基于Phoenics的教室火灾模拟研究

何珺怡, 孙玉浩

(1. 安徽建筑大学 建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室, 安徽 合肥, 230022; 2. 安徽建筑大学 建筑结构与地下工程重点实验室, 安徽 合肥, 230022; 3. 浙江工程建设监理公司, 浙江 杭州, 310012)

基于Phoenics的教室火灾模拟研究

何珺怡1,2, 孙玉浩3

(1. 安徽建筑大学 建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室, 安徽 合肥, 230022; 2. 安徽建筑大学 建筑结构与地下工程重点实验室, 安徽 合肥, 230022; 3. 浙江工程建设监理公司, 浙江 杭州, 310012)

通过建立单间教室的内部模型, 并依据实际设置火灾火源, 应用Phoenics软件对教室内火灾引发的烟气流动进行了数值仿真分析。根据模拟数据, 分析了教室发生火灾时的烟气传播方式、能见度变化以及温度的分布规律。结果表明: 温度、能见度对人员疏散起决定性作用, 烟气浓度对人员疏散影响不大; 在火灾发生后180 s内, 教室内的能见度在10 m以上, 教室内部温度也低于60 ℃, 而火灾发生180 s后, 教室内的能见度开始降低, 温度也开始升高, 此时已经严重影响人员的疏散, 教室内人员应在火灾发生后180 s内完成疏散;火灾发生过程中, 对于同一高度不同测点的位置, 距离火源越近, 烟气浓度大, 温度上升越快, 教室前门的平均温度均高于后门, 从温度上考虑, 教室后门更有利于人员的疏散。

教室火灾; 烟气; 人员疏散

为了适应现代化教学的需要, 教室内现代化教学设备越来越多, 某些易燃易爆的仪器极易引起室内火灾的发生[1]。教室是人口密度高度集中的场所, 一旦发生火灾, 会产生一些有毒气体[2]。调查发现,火灾中70%以上人员的死亡都是由于吸入了有毒烟气[3], 因此, 对火灾时烟气分布情况进行研究十分必要。探究火灾蔓延规律是当前火灾研究领域的发展方向[4]。黄翰峰[5]利用FDS软件对教学楼火灾进行烟气数值模拟, 研究烟气蔓延和扩散规律, 并分析影响人员安全疏散的因素, 以评估和解决建筑物的火灾安全问题。左秋玲[6]权重评估了影响教学楼火灾因素, 提出教学楼火灾风险的模糊综合评价模型, 并对教学楼的火灾风险进行评价, 得到教学楼火灾安全等级。杨裕明[7]运用PyroSim软件建立火灾模型,得到影响疏散的温度、能见度、烟气的运动规律, 选取最不利因素, 确定了可用安全疏散时间。张勇[8]利用大涡模拟方法对比研究了某高校教学楼走廊的三种火灾场景, 并获得了较好的模拟结果, 可为教学楼火灾研究和人员疏散提供参考。

目前, 多数专家的研究主要集中在教学楼的火灾模拟, 对单间教室火灾的研究较少, 而大多数教学楼火灾都是从单间教室开始的。鉴于此, 本文利用Phoenics软件模拟单间教室发生火灾时的烟气扩散过程, 研究烟气的流动规律、能见度以及温度的变化情况, 为教室火灾防治及人员疏散提供理论指导。

1 模型

1.1 教室的几何模型

以某高校教学楼的一间教室为参考, 在不影响模拟结果的前提下, 为了计算简便, 简化教室的几何模型如图1所示。教室的几何尺寸为20.0 m × 13.2 m × 4.0 m, 教室内布置10排座位, 每排14个。

图1 教室的几何模型

1.2 模拟过程

用CAD绘图软件和FLAIR模块中的前处理器VR-Editor建立模型, 设置边界条件及模型参数。用Solver求解器对模型进行求解计算, 并分析烟气的蔓延和温度的分布情况, 后处理器VR-Viewer显示和输出计算结果。结合模型分析烟气浓度、能见度及温度变化对人员疏散的影响。

1.3 参数设置

火源设置。在查阅近几年的教室火灾案例中, 发现由电源引起的着火案例最多。由于室内第1排中间课桌与讲桌下的电源较近, 且周围聚集了大量的易燃物, 因线路老化而短路引发火灾的概率较高。故将火源设置在教室内第一排中间课桌位置(X = 3.5 m, Y = 6.6 m, Z = 0.8 m)。

