基于Pyrosim的烟热训练室数值模拟研究

刘 洋 李长江教授 汪 艺 宋俊杰 彭定萍

(重庆科技学院,重庆 401331)

0 引言

高温、浓烟是阻碍消防员实施救援的主要障碍,为提高消防员在火场中的营救与自救能力,应积极开展烟热模拟训练。烟热模拟训练主要是通过营造声、光、烟、热环境模拟真实火灾,锻炼消防员的救灾应急处置能力和心理承受能力[1]。张福东[2]发现许多烟热模拟训练室训练温度低、烟雾浓度低、烟热设备不能模拟多种复杂火灾环境,导致训练效果较差;王栋武[3-4]使用仿真软件得出烟热设备的参数应与训练室体积匹配,但没有涉及训练中的安全疏散等分析。为拓展烟热训练的功能和保证训练人员的安全,本文对烟热室进行数值模拟分析以期还原真实火场,提高训练质量。

1 Pyrosim数值模拟

1.1 软件介绍

PyroSim软件是由美国标准技术研究院研发的火灾动态仿真软件。软件包括直接数值模拟、大涡模拟2种模拟方式,本文选择使用广泛的火灾烟气扩散大涡模拟模型进行模拟[5-6]。

1.2 模型建立

本文选取重庆某消防支队烟热训练室(以下简称“烟热室”)为研究对象,该建筑共1层,训练室尺寸为12m×9m×4.8m,疏散走廊净宽2m。金属网栅训练通道由3层长方体拼接组合而成,尺寸为8m×5m×4.3m,模型坐标系,如图1。

图1 烟热室模型Fig.1 Smoke and heat room model

1.3 数值模拟场景及参数设置

烟热室的设备布局如下:高度Z=1.5m处均匀布置15kW热风机6台,3kW造烟机6台;在Z=4.7m处布置2kW机械排烟机2台。E、F、G为训练室出口,各出口监测器布置:Z=1.5m处布置能见度监测器1个;Z=2m处布置温度监测器1个;设置烟气监测装置1个,监测高度为0～2.7m;Z=2m处设置CO浓度监测器1个。模拟中设置A、B、C、D 4个场景,场景A、B、D中的设备布局,如图2。

注:1.机械排烟机;2.现场布置的烟雾、温度监测器;3.热风机、造烟机;4.防火门图2 场景A、B、D设备布局Fig.2 Device layout for scenario A, B and D

场景A应满足GA 942—2011《网栅隔断式烟热训练室技术要求》中,主训练室环境温度升温至40℃所需时间不大于40min,能见度从正常降至2m的时间应不大于20min[7]。对烟热室的加热设备发热量、发烟设备的发烟量及配置数量进行仿真分析并与实际情况作对比验证,其他参数,见表1。

表1 场景A参数Tab.1 Parameters for scenario A

场景B设定训练通道P点起火(如图2),以期获得烟气的各类参数及流动规律,指导安全疏散。场景C是为探索改变烟热机的布局能否模拟场景B中的P点发生局部火灾时的热流效果,如图3。

图3 场景C设备布局Fig.3 Device layout for scenario C

场景D是考虑烟热机线路老化容易引发火灾,模拟疏散走廊Q点发生火灾,以期获得烟气的各类参数及流动规律,指导安全疏散。

场景B、C、D的参数设定为无喷淋的消防训练设施。其中,场景B、D火源热释放速率为8MW/m2,火源面积为0.25m2,火源类型为t2模型,火灾增长系数为0.044kW/s2[8],其他参数设置,见表2。

表2 场景B、C、D参数Tab.2 Parameters for scenario B, C and D

1.4 临界范围设定

火灾环境下影响人员疏散的主要因素是温度、能见度、CO体积分数及烟气层高度等。根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》规定,假定训练队员装备齐全,设置安全疏散临界范围[9],见表3。

表3 临界范围参数设定Tab.3 Critical range settings

2 各场景模拟分析

2.1 场景A升温验证

场景A各出口温度、能见度、烟气层高度变化情况,如图4。从图4可知,场景A中用6台15kW热风机在500s内使主训练室温度提高到40℃;各出口能见度经80s下降到2.5m,说明此功率下的烟雾机满足训练室技术要求;各出口烟气层高度始终维持在2.5m以上,说明训练环境安全。

图4 场景A各出口温度、能见度、烟气层高度的变化Fig.4 Changes in temperature, visibility, and smoke layer height at each exit under scenario A

与场景B、C、D不同,场景A中增设烟热监测器,布置在金属网栅四周高度3.5m处,如图2中的2所示。

从图5(a)现场采样值看出,热风机预热启动需400s,在1000s时温度已超过40℃;从图5(b)可以看出,在400s时温度已超过40℃,并在900s时达到50℃并维持至结束,这验证了数值模拟与实际测量均满足GA 942—2011《网栅隔断式烟热训练室技术要求》。

图5 场景A中Z=3.5m处现场与数值模拟升温曲线Fig.5 Heating curves of on-site and numerical simulation at Z=3.5m under scenario A

2.2 烟热机模拟局部火灾

(1)温度分析。从图6可知,场景B中各出口温度达到200℃的时间为100s,由于金属训练通道中有易燃物,排烟机运行会造成训练室中出现轰燃现象[10],使得温度波动较大,在这种温度条件下会对安全疏散造成极大困难。由图6(b)可知,在500s后各出口温度已超过45℃,对比图6(b)和图4(a)发现相同参数但不同的设备布局会影响各出口的最高温度。

图6 场景B、C各出口温度对比Fig.6 The temperature comparison at each exit under scenario B and C

