竖向火源位置对高层楼梯间烟气蔓延研究

周宇荣，苗 盼，战乃岩，李晓莉，毛开宗

（吉林建筑大学应急科学与工程学院，吉林 长春 130118）

近年来，建筑业和上述建筑工程的发展突飞猛进，在许多一二线城市里出现了高层建筑，成为当地标志。使人们对高层建筑的理解逐渐增加到一个更高的层次。从城市空间的角度来看，高层建筑不仅有效减少了城市的使用土地面积，而且大大有利于城市居民的生活。应对建筑楼高目标的要求，许多建筑物使用的复杂功能的设计和技术复杂和建筑新材料，电路复杂，电缆较多，容易发生火灾，消防员救援不及时，会造成财产损失和人员伤亡，给社会安全造成不稳定影响。

通常，产生的烟雾会降低能见度，并含有有毒气体，如一氧化碳，是火灾中的“主要杀手”。烟雾蔓延严重威胁人们的疏散和救援活动。竖井，如楼梯井和电梯中不仅可以作为疏散通道，还可以作为烟雾和火焰在垂直方向上传播的一种可能方式。因此，研究高层建筑火灾楼梯井内的烟雾运动具有重要意义。针对火灾的烟气流动，国内学者朱毅等通过小尺寸模型试验，研究了火灾条件下高层建筑走廊烟气扩散特性、最佳机械排烟量和风速值。LONG 等通过数值模拟的方式对某大学宿舍楼进行了火灾和疏散模拟。毛军等通过数值模拟方式对地铁站火灾发生情况下的烟气蔓延进行研究，并得出其防控方法。国外学者PEACOCK等通过对收集到的31场事故数据进行分析，推导出不同因素对避难的影响。BAE 等通过建立烟雾效应模型，研究心理因素对火灾压力下人员疏散的影响。朱杰等人在分析影响超高层建筑火灾烟气扩散的各种因素的基础上，提出了防止超高层建筑火灾烟气扩散的有效措施。杜峰等对高层建筑楼梯间广泛应用的隔烟空气幕进行了研究。靖成银等人采用数值模拟的方法，对比分析了不同排烟方式对高层建筑烟气蔓延的影响。中国科学技术大学孙晓乾等人为了研究不同因素对楼梯内正压送风系统的影响，找到了最有效的方法，能影响门扇叶与通风管位置之间的临界宽度。Morgan在以往不同建筑结构火灾相关工作的基础上，通过改变相关参数，得出有关烟气控制的措施。Peppes等人运用实验方式，对建筑物楼梯间的相关火灾进行实际分析，再通过数值模拟的方式，得到楼梯间内烟气蔓延特性、温度和压力等分布情况。张建荣以烟气流动因素、烟气上升速率以及分布特性为变量，分析高层建筑竖井内烟气流动的特性，为相关部门进行烟气控制提供理论依据。讨论了关于不同类型的烟控制系统的一些可能的故障模式，并注意到单一状态可能是一种烟控制系统的故障状态，但提高了另一种系统的有效性。自然风的替代效果表明，设计者必须充分了解每种类型的烟雾控制系统的目标和物理概念。ZHAO通过对中间开口温度的分析，发现烟雾的移动速度比实验中移动的要快。通过比较两种案例来证明：一个有楼梯和一个没有楼梯。压力之间之差由楼梯井内的浮力，楼梯井内和外部的压力随高度而增加。然而，当楼梯间内有楼梯时，压力差的演化是非单调的。与实验数据和相应的解析表达式相比，通过后处理仿真结果得到的中性平面高度值过高。最后，证明了湍流模型的影响可以忽略不计。

综上，国内外学者们运用数值模拟和试验对高层建筑内烟气蔓延特性进行了大量研究，其中由于火灾试验成本高、难度大等特点成为学者们较少的选择。因此，文章将使用Pyrosim火灾模拟软件，根据烟气在楼梯间火灾特性和烟气蔓延过程分析，对高层楼梯间火灾的不同场景设想情况，设置4种不同工况，进行疏散模拟，通过对有效疏散路线模拟的结果进行分析，得到烟气的蔓延规律，进一步分析火灾情况下人员从楼梯间疏散的路径，并为高层火灾消防措施提供建议，对高层建筑物消防提供消防理论参考。

