中智地下车库火灾烟气流动规律数值模拟分析*

  吕  辰1，吴宗之1，2，王天瑜1，胡馨升1

 （1．中国矿业大学<北京>资源与安全工程学院，北京100083；2．国家安全生产监督管理总局，北京100730）

摘要：随着我国城市化进程的快速发展，地下建筑得到了充分的开发和应用。但是，由于这些地下建筑物具有封闭性强，自然通风条件较差，人流密集度高等特点，一旦发生火灾极易造成群死群伤重特大恶性事故。运用火灾动力学、烟气控制理论和有限元方法，对淮南中智大型地下车库不同条件下火灾烟气流动规律进行了数值模拟研究。结果表明：建筑喷淋系统对火灾抑制效果明显，但对火灾烟气控制会产生较为不利影响，有时会造成疏散出口处能见度下降20%~ 30%，且在一些半封闭区域内形成烟气集聚，不易被排出，从而对火灾遇险人员安全疏散产生不利影响。

关键词：地下车库；火灾烟气；数值模拟；人员疏散

中图分类号：X932   doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 020

0  引  言

  随着我国城市化进程的快速发展，大量市政地下工程设施逐渐趋于大型化和综合化，一些地下车库、地下商场、地铁等相继开工建设，地下空间得到了充分的开发和利用。但是，由于这些地下建筑工程具有建筑结构封闭性强，建筑结构复杂，自然通风条件较差，火灾荷载大，人流密集度高等特点，因此，一旦发生火灾，很容易造成群死群伤重特大恶性事故。同时，地下建筑物在发生火灾时，由于热释放速率高、蔓延快，伴随产生大量的有毒高温烟气，使得遇险人员逃生能见度急剧下降，疏散、救援难度相应增大。因此火灾时产生大量的有毒高温烟气，如不能得到及时有效的控制，往往会迅速蔓延到与之相连的地下、地面建筑，造成更大的危害。所以，地下建筑物火灾的高风险性，使人们不得不对地下建筑火灾烟气控制技术进行深入的研究。

1  地下建筑火灾烟气流动分析理论与技术

  地下车库火灾是一个受限燃烧过程，火灾烟气蔓延是由浮力、气体膨胀、通风等多因素共同作用的结果，其主要驱动力是由热烟气与环境空气温差所产生的浮力。美国国家标准与技术研究所在大量试验基础上，研究建立了火灾浮力驱动的低马赫数流动的纳维尔一斯托克斯(N -S)方程，用此方程来计算分析火灾烟气流动和热传递过程，并在此基础上开发了基于场模拟的火灾动力学模拟软件FDS，其中采用的SMOKEVIEW后处理技术可以将FDS的计算分析结果可视化，以便人们更加直观了解和认识火灾烟气流动蔓延过程，目前此技术在火灾研究领域得到了较广泛应用。

  FDS采用的纳维尔-斯托克斯(N -S)方程，在计算火灾燃烧过程中主要考虑了温度及密度的变化，其基本控制方程组如下：

  1)组分输运公式：

  式中：y i表示燃烧气第i组分气体的质量分数；Di表示第i组分气体的扩散系数，m2 /s,而”表示第i组分气体单位体积生成率，kg/( m3．s)；t表示燃烧时间，s；p表示燃烧生成气体的密度，kg/m3；u表示气体的流速，m/s。

2)质量守恒公式：

  式中：p表示气压值，Pa; f为外力值的大小，kg/( m2．s)；丁表示粘性力大小，kg/( m2．s)；g为重力加速度，kg．m／s2。

4)理想气体状态方程：

  式中：T表示气体温度，K；M表示气体摩尔质量，kg/mol；R表示气体常量。

2  实例分析

2.1  地下停车场总体概况

  淮南中智高层居民楼地下大型车库，东西长173.7m，南北宽142.8 m，层高3m，设计停车位530辆，分别在西南角和东北角设置2个汽车进出口，整体地下建筑结构呈长方型。中智地下大型车库共设有5个防火分区、10个防烟分区，其总体布置如图1所示。地下车库日常以停放居民私家车辆为主，由于车内含有大量的可燃性装饰材料和易燃易爆的燃料性物质，所以地下车库火灾风险性较高。在地下车库防火分区之间除了安装有防火门、防烟卷帘等阻火、隔烟设施之外，还在地下车库的顶部设有机械排烟口和喷淋装置。

