为 8.1m,烟气温度95℃,离危险高度(3.0m)还有很大的高度 (见图3)。到1000秒时烟气层的高度还在3m以上,这样有利于消防扑救的开展。

图3 西二指楼烟气模拟结果

(2)候机大厅属于大空间建筑,室内有较充足的冷空气补充,同时自然排烟天窗在60s时就已经向外排烟 (见图4),使得烟气上升较快。但烟气在建筑内上部空间受限,所以建筑上部空间的温度升高很快,但3m以下的空间温度升高不是很大,到了1000s时80℃的等温曲面最低点才到离地3m的位置 (见图5)。如果考虑机场的消防自救能力,在火源蔓延受到有效遏制 (墙和防火帘等)情况下,因高温气烟侵袭而引燃临近商店的可能性较小。

图4 候机厅60s时烟气层情况

图5 1000s时80℃烟气等温面位置

烟气层在商店火灾失去控制后有较大的水平扩散空间。模拟火源点是在指楼的一端,该侧烟气水平扩散受到限制,烟气下降比较快,在1000s后这一侧的登机通道才开始有烟气涌入(见图6)。候机厅由于空间大,有一定的蓄烟能力,且排烟窗在60s时就开始向外排烟,这样自然排烟天窗在人员疏散前有效的控制了烟气层的高度和温度,所以自然排烟的方式和排烟口的位置和大小都能很好的满足消防要求。

图6 1000s时烟气层情况

(3)图7是火源点最近排烟口数据图,从中可以看出电动百叶自然排烟口在火灾过程中的工作状态。随着火灾时间和强度的增加排烟风速和浓度也快速增加,到了1000s(17分钟左右)风速可以达到6m/s之多,浓度达到50%左右。所以排烟口的排烟效果十分明显。由于三层的外围护结构主要是幕墙结构,内部有金属面板。玻璃材料在温度超过100℃后,很容易会引起破碎而从高空坠落,伤到地面上的人员。图7排烟口数据中可以看出到达600s(10分钟)时,排烟口的烟气温度已经超过了100℃,玻璃很可能会发生破碎。

图7 火源点最近排烟口数据曲线

5 结论

本文首先对新白云机场西二指楼人员疏散进行了预测分析,然后利用PHOENICS软件对候机厅内的烟气流动进行模拟研究,并分析了电动百叶自然排烟口对人员安全疏散的影响,得到以下结论:

(1)制定详细而妥善的疏散计划,保证人员疏散安全。

只从登机通道尽头的疏散楼梯疏散和只从连接楼到指楼的入口疏散这两种方式应该结合起来,当火灾发生时由专人进行有组织的疏散,避免疏散造成拥挤,堵塞疏散通道。特别是前一种疏散方式中由于登机通道狭窄,应该加强疏散的管理,以免造成人员踩踏。在火灾发生时,最好能及时将登机口与地面之间的台阶换成斜坡,这样能够减小疏散时间。

(2)通过数值模拟分析,可以发现候机厅的大空间具有很大程度的蓄烟能力,使得烟气不会在短时间内下降到危险高度,对人员危害较小。大空间顶部合理的安装电动百叶自然排烟口,可以在疏散时间内保持足够的烟气高度,不需要另行安装大功率机械排烟设备。减少防火投资,增加商业建筑的经济效益。

(3)鉴于玻璃在高温条件下易发生破碎的特点,大空间的玻璃幕墙和屋顶应特殊处理,提高玻璃发生破碎的温度值,这样在很大程度上增加可用的疏散时间。

(4)通过实验室测量火灾发展数据的难度较大,而计算机模拟是试验方法的一种补充。

[1]王启杰.对流传热传质分析[M].西安:西安交通大学出版社,1991

[2]Fraser-Mitchell J N.An object orientated simulation(CRISPII)for fire risk assessment.Fire Safety Science,4th International Symposium,Ottawa 1994

[3]李引擎.建筑防火性能化设计[M].北京:化学工业出版社,2005,8

[4]杨淑江.性能化防火设计中人员安全疏散的论证[J].安全与环境工程,2005,12(1):61-63

[5]杜兰萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大学,2007