1 火灾模型建立

运用火灾动力学模拟器（FDS）。FDS采用大涡模拟技术，引入低通滤波器，获得平均控制动量、质量和能量方程。在FDS滤波器中，宽度被推导为单元格体积的立方根。火灾可以被认为是一种低速的热驱动的流体流动。因此，采用低马赫数近似方法将时空分辨压力分解为背景压力。FDS利用直线网格实现均匀网格，减少了LES模型的计算时间。FDS采用集中物种的方法，简化了反应进展变量。采用涡旋耗散概念（EDC）假设反应以无限的速度发生。FDS采用灰色气体假设来计算辐射。辐射输运方程（RTE）也只解决了燃烧产物中的煤烟，因为它是控制辐射的主要因素。而解决其他的RTE需要更多的计算时间。建筑物周围的风的状况对建筑物内的火灾蔓延造成了重大影响。在FDS中使用单宁-奥布霍夫相似度方法。

楼梯是每一个建筑的重要组成部分。 一旦发生火灾，楼梯是高层建筑人员安全逃生的唯一途径。烟雾可以通过楼梯井或楼梯垂直传播到顶层。有许多可能的驱动力，如堆叠效应（由于建筑物内外温度的差异）、火灾浮力、机械通风和风，主要由火灾浮力驱动。为研究高层建筑楼梯间不同火源位置对烟气蔓延的影响，文章根据图纸建立了一栋16层楼梯间模型，并在pyrosim火灾动力软件中设置相应参数，将16层楼梯间内窗户设置为打开，并添加上方和窗户方向两个开放区域，且由于此模型为方形，故设置为长方形网格，网格尺寸为0.4×0.4×0.4，总网格数为137 982，燃烧反应为聚氨酯反应，模拟时间为600 s。并设置4种工况，分别将火源放置在1层、5层、10层和16层楼梯间。

2 模拟结果分析

图1为4种不同火灾工况下，烟气在楼梯间内的蔓延情况。当火灾发生时，烟气因其自身浮力和烟囱效应等作用迅速向上蔓延，使烟气在楼梯间上方积聚。400 s时，工况1中烟气上升了8个楼层，工况2中烟气向上蔓延了6个楼层，工况3中烟气向上蔓延了5个楼层，工况4向上蔓延了一个楼层。说明火源放置的楼层越低，火灾受烟囱效应的影响越大。

图1 不同工况下烟气蔓延图

600 s时，工况1较400 s向上蔓延了1个楼层，工况2中烟气在向上方蔓延的同时也在向下蔓延，直到600 s充满整个楼梯间。工况3中烟气充满15层及以上楼层，且向下蔓延了两个楼层。工况4中烟气向上蔓延，充满本层，且向下了一个楼层。根据模拟结果可得出火灾危险性：工况2＞工况1＞工况3＞工况4。造成这种烟气蔓延路径是由于高层建筑中中性面的存在。中性面是在烟囱效应条件下，建筑内外压力相等的一个水平面。高层建筑需要找到建筑的中性面。烟气流动是在压力下产生的，中性面将建筑分成上下两个区域，上下区域内烟气由于压力不同会形成不同的流动路径。因此，对于高层建筑五上下区域会采用不同的烟气控制措施。在火灾发生时，建筑高层受火灾影响较大，对人员生命财产造成较大威胁，因此需要对建筑高层增加额外的救援及排烟设施进行有效救援。

3 结论

为研究不同竖向火源位置对楼梯间烟气蔓延的影响，文章在楼梯间内设置了4种不同工况进行数值模拟，根据模拟结果，可得出以下结论：

（1）烟气因其自身浮力和烟囱效应等因素向上蔓延，其中火源处于5层楼梯间时，其烟气蔓延速度最快，在600 s基本充满整个楼梯间，能见度最小，对人员疏散造成的影响最大，最不利于人员疏散。（2）当火源处于15层时，烟气蔓延仅在15层及16层，对其他楼层影响不大，故是最佳人员疏散场景。（3）中性面是高层建筑的重要参数，确定中性位置对高层建筑火灾防控有重要作用，根据中性面位置，确定高层建筑上下区域不同的疏散策略。（4）当火灾发生在1层、5层、10层时，需要采用额外的救援设施对人员进行救助。消防员可以根据现实具体火灾发生位置进行救援。