楼体火灾逃生最优路径数值试验研究

李 铁 王 宁* 朱 琳

(1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083； 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

楼体火灾逃生最优路径数值试验研究

李 铁1，2王 宁1，2*朱 琳1，2

(1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083； 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

为探索人员密集的大型公建火灾科学逃生机理，选择“L”形写字楼标准楼层为例，采用CFD计算软件FLUENT，设定了四种逃生出口开启条件，开展数值仿真试验研究，通过分析发现：不同逃生出口条件会导致逃生路径适宜程度有较大差异；高温和烟气聚集区位置出现在风阻最小的走廊一侧，沿壁逃生可能加重伤害；最短的逃生路径不一定是最优的逃生路径；FLUENT软件能较好地模拟相对密闭空间的火灾温度场和烟气场。

火灾，温度场，烟气场，逃生路径，FLUENT

0 引言

公共建筑是人员高度密集场所，科学合理地逃生疏散对于减少乃至避免人员伤亡至关重要[1]。

火灾过程十分复杂，本文采用基于场模型的流体力学与传热分析软件FLUENT[2，3]，以一幢“L”形写字楼为例，仿真模拟标准楼层内的温度场，并运用流线形式直观表现烟气在楼宇内的扩散[4-6]。比较开启不同逃生出口状态下的温度和烟气场变化规律，以期为人员密集公共建筑的火灾逃生疏散提供最优路径参考。

1 温度场数值试验的理论基础与模型

1.1 场模拟

经验模拟、半物理模拟以及物理模拟是火灾的计算机模拟的3个层次，而各种不同的火灾过程都是基于场模拟形成的理论基础。场模拟将需要分析的空间划分成多个计算单元网格，建立方程组并进行计算[7]。

三维空间控制火灾的微分方程为[8，9]：

(1)

其中,ρ为流体密度；Φ为任一变量；ui为脉动速度；ΓΦ为变量Φ的扩散系数；SΦ为变量的源项；t为单位时间。

1.2 简化数值试验模型

在本次的数值试验中为了使较为复杂的火灾温度场问题在现有理论以及技术条件下得到基本合理的解决，我们进行了如下简化假设：

1)忽略了由流体黏性力做功所引起的耗散热；并且认为室内气体是低速流动，视室内气体为不可压缩流体。

2)由于火灾所产生的烟流视为多组分理想气体，并且有关风流及烟流遵循理想气体状态方程。

1.3 模型建立

用ANSYS内嵌的CFD计算软件FLUENT，模拟楼体内标准层的温度场，针对试验对象情况进行如下主要参数的设置：

1)楼体所选用的结构是钢筋混凝土结构，而混凝土的主要化学成分为碳酸钙(CaCO3)，碳酸钙所具备的其中一点性质是它的热工参数是伴随着温度和时间的变化而变化的，那么在FLUENT软件中就选择基于压力的3D非稳态隐式求解器作为该模型的求解方式。

2)燃烧的过程中，属于湍流过程，针对这一过程选取经典湍流模型k—ε标准方程模型进行数值模拟[10]。

3)建立的L形模型，根据常见楼宇和建筑消防设计规范设定出口位置，共设东向、北向以及中部电梯井处的楼梯共三个出口。

1.4 模拟条件

数值模型选用平面形状相对复杂而常见的L形楼体内标准层作为试验对象，该试验楼体东西方向长度50 m，宽度15 m；南北方向长度20 m，宽度15 m；走廊宽度均为3 m；中部转角处有一35 m2的电梯井。全楼层设有正北侧、正东侧和电梯井附近三个步梯出口，并各自安装有消防门，正北、正东侧出口设窗与楼外空气沟通。配电室位于电梯井北侧，是该楼层的潜在火灾源。具体分布见图1。

数值试验模拟配电室起火后，分别开启电梯井处与正北方向逃生出口、电梯井处与正东方向逃生出口、正东方向与正北方向逃生出口，整个起火楼层温度场的分布规律以及烟气扩散的趋势，由此确定楼宇较为合理的火灾逃生出口和逃生路径。

对高温下材料力学性能的研究表明，在高温作用下，钢筋和混凝土的力学性能随之会发生变化，表现为钢筋和混凝土强度和刚度会随着温度的升高而降低，钢到873 K时基本丧失承载强度。所以我们在建立模型的过程中考虑到了最不利情况。设定楼层内流场温度为303 K，壁面和底面温度均为常温300 K[11]。

2 数值试验结果分析

2.1 温度场模拟

设定配电室起火后，开启不同逃生出口条件下，温度场数值试验结果及分布规律如下。

2.1.1 逃生条件-1

同时开启电梯井处和正北方向逃生出口，楼层温度场分布如图2所示。在电梯井处出口形成一个相对低温涡流，而在南北向走廊近壁区域形成一个高温区，温度高于通道中部16.33%。比较两个逃生通道，沿电梯井处出口逃生路径相对有利。

