办公楼火灾烟气流动特性数值模拟

刘 影，刘一为，周天宇

(安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 前 言

火灾给人类社会造成过巨大的生命财产损失，已成为一个灾难性的问题。由火灾造成的各类损失，也在成倍增加[1-2]，特别是多层多室建筑发生火灾时所产生的“烟囱效应”造成的后果最为严重[3]。与其他类型火灾相比，建筑火灾隐患多，危险大，救援困难[4-6]，因此，掌握产生的高温烟气的蔓延情况，研究多层多室建筑火灾特性是十分重要的。

研究表明，火灾模拟技术能为建筑火灾过程提供科学指导。基于此，本文以小型办公楼建筑火灾相关特性为研究对象。借助FDS软件，模拟多层多室建筑火灾过程，研究火灾时着火房间、各楼层走廊的烟气层高度的分布规律，重点分析高温烟气在建筑内部的蔓延规律及影响，尤其对着火房间及各楼层走廊的烟气层高度进行对比分析，得出不同火灾场景的火灾危险临界时间。

1 火灾场景设计与模型建立

1.1 火灾场景设计

本文以多层多室小型办公楼为模拟对象进行一系列的火灾特性研究。选择的建筑总面积为2 050 m2，层数为5层，建筑总高度为16 m，每一层的净高为3.0 m，共有65个办公房间，每个房间可容纳4人办公。每层各房间通过走廊连接，走廊宽1.8 m。该办公楼的墙壁和地板材料均为混凝土，阻燃性材料，办公房间内的沙发为易燃性材料，无机械排烟设施，全部为自然排烟。着火房间长为6 m，宽为3.8 m，总面积为22.8 m2，火源的面积大小为0.24 m2。本次模拟在建筑物内共设置3个火源位置，分别为：一层正对楼梯间的办公室、二层正对楼梯间的办公室和办公楼顶层中间位置的办公室，其中，火源1主要研究在无机械排烟设施的情况下，火灾烟气在着火房间、各楼层走廊的发展蔓延情况；火源2主要研究自然排烟状态下，火灾烟气在二层着火房间、二层及二层以上各层走廊的蔓延状态及对人员疏散的影响；火源3主要研究自然排烟的情况下顶层着火房间对顶层人员疏散所产生的影响。

1.2 模型建立

本次模拟建立的模型尺寸为长×宽×高=29.7 m×13.8 m×16 m的长方体，设置最小网格模型尺寸是0.5 m×0.5 m×0.5 m，网格总数为53 760个。通过相关公式计算设定了火灾荷载密度qf为230 MJ/m2，火灾增长因子al为0.046 9 kW/s2，火灾最大热释放速率设定为1 500 kW。设置相应探测点收集火灾模拟结果，针对具体情况，设置了烟气层高度的探测点48个。

2 模拟结果与讨论

烟气层高度的探测是建筑物发生火灾时人员进行相关急救活动的重要参数。本次模拟设定的人眼特征高度为1.7 m，通过相关公式计算得出，高温烟气层对人体构成危险的临界高度为2.0 m。模拟结果显示，着火房间内的烟气蔓延情况如图1所示，其中，(a)是火灾发生后，高温烟气充满整个着火房间；(b)是高温烟气充满着火房间后，迅速向建筑的一层走廊扩散的过程。

(a)高温烟气充满整个 着火房间

由图1可以看出，首层房间着火时，火灾产生大量烟气，由于房间空间较小，烟气无法立即排出，会在很短时间内在房间顶端附近聚集，烟气层的厚度随着火灾的发展越来越厚，当烟气层高度下降至房间门高度时，烟气扩散至一层走廊，沿走廊的左右两个方向扩散，同时高温烟气向着正对着火房间的楼梯间蔓延，随后因为“烟囱效应”使得烟气迅速扩散至其他楼层。

2.1 各楼层房间烟气层高度分析

将一层着火房间和其他各楼层中处于最不利位置房间的烟气层高度对比分析发现(见图2)：一层着火房间和二层房间烟气层高度趋于稳定，相对其他各层来说较快，其中一层着火房间的烟气层高度趋于稳定的速度最快，三层最慢。一层着火房间里的烟气层高度在65 s时趋于稳定，且最终烟气层高度趋于0.5 m左右。相比一层的着火房间，其他房间趋于最终烟气层的高度和时间也具有一定的参考价值。

(a)1、2层房间烟气高度对比

2.2 各楼层走廊烟气层高度分析

各楼层走廊烟气层分布如图3所示。

(a)1、2层走廊烟气高度对比

由各楼层具体烟气层高度总结得出各楼层走廊烟气层高度趋于稳定的时间(见图3)，结合本文此前所设定的高温烟气层对人构成危险的临界高度为2.0 m可知，火灾发生后，各楼层走廊烟气层高度趋于稳定值均低于临界高度，火场疏散环境恶劣，由于每层的净层高为3 m，烟气的扩散速度很快，每层烟气层高度趋于稳定值所需时间也很短。实验数据表明，一层房间着火时，一层走廊烟气层高度降至2 m最快需要接近165 s的时间，随着楼层的增加，各楼层走廊的烟气层高度降至烟气层高度危险临界值2 m所需的时间就越长。

3 结 论

1)在一层房间着火的情况下，烟气层高度对人员疏散的火灾危险临界时间均有着极大的影响。

2)一层房间着火的情况下，着火房间的人员必须在40 s之内撤离，而其他人员必须在165 s内撤离建筑物。在165 s时，一层走廊的烟气层高度下降至2 m，当疏散路径上的烟气层高度低于安全疏散高度值时就会影响到人员疏散整个过程。

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