典型结构走廊火灾烟气流场的数值模拟研究*

     作者:汤  静，石必明，陈  昆

    （1．安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001：

    2．安徽理工大学  电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

    摘要：选取条形、L形、T形和环形走廊4种典型建筑结构为研究对象，使用火灾模拟软件FDS对4种典型结构的走廊发生火灾时的烟气流动规律进行了分析。初步得出建筑结构    对于火灾烟气的流动和温度分布的影响：对于有封闭转角处的L形和环形走廊，转角处受到建筑封闭结构的阻碍和反浮力作用，热烟气易积聚；而无论何种形式的走廊，都会由于壁面限制和反浮力作用造成走廊末端热烟气的积聚；T形走廊交叉口处流通性较好，相对安全；这些容易造成烟气积聚的走廊转角和走廊末端的温度也会有所上升，而现在很多连接走廊的疏散楼梯都设置在走廊两端，反而不利

    于人员疏散。因此这些地方应引起重视，加强防火排烟措施。

    关键词：建筑火灾；不同走廊结构；烟气流动；数值模拟

    中图分类号：X932    文献标志码：A    doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2015. 10. 006

    0  引言

    建筑物走廊型通道作为建筑物的重要组成部分，是火灾发生时人员逃生的重要路径，发生火灾时，烟气经过门窗进入走廊，扩散蔓延至整个建筑物，严重妨碍人员疏散和消防救援工作。而现代建筑形式丰富，不同的建筑结构决定了不同的走廊形式。目前我国的走廊结构主要有以下几种：条形、L形、T形和环形。本文采用场模型软件FDS对上述四种建筑走廊火灾进行模拟，得出不同走廊结构下烟气迁移规律，对建筑通风排烟系统的设计，人员安全疏散设计，减少火灾造成的人员伤亡和财产损失等具有重要意义。

    1  火灾模拟场景设定

    本文模拟计算采用美国国家标准技术研究院National Institute of Standards and Technology( NIST)开发的火灾动力学场模拟软件FDS进行模拟。为了研究走廊结构对烟气的影响，本文根据目前常见建筑的设计要求建立了条形，L形，T形和环形4个物理模型，标准层高3m，走廊宽为2.Om，起火房间均选取走廊一端，最不利的位置。除结构外，其他工况条件一样。通风口均设置在火源房间最左侧，模拟网格边界位置，大小均为2m×3m =6 m2，风速为一般室内风速0.3 m/s。4个建筑模型使用相同燃料，均属聚氨酯反应，其火源功率均为2000kW，模拟时间为600s。平面图如图1所示。

    2模拟结果分析

    2.1  不同走廊结构对温度的影响

    火灾烟气温度可高达几百度，人体对高温烟气的抵抗是有限的，在65℃时，可短时忍受；在120℃时，15min内可产生不可恢复的损伤；在140℃时，可以忍受5min；在170℃时，只能忍受1min,温度再高些，就会导致心率加快，肌肉痉挛，产生强烈的疼痛感以至于出现休克。图2—图5给出4种结构走廊火灾发生300s时人眼高度(1.6m)处温度分布图。

    从模拟的温度切片图中可以看出，条形走廊由于结构单一，烟气流的扩散没有受到建筑结构的阻碍，热烟气流在无阻碍的空间内能迅速传播，烟气温度随着远离火源而不断降温，距离火源5m处迅速降至150℃以下。走廊尽头，由于壁面限制和热烟气的卷吸，温度有小幅上升，上升约10℃。

    L形走廊a段中，烟气温度随着远离火源而不断降低直至150℃以下，运动到L形拐角25m处，受到建筑封闭结构的阻碍，热烟气流堆积，温度上升了约50℃，越过拐角b段烟气温度又持续下降，最终降至100 ℃。所以拐角处温度上升显著，应做好相应降温排烟措施。

    T形走廊中，a段烟气温度分布规律类似条形，随着远离火源不断降温，a、b段交汇处由于b段的分流和冷空气的冷却，温度降低了约20℃。运动到走廊尽头，由于壁面限制和烟气的卷吸，温度有小幅上升，上升约lO℃。

    环形走廊中，由于建筑结构复杂，温度曲线出现了较为明显的4个峰值，着火点附近对应了1、4两个最高点。图中25m处和67m处出现温度上升幅度高达20℃的现象，而这两点正是受到建筑封闭结构的阻碍，热烟气的堆积，对应的是环形结构的两个拐点。45m处由于自然通风口的作用热烟气扩散，温度没有显著升高。所以环形走廊的转角处易形成危险区域，应引起重视。

    2.2  不同走廊结构对烟气层高度的影响

    统计表明，火灾中80 %以上的死亡者是由于吸入了毒性气体而昏迷致死的。利用FDS模拟软件计算“LAYER_HEIGHT”这一参数（其实贡是在计算完整个模拟空间各点的温度场分布后采用积分比值法算得。）得出不同结构对烟气扩散有明显的影响。

