基于FDS的高校寝室火灾数值模拟

李苑　刘江虹　谢启苗

摘要：近年来，高校人群密度日渐升高，而寝室作为学生学习、生活的主要场所之一，其安全问题就显得尤为重要。本文运用FDS软件，对上海海事大学学生寝室楼某层进行建模及火灾数值模拟分析，旨在对寝室火灾发展规律进行研究。通过对比两种工况下的火灾发展情况，发现机械通风系统可以在火灾初期明显减小火势，为被困人员赢得宝贵的逃生时间，并针对如何预防寝室火灾及火灾情况下的人员疏散提出了相关的对策建议。

关键词：寝室火灾；FDS：数值模拟；机械通风系统

1.引言

近年来，高校火灾事故屡见不鲜，对师生的生命财产构成严重威胁，而寝室火灾是造成人员伤亡和财产损失的主要原因之一。据统计，2005年以来，全国高校共发生火灾2000余起直接财产损失达5200余万元，给高校工作的正常运转和安稳和谐造成了极大障碍。学生宿舍空间有限，人员和物品相对集中，使得房间内可燃物多、火灾负荷大，而且一旦发生火灾，疏散难度较大。加之很多学生防火意识薄弱，使用高负荷违章电器，使得寝室火灾多为人员因素导致。因此，对寝室进行火灾数值模拟，研究寝室火灾发展规律，并提出相应的防火对策建议，有着重要的现实意义。

2.模型建立

2.1模型建立及网格划分

本文根据上海海事大学寝室楼某层实测数据运用PyroSim建模。网格模型长×宽×高=72.0m×16.0m×3.6m，X，Y，ZCells分别为360，80，18，共划分了518400个网格，网格尺寸为0.2m×0.2m×0.2m。FDS物理模型场景如图2.1。

2.2模型主要参数和边界条件描述

单层寝室楼模型的周围环境温度为20℃，气压为1个标准大气压。寝室正门的开口尺寸为长×宽=2.25m×1.2m；寝室阳台的开口尺寸为长×宽=2.25m×1.5m；走廊两端窗户的开口尺寸为长×宽=2m×1.8m：走廊出口的开口尺寸为长×宽=2.45m×1.8m；根据实测数据，除阳台墙体厚度为0.3m外，其余墙体厚度均为0.5m。墙体材料为“1.0的GYPSUM”。全部地板均为瓷砖材料，寝室内床上用品为泡沫材料，其余均为木材。通风口尺寸为长×宽=0.6m×0.3m，通风管道的材料为“1.0的STEEL”。

走廊天花板共设有6个通风口，两两间隔10m，风机型号为DZ-11型，风量为1600m3/h，计算得通风口的风速约为2.5m/s。所有门窗均敞开，南北阳台外边界为开放状态，天花板为封闭状态。

2.3火源的设置

学生寝室内堆放有大量书籍，家具通常为木制品，均属易燃物品，根据这一特点，此处将火源设置在南侧9号寝室1号桌面上。火源尺寸大小为0.2m×0.2m。当火灾发生时，火势将向四周蔓延，可燃物燃烧的热释放速率直接反应了火源释放热量的快慢和大小，是评价火灾发展程度的重要参数，也是火灾模擬必要的基础数据。通过查阅相关文献资料，将火源的最大热释放速率设为2MW，计算可得在燃烧大约413秒时达到峰值，火源热释放速率HRR与时间关系函数：

Q=at²

根据可燃物的种类和性质的不同，α有不同取值，具体取值依据见表2.1。

由于学生寝室内的可燃物主要为床上用品及书籍，内置家具基本均为木制，因此本文取α值为0.01172。

2.4监测点布局

本文上海海事大学学生寝室楼某层模型中主要设置了火灾温度探测器、CO烟气层厚度探测器和CO浓度探测器。由于温度、能见度和CO浓度是影响人员逃生的重要因素，所以将火灾温度探测器、烟气浓度探测器和CO浓度探测器的高度均设在人的平均身高1.7米处来考察不同工况下火灾发生后的温度、烟气高度以及CO浓度对人员逃生造成影响。火灾温度探测器、烟气层厚度探测器及CO浓度探测器设置在走廊中心轴线上，用来探测火灾发生时走廊各处尤其是走廊出口处和火源房间处温度变化、烟气层厚度变化和CO浓度变化情况；在走廊中部切面上设置了5个火灾温度探测器、5个烟气层厚度探测器和5个CO浓度探测器，分别位于着火房间门口、两边安全出口处及安全出口到着火房间的中央，并在1.6m高度设置了能见度切片。

3.模拟过程及结果分析

本文模拟了2MW火灾，设置了有无机械通风系统两种工况，并针对不同工况下的温度、烟气层厚度、能见度和CO浓度进行了对比分析，具体分析结果如下。

3.1走廊温度分析

取火源中心上方1.7m处为监测点，在走廊上共设置了5个温度探测器，如图3.1（a）与图3.1（b）所示，可观察到走廊内温度随时问的变化规律：（1）各监测点的数据均显示，有控风条件下的温度明显低于无控风条件温度，这是由于排烟口在火灾初期能够将烟气排出，降低走廊内温度。但排烟口客观上增加了空气流动，降低火场内大气压，使新鲜的空气输入到火场中，在火灾发生后期反而助长火势，所以应当在火灾发展初期合理使用控风措施。（2）一般认为，人体所能承受温度为60℃，温度超过60℃即认为是危险状态。由图可知，在模拟时间内，两种工况下温度均未达到危险温度，这说明温度不是影响人员疏散并最终导致火场内人员伤亡的最主要的因素。