2.2模型建立

  为简化计算，本文选取最具代表性的第二防火分区作为研究对象，如图2所示。该防火分区南北长64.8m，东西宽44 m，层高3m，设计车位45辆。在第二防火分区里设有内疏散通道门4个，通往地面出口1个；设有机械排烟系统，排烟口沿通风管道两侧均匀布置，当发生火灾时机械排烟系统开启，总排风量设计为全面换气6次／小时，灭火及控制火势蔓延采用闭式喷淋系统，每个喷头默认开启温度为74℃，喷头位置均匀布置在停车位区域的上方。根据第二防火分区工程图，按照1:1的比例建立第二防火分区FDS模型图，如图3所示。

2.3  模拟工况条件的设置

  假定火灾火源点位于第二防火分区地下车库的中央部位，火源功率设定为20 MW，并采用与实际较为相符的t2快速火灾模型，用此来反映该处汽车油品泄漏，遇明火燃烧，相继引起车辆燃烧的情形。并针对喷淋系统和机械排烟系统相互作用关系，设定：①喷淋系统和机械排烟系统均不开启的情况；②机械排烟系统开启，喷淋系统不开启的情况；③机械排烟系统和喷淋系统均开启的情况，此3种不同运行工况条件。见表1。

3  结果分析

3.1  机械排烟系统开启对地下车场火灾烟气温度 的影响

  在工况1、工况2条件下，着火点上方3m处温度变化曲线如图4所示。通过温度变化曲线对比分析可知：在122 s之前的火灾燃烧初起阶段，工况2的温度上升速率较工况1的快，这是因为地下车场初起阶段火源点燃烧属于富氧燃烧，供氧量的大小对火焰燃烧速率影响较大。随着机械排烟系统的开启，导致进气量增加，使火灾燃烧更加剧烈，烟气温度也迅速增高。但在122 s以后，随着机械排烟系统不断排出大量烟气的同时，也带走了大量的热量，所以，工况2温度曲线开始变缓，并维持在600℃左右，且始终低于工况1温度曲线。

3.2  喷淋系统开启对地下车场火灾烟气温度的影响

在工况1、工况3条件下，着火点上方3m处温度变化曲线如图5所示。通过温度变化曲线对比分析可知：在火灾燃烧初起阶段，工况3的温度上升速率较工况1的快，但在50 s以后，在排烟系统、喷淋系统开启的作用下，带走的热量大于火灾燃烧产生的热量，使工况3的温度曲线有一个明显的下降过程，最终稳定在450℃左右，且低于工况1、工况2的温度曲线，对火灾发展产生了一定的抑制作用。

3.3不同工况条件下对地下车场能见度的影响

  在不同工况条件下，内疏散通道门1和进出口离地面高1.6 m处能见度变化曲线，如图6、图7所示。由能见度变化曲线对比分析可知：在门1处，尤其是在进出口处工况3条件下能见度值小于工况2，平均下降20%~ 30%，而在工况1条件下能见度值最低，说明排烟系统开启有助于火灾烟气的排出和提高疏散出口的能见度，而喷淋系统开启产生的水雾会对火灾烟气产生冷却作用，使烟气层高度降低，对排烟造成一定的阻碍，从而导致能见度值减小。

  同时，通过工况3条件下车场内能见度分布图(见图8)还可以看出：在第二防火分区的一些半封闭区域内，如通风机房旁、靠近墙边的拐角区域，能见度值普遍较低。因为在这些区域空气流动不畅，存在着大量的涡流区，致使烟气集聚不易被及时有效排出。因此，在建筑防火设计时，应尽量避免这类半封闭式建筑结构的使用。

4  结论

  1)地下车库配备的自动喷淋灭火系统，对地下车场火灾灭火降温会起到一定的作用，但对火灾烟气控制和疏散通道能见度会存在一些不利影响。

  2)在建筑防火性能化设计中，应该尽量避免半封闭式建筑结构。对无法避免的半封闭式建筑结构应采取特定的排烟措施，合理设置进出风口位置及排烟气流组织，防止火灾烟气大量聚集。

  3)本文基于FDS数值模拟软件对地下车库火灾烟气流动规律进行了研究，模拟结果常常受对模拟软件的了解程度以及各参数设定是否合理的影响，因此为使研究结论更加贴近实际，今后将对现场实验部分进行补充。