条    形走廊中，可以看出烟气在火源附近出现先下降后上升再下降的现象，这是由于火羽流对走廊左侧通风口进入冷空气的卷吸使羽流在上升过程中产生反锥形扩散。烟气不断上升，当到达房间顶部时，热烟气积聚在水平顶棚下，达到一定厚度便沿顶棚水平运动，形成顶棚射流，上层烟气不断积累从而形成热烟气层。当热烟气到达房间墙壁时，会受到墙壁的阻碍作用而向下运动，形成反向的浮力流二其他结构走廊情况类似。下文中将不一一赘述。另外，在条形走廊中，由于烟气扩散没有受到结构的阻碍，顶棚蔓延的烟气在走廊末端封闭挡墙处沿壁下流，形成反浮力壁面射流，造成烟气在走廊末端积聚。因此高浓度烟气区域不在着火房间附近，而在走廊尽头，所以走廊疏散楼梯可以设置在距离走廊末端3~5m处，烟气层高度较高，利于人员疏散。

    L形走廊中，在25m拐点处，烟气运动受到建筑结构的阻碍，烟气层高度降至1m。越过拐点烟气层高度又逐渐回升。因此L形走廊除在走廊末端，还会在走廊转角处，造成烟气积聚，烟气层高度降低，形成危险区域。见图8。

    T形走廊交叉处，由于b段走廊新鲜空气的补入和热烟气的分流，烟气层高度上升了约0. 2m。烟气运动到a段45m和b段20m处烟气层高度由于顶棚蔓延的烟气在走廊末端封闭挡墙处沿壁下流，形成反浮力壁面射流，造成烟气在走廊末端积聚。所以T型走廊交叉处烟气层高度较高，相对安全，而走廊两端是危险区域。见图7。

    环形走廊中（由于着火房间位于走廊内侧，通风口设置在外墙，距离火源较远，所以层分区设备监测到的起始烟气层高度低于其他结构走廊）由于结构的特殊，烟气层高度出现了明显波动，图9中25m处烟气层高度降低，即a和b段拐角处。45m处烟气层高度明显降低，即b和e段拐角处，越过拐角由于自然然通风口的设置，烟气逃散，烟气层高度迅速回升。走廊内滞留的烟气越过通风口继续运动至68m处，再次降低至约1m。90m附近走道处有一个侧面开窗，用于新鲜空气的自然补气，因此在这个位置的烟气层高度会在窗子位置出现升高。所以环形走廊除在封闭挡墙处外，还会在走廊转角处，造成烟气积聚，烟气层高度降低，形成危险区域。虽然环形走廊结构上对称，但是因为具体排烟通风设施的设置不一定对称，所以烟气蔓延规律也是不完全对称的。因此在以后的防烟排烟措施的设置上需要进一步研究。

    4结论

    笔者对现在4种典型走廊结构进行了火灾模拟，从走廊火灾温度和烟气层高度两个角度分析了建筑结构对火灾烟气流动的影响。得出以下结论：

    1)不同建筑结构对火灾情况下烟气层温度分布影响明显，由于烟气层与壁面边界及下部冷空气间的传热，烟气层的平均温度及与下层冷空气的浮力差随着与火源距离的增加而衰减明显。而当烟气运动到走廊尽头，都会由于壁面限制和反浮力作用造成热烟气的积聚，人眼位置(1.6m)温度回升。条形走廊烟气层温度分布平缓下降，走在走廊末端由于热烟气积聚有小幅上升。T形交叉处由于烟气的分流和冷空气的冷却，温度会有所降低，相对安全。而对于L形和环形走廊的封闭转角，受到建筑封闭结构的阻碍，热烟气堆积，温度上升，不利于人员疏散，形成危险区域，应引起重视。

    2)4种结构下，烟气层高度在火源附近都会由于顶棚射流的原因出现先下降后上升再下降的现象。随后顶棚蔓延的烟气在走廊末端封闭挡墙处沿壁下流，形成反浮力壁面射流，造成烟气在走廊末端积聚。相对于结构单一的条形走廊，L形、环形走廊除在封闭挡墙处外，还会在走廊转角处，造成烟气积聚，烟气层高度降低，形成危险区域，应当引起重视，做好相应的排烟措施。而T形走廊的交叉口处，烟气流通性较好，危险性较低。

    3)现在很多建筑物内的安全出口或疏散楼梯都设置在走廊末端，本文通过模拟发现，发生火灾后，烟气容易在走廊末端积聚，形成危险区域。所以笔者认为，安全出口或疏散楼梯应该设置在距离走廊末端3~5m处，更有利于人员疏散。