姚晓雨，李铁
（北京科技大学土木与环境工程学院，北京10008）
摘要：高校教研楼潜在火灾源与高密度人流共存，火灾逃生疏散是保障灾后人身安全的重要环节。为探索火灾逃生疏散最优逃生条件，应用流体动力学分析软件FLUENT，数值分析防火分隔导致多种通风方式的起火分区温度、烟气场分布规