网格设置。根据教室的长、宽、高划分网格, 网格数为57 × 39 ×10。网格划分如图2所示。

图2 X—Z平面网格分布

监测点设置。教室内部通道和前后门是人员疏散的主要出入口,故将监测点位置布置在教室内部通道(X = 10 m, Y = 3.7 m, Z = 1.0 m)和教室前后门(X = 0.2 m, Y = 13.2 m, Z = 1.0 m; X = 18.9 m, Y = 13.2 m, Z = 1.0 m)位置。主要对教室内烟气分布情况及温度、能见度进行监测。

初始环境设置。教室两侧墙壁、顶棚和地板材料均为混凝土, 教室内外初始温度设置为20 ℃, 初始烟气浓度设置为0, 教室前后门以及窗户都设置为Opening, 烟气求解模块(Solve smoke mass fraction)设为ON, 燃烧热设置为1.3E7 J/kg, 湍流模型(Turbulence models)设定为KECHEN。火灾最佳逃生时间一般不超过6 min。模拟过程共6 min, 每分钟记录1次数据。

2 结果与分析

2.1 烟气层分布情况

烟气在教室内属于受限运动[3], 火灾发生前期, 烟气密度小, 烟气逐渐向上扩散, 当受到教室顶棚的阻挡后, 便在顶棚下方沿四周扩散, 使得火源两端房间角落的烟气浓度先升高, 受到墙壁阻挡后, 烟气层开始下沉, 随后逐渐弥漫整个教室。烟气还会造成人的呼吸困难, 四肢无力, 智力混乱, 辨不清方向, 因此减缓人的疏散速度。图3为人眼特征高度处(1.5 m)模拟烟气浓度分布云图。从图3可以看出: 火灾发生的前120 s内, 烟气浓度快速下降; 120 s后, 火源开始向周围相邻可燃物延伸, 向附近可燃物传递热量使它们充分燃烧, 使烟气浓度开始上升, 在t = 180 s到t = 240 s之间, 由于教室其他可燃物不在火源附近, 火灾不能形成连续延伸, 烟气浓度变化不明显; 240 s后, 烟气浓度快速上升, 产生这一现象的原因是火灾已经达到火焰燃烧阶段, 温度不断升高, 燃烧物充分, 氧气供应充足, 燃烧面积不断扩大,导致烟气不断增多。当t = 300 s时, 烟气浓度已经上升到15.23 × 10-3m3/kg, t = 360 s时, 烟气浓度上升到最大值。为了火灾中人员的安全, 应在烟气浓度快速上升之前尽快组织人员疏散。从烟气扩散及分布情况看, 人员疏散的最佳时间为火灾发生前180 s。

图3 火灾后不同时间(t)的烟气浓度分布(单位: m3/kg)

2.2 能见度

图4为室内能见度模拟结果。从图4可以看出: 在模拟时间前180 s内, 教室内的能见度均在10 m以上; 180 s后, 可燃物的充分燃烧, 烟气不断增多, 教室的能见度开始降低, 距离火源越近, 烟气产生量越多, 能见度下降越快; t = 240 s时, 教室内的能见度降到8.1 m。当烟气造成能见度低于10 m时, 火灾中人员的视力以及辨别方向的能力会大大降低, 同时造成人员呼吸困难, 心理恐慌, 导致踩踏事故的发生, 此时, 人员疏散已经开始受到威胁; t = 300 s时, 教室内的能见度已经降低到2.1 m, 到360 s时,能见度只有0.9 m, 低于人眼特征高度1.5 m, 已经严重影响人员的疏散。故应在火灾发生后的180 s内,能见度还未下降到10 m之前组织人员疏散, 避免由于能见度降低而造成人员疏散困难。

图4 火灾后各时刻能见度变化(单位: m)

2.3 温度分布情况

当温度高于60 ℃时, 人员的疏散活动将受到严重威胁[9]。从图5和图6的模拟结果可以看出: 模拟过程的前180 s内温度上升缓慢, 后180 s内温度上升很快; 180 s时, 教室上部空间温度高达88.2 ℃;240 s时, 教室前门平均温度已经达到60.7 ℃, 后门平均温度为51.4 ℃, 过道平均温度为54.4 ℃, 此时,3个监测点的温度均大于45 ℃。空气中的高温能损伤呼吸道, 影响人员疏散。所以在240 s之前应尽快组织人员疏散, 减小人员的伤害。