2.1.2 逃生条件-2

同时开启正东方向以及电梯井处逃生出口，楼层温度场分布如图3所示。距起火点最近的电梯井处出口附近产生一个温度相对较低的涡流，但电梯井附近的东西向走廊近壁处形成一个高温区，是电梯井处出口逃生路径上的障碍。东西向温度比较均匀。比较之下，东西向走廊和正东出口是可选的逃生路径。

2.1.3 逃生条件-3

同时开启正东方向以及正北方向逃生出口，楼层温度场分布如图4所示。南北向走廊温度相对高于东西向走廊，且在南北向走廊近壁区域形成一个高温区，东西向走廊和正东出口是较好的逃生路径。最短的逃生路径不是最优的逃生路径。

2.2 烟气扩散场模拟

针对上节三种逃生出口开启条件，开展火灾产生的烟气扩散速度以及扩散趋势数值试验，分析适宜的逃生通道，试验结果如下。

2.2.1 烟气扩散条件-1

同时开启电梯井处和正北方向逃生出口，数值试验结果如图5所示。未开口的东西向走廊和701室外廊内烟气扩散速度很慢，不宜选择为逃生通道。而近电梯井出口烟气扩散速度较快，相对适合逃生。

2.2.2 烟气扩散条件-2

同时开启正东向及近电梯井处出口，数值试验结果如图6所示。未开口的南北向走廊和701室外廊内烟气扩散速度很慢，烟气聚集。东西向走廊和电梯井处出口烟气扩散速度相对较大，最有利于烟气扩散，这两个出口和路径均适合逃生。

2.2.3 烟气扩散条件-3

同时开启正东与正北出口时，数值试验结果如图7所示。未开口的电梯井处出口和701室外廊内烟气扩散速度很慢，南北向走廊东侧近避烟气扩散速度均很慢，有烟雾聚集。东西向走廊烟气扩散速度较快，沿东西向走廊和出口相对适合逃生。最短的逃生路径不是最优的逃生路径。

2.3 温度与烟气场综合分析

1)开启不同的逃生出口，L形楼层内温度场及烟气扩散情况有很大差异，导致各逃生路径并非都适宜逃生，四种逃生条件的最优逃生路径综合判定结果见表1。

表1 最优逃生路径综合判定一览表

2)四种逃生条件均出现火场局部沿壁温度异常增高区，近壁高温区出现的位置与逃生开口有关：当开启一侧走廊开口和电梯井处开口时，近壁高温区位置出现在开启出口的走廊一侧；当开启一侧走廊开口时，近壁高温区位置出现在较短走廊一侧；当开启全部三个开口时，近壁高温区位置出现在较短走廊一侧。由此判定，近壁高温区位置出现在风阻最小的走廊一侧。

3)走廊近壁高温区对面墙壁，通常是烟气低速扩散区，因此，这两个因素造成逃生通道上的逃生障碍。

3 结语

1)FLUENT软件可以较好地模拟相对密闭空间的火灾温度场和烟气场。

2)选取四种不同的逃生出口开启方式，对比分析结果表明，不同逃生出口条件会导致逃生路径适宜程度有较大差异。

3)火场局部沿壁温度异常增高和烟气聚集，高温和烟气聚集区位置出现在风阻最小的走廊一侧。沿壁逃生可能加重伤害，火场逃生应引起高度关注。

4)最短的逃生路径不一定是最优的逃生路径，关键要看逃生路径上阻碍逃生的因素。

5)试验没有考虑逃生出口打开时风流的影响，如外部有正北或正东向风涌入则会加重火灾。

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Numerical tests on the fire escape optimal path of body building

Li Tie1，2Wang Ning1，2*Zhu Lin1，2

(1.StateKeyLaboratoryofHigh-efficiencyMiningandSafetyofMetalMines,MinistryofEducation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；2.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

In order to explore the escape mechanism science of personnel intensive large-scale public buildings crowded fire, we chose a “L” shaped standard office floors for simulation test. In this test we have set four different conditions of export and use the CFD calculation software FLUENT, found that： the different exits conditions lead to the different of suitability degree in escape route. The high temperature and the zone of gas accumulation are appeared the floor which the windage is least, and the shortest path is not necessarily the best. Last of all, the FLUENT software proves to be useful to simulate the relatively closed space fire temperature field and secondary gas diffusion.

fire, temperature field, secondary gas diffusion, escape route, FLUENT

2015-08-23

李 铁(1961- )，男，博士，教授； 朱 琳(1989- )，女，在读硕士

王 宁(1990- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)31-0227-03

TU998.1

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