3.2走廊烟气浓度分析

根据以往火灾事故统计，火灾中大部分人员伤亡是由于吸入过量有害烟气，火灾烟气对人员的危害主要体现在缺氧、中毒及高温烟气窒息。如，火灾需要消耗大量02，使走廊及房间内02含量降低，当下降到5%以下时，会造成人员严重缺氧窒息；人员如果吸入烟气中过量的CO，会中毒甚至死亡；另外，高温烟气也会引发人员呼吸道阻塞窒息。可见，火灾烟气对人员的危害性之大。

在火源房间门口处、两个安全通道处及走廊中间共设置了5个烟气层高度探测器。图3.2（a）与图3.2（b）反映了两种工况下的烟气层高度变化规律。

通过对两种工况下烟气层高度曲线图的对比可知：（1）同一时刻，由于排烟设备能加速烟气的排出，有控风条件下的烟气层高度厚度明显小于无控风条件下的烟气层厚度，这使得走廊内能见度相对较高，极大地提高了人员疏散效率。（2）由于热烟气首先是向上运动，然后发生沉降，因此在疏散过程中，被疏散人员务必要降低身体重心，俯身快速逃离火场。（3）无控风条件下，250s后，检测点1处的烟气层高度已接近甚至低于人员逃生临界值1.5m，此时人员已处于绝对危险状态，其他监测点处的烟气层高度也明显低于有控烟工况下的烟气层高度。

3.3走廊能見度分析

火灾烟气的产生，会导致走廊内能见度降低，更会造成走廊内人员呼吸困难，心理状态紧张，使人员不能以正常行动能力进行逃生和疏散，也导致了救灾工作受到阻碍。

由于火场能见度主要对寝室楼内人员的逃生产生影响，因此，分析人眼特征高度处（通常取值范围为1.2-2m，本文取1.6m）的能见度水平变化规律能作为人员是否处于危险状态的判断依据，即取z=1.6m为监测水平面，图3.3（a）——3.3（f）反映了火灾发展过程中能见度在水平面上的变化：

通过观察两种工况下1.6m处能见度水平方向的变化示意图，可以发现，随着火灾烟气的上升、积聚、下降沉淀，在无控风条件下，150s时火源房间内的能见度已下降到10m左右，300s时火源房间内能见度已接近于0，走廊两端能见度明显小于10m，大约在5m左右，一般认为此时已为人员伤亡危险点，500s时整个走廊能见度已基本均在3m以下，若此时仍为疏散完毕，人员已处于绝对危险状态。在有控风条件下，150s时火源房间内能见度在10m左右，300s时火源房间内能见度接近于0，走廊内除两端大约5m处能见度较低，其余中部位置能见度良好，500s时两端个别房间内能见度较低，人员处于危险状态，其余位置能见度基本良好。

3.4走廊CO浓度分析

通过查阅大量火灾统计资料，人员因CO窒息中毒死亡的人数占全部死亡人员约70%。吸入空气中CO浓度达292.5mg/m3时，人可产生严重头痛、眩晕等症状；CO浓度达1170 mg/m3时，吸入超过60min认可昏迷，CO浓度达11700mg/m3时，数分钟可致人死亡。图3.4（a）与图3.4（b）反映了两种工况下的CO浓度随时间变化的曲线图。

通过观察上图中CO的浓度曲线走势可知：（1）在同一时刻，由于排烟装置的作用，有控风条件下的CO浓度明显低于无控风条件下的CO浓度。（2）在模拟时间内，在有控风条件下CO浓度较低，人员相对安全；在无控风条件下，350s后，1号探测器位置CO浓度已达到300mg/m3，若此时还未撤离，人员将处于绝对危险状态。

4.结论与对策建议

通过对两种工况下火灾发展及蔓延的对比研究，可以得出以下结论：（1）在火灾发展初期，控风系统将烟气排出，从而能够有效降低走廊内的烟气浓度与温度，为楼内的人员疏散赢得了宝贵的时间，因此，安装机械控风系统是保护楼内人员财产安全的有力手段，是十分必要的。（2）另一方面，由于控风系统将烟气排出，使得走廊内压力降低，加速了空气的流入，因此在火灾后期反而会助长火势，因此必须合理利用机械排烟系统，其运行时间长短还有待进一步的研究。（3）从上述模拟结果可以看出，影响人员疏散、并最终导致人员伤亡的主要因素并非高温环境，而是由于燃烧产生的烟气。低能见度条件下人员行动速度会受到明显制约，而CO等有毒有害气体一旦进入人体，会大大影响人员的行动能力，烟气浓度较高时还会导致人员窒息，这些都是在发生火灾时导致人员伤亡的主要因素。（4）根据模拟结果可以看出，由于左边出口更靠近窗口及通风设备，因此左边出口处的烟气流动更为明显，火势发展与蔓延比右边出口处更为猛烈，因此楼内人员，尤其是中部位置的人员，在距离两出口距离相差不大时，应优先选择右边出口更为保险。（5）人为因素是造成寝室火灾的主要原因之一，为了预防寝室火灾的发生，一方面学校要加大监察力度，务必杜绝存在火灾隐患的违章电器的使用；另一方面要加强对学生的安全教育力度，让每一个人树立安全意识，从根本上降低寝室火灾发生的可能性。

此外，本文对火灾情况下人员疏散动力学没能进行更深入的研究，仅针对某一楼层内火灾蔓延情况给出了人员撤离所必须时间。但实际上，影响人员疏散行为的因素是十分复杂的，比如心理因素、社会因素、年龄差异、性别差异等，都会在不同程度上导致个体呈现出不同的逃生行为，有关这些因素的人员疏散研究还有待进一步的讨论。