图5 火灾后教室前后门温度分布(单位: ℃)

图5、图6还显示, 对于同一高度不同测点的位置, 距离火源越近, 温度上升越快。如前门口的温度均大于后门口的温度, 教室内部过道的温度介于前门和后门温度之间。火灾发生后, 由于可燃物的燃烧导致教室内温度升高, 烟气增多。而烟气的流动受到教室四周墙壁的限制, 将会在教室内产生一定的烟气蓄积, 热量不容易扩散, 从而导致离可燃物越近的地方温度越高。所以在教室前门疏散人员比后门更危险。

图6 火灾后教室内部过道温度分布(单位: ℃)

3 结论

本文应用Phoenics软件对教室火灾进行了数值模拟, 通过对教室内发生火灾时烟气传播方式、能见度变化以及温度分布规律的分析, 得到以下结论。

(1) 烟气在教室内的浓度中间低于两边。这是由于烟气在火源处流出, 逐渐向上扩散, 当受到教室顶棚的阻挡后, 便在顶棚下方沿四周扩散, 受到四周墙壁阻挡后, 烟气开始沿墙壁下流, 导致此处烟气浓度升高。模拟结果显示烟气浓度最高值小于0.033 7 m3/kg, 所以烟气浓度不是疏散的最大威胁。

(2) 火灾发生后, 前180 s内教室内的能见度大于10 m, 温度低于60 ℃, 烟气浓度低于4.11 × 10-5m3/kg, 因此, 火灾后180 s内是人员疏散的最佳时间。

(3) 通过对比分析教室前后门以及过道的温度得出, 离火源位置较远的出口相对离火源位置较近的出口温度低, 所以选择教室后门疏散将会减小温度对人员疏散的影响。

[1] 魏星, 王建英. 我国高等院校的消防现状及其疏散研究模型选取与分析[J]. 大众科技, 2008(4): 212–214.

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[3] 刘艳军. 建筑火灾烟气危害及其控制措施[J]. 中国安全生产科学技术, 2008, 4(4): 65–67.

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[5] 张海卿. 建筑物火灾烟气模拟及应急疏散对策研究[J]. 北京: 北京化工大学, 2010: 3–5.

[6] 余明高, 郑凯, 郑立刚. 高校教学楼走廊烟气风险分析研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2012, 31(3): 249–252.

[7] 王妍. 基于PyroSim的高校宿舍火灾数值仿真[J]. 中国科技纵横, 2014(19): 209–210.

[8] 谢元一, 王厚华. 建筑物走廊型通道中火灾烟气流动特性的研究[J]. 中国安全科学学报, 2006, 16(1): 88–90.

[9] 王立, 况凯骞. 大型商业购物中心中庭防火分隔与人员疏散[J]. 消防科学与技术, 2012, 31(1): 36–39.

(责任编校: 江河)

Research on fire simulation based on phoenics classroom

He Junyi1,2, Sun Yuhao3
(1.National and Local Joint Engineering Laboratory for Building Health Monitoring and Disaster Prevention Technology, Anhui Jianzhu University, Heifei 230022, China; 2. Provincial Key Laboratory for Architectural Structure and Underground Engineering, Anhui Jianzhu University, Heifei 230022, China; 3. Zhejiang Engineering Construction Supervision Company, Hangzhou 310012, China)

Through building an internal model in a single classroom, setting source of ignition in accordance with practical situation, phoenics is applied to conduct a numerical simulation analysis on smoke movement caused by fire in classroom. Based on simulated data, spreading way of smoke, change of visibility and regularity of temperature distribution are analyzed. The result illustrates that: temperature and visibility play an decisive role in personnel evacuating and there is a little influence of smoke concentration on personnel evacuating; within 180 s after fire, visibility in classroom is more than 10 m and temperature in classroom is lower than 60 ℃, while after 180 s, visibility in classroom begins to reduce and temperature begins to rise, which seriously influences personnel evacuating, and therefore, illustrates that people in classroom should evacuate within 180s after fire; during the process of fire, as for different measure points of the same height, the closer with fire source they are, the stronger the smoke concentration is, which results in faster rise in temperature; the average temperature in front door of classroom is higher than that in back door, which demonstrates that, considering temperature, back door of classroom is more favorable for personnel evacuating.

classroom fire; flue gas; personnel evacuation

X 928.7

: A

1672–6146(2017)03–0043–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.010

何珺怡, hejunyi1992@126.com。

: 2017-04-17