烟气热流场分析。从图7(a)可知,在火灾初期,烟气聚集在火点上方、热量较为集中;从图7(b)可知,在300s时才能观察到热量集中在火点上方,最高温度达60℃。热风机可以模拟火灾初期的温度场但热流场体积明显小于真实火灾。一旦火灾进入蔓延期由于热风机布局固定,达不到真实火灾热流紊乱的效果。

图7 场景B、C烟气热流场Fig.7 The thermal flow field of smoke and gas under scenario B and C

(2)能见度分析。由图8(a)可知,场景B中的出口E、F在50s内能见度已经下降到2.5m,而距火点最近的出口G在近80s时能见度降到2.5m,是因为烟气受障碍物遮挡;由图8(b)可知,场景C的出口G在10s时能见度降到2.5m,在10s后出现波动是受机械排烟的影响,在50s时各出口的能见度低于2.5m。

图8 场景B、C各出口能见度对比Fig.8 The visibility comparison at each exit under scenario B and C

(3)烟气层高度分析。由图9(a)可知,40s时各出口烟气层高度降到1.5m。受机械排烟的影响,场景C中各出口烟气层高度仅小幅下降,始终维持在临界值2.5m以上,说明训练环境安全。

图9 场景B、C各出口烟气层高度对比Fig.9 The smoke layer height comparison at each exit under scenario B and C

(4)CO体积分数分析。由图10可知,各出口在100s时CO体积分数超过500×10-6(临界值),这对安全疏散造成极大影响;100s后CO体积分数上下波动且整体呈上升趋势,说明场景B中火点扩散,使得烟热室中的其他可燃物被点燃,火灾规模扩大。

图10 场景B各出口CO体积分数变化Fig.10 The volume fraction change of CO at each exit under scenario B

综上所述,合理布局烟热机能模拟初期火灾的热流效果,但不能模拟火灾蔓延时的热流效果。金属网栅训练通道中发生火灾时火灾蔓延较快,但烟气受阻力较大,热量较为集中。

2.3 场景D走廊火灾分析

场景D中各出口测点参数变化,如图11。具体分析如下:

图11 场景D各出口测点变化Fig.11 The change of each measurement point at each exit under scenario D

(1)温度分析。由图11(a)可知,出口F在50s时首先达到200℃(极限值),在250s时出口E、G超过或达到200℃。

(2)能见度分析。由图11(b)可知,距离火点最近的出口G,在6s时能见度急剧下降到2.5m;在18s时各出口能见度均降至2.5m以下。在短时间内能见度下降的原因是疏散走廊没有障碍物,烟气扩散速度快。

(3)烟气层高度分析,由图11(c)可知,出口F的烟气层高度在30s时降至1.5m;在50s时出口G、E也降至1.5m及以下,随后各出口的烟气层高度震荡下行。

(4)CO体积分数分析,由图11(d)可知,100s内各出口CO体积分数均超过500×10-6,175s后有小幅波动的原因是疏散走廊的可燃物少,火灾蔓延速度较慢,轰燃效果不明显。

综上所述,疏散走廊发生火灾时,因周围可燃物少、火灾蔓延较慢,轰燃引起的伤害较小,疏散时应远离着火点。

2.4 分析疏散时间

根据上述分析,综合考虑温度、能见度、烟气层高度及CO体积分数,取最早对人体造成危害的时间作为可用安全疏散时间。

(1)温度分布规律可以得出消防烟热训练室的热流路径,为安全疏散提供参考,也是判断训练队员是否可以安全疏散的重要参数,在场景B、D依次取100、50s为安全疏散时间。

(2)能见度主要影响疏散人员可视范围,距离火源点越近,能见度越能影响训练队员安全疏散效率,当能见度低于临界值时可能会引发踩踏事件造成人员二次伤害。考虑到能见度下降快慢与热释放速率的大小有关,在场景B、D依次取80、18s为安全疏散时间。

(3)因为消防员在训练时会配备防火装备,烟气层高度在场景B、D中依次取40、50s为安全疏散时间。

(4)长时间或过量吸入CO会导致人员体内O2含量降低,从而造成人员伤亡。在场景B、D中取100s为安全疏散时间。

场景B、D的可用安全疏散时间,见表4。

2.5 逃生疏散分析

(1)场景B金属网栅训练通道中发生火灾时,烟气层高度对疏散可用时间影响最大,安全疏散时间为40s,而数据显示E出口的温度先上升后下降,在紧急疏散时疏散训练队员或救援部队应选择E出口,灭火部队应选择F、G出口。

(2)场景D疏散走廊发生火灾时,能见度对疏散可用时间影响最大,安全疏散时间为18s,在紧急疏散时疏散训练队员或救援部队应选择F出口,灭火部队应选择E、G出口。

3 结论

通过分析烟热训练室发生火灾时的烟气层高度、温度、能见度及CO体积分数,得出如下结论:

(1)在518m3的主训练室中,6台15kW热风机能在40min内将室温升至40℃,6台3kW烟雾机能在20min内将能见度降低至2m。

(2)在金属网栅训练通道中发生火灾时,烟气层高度对疏散可用时间影响最大,安全疏散时间为40s,在紧急疏散时疏散训练队员或救援部队应选择E出口,灭火部队应选择F、G出口。

(3)合理布局烟热机能模拟初期火灾的热流效果,而模拟火灾中后期效果很差。若烟热机可随机变动位置则能实现热流紊乱效果,这能扩展烟热室模拟局部火点的功能。

(4)在疏散走廊发生火灾时,能见度对疏散可用时间影响最大,安全疏散时间为18s,在紧急疏散时疏散训练队员或救援部队应选择F出口,灭火部队应选择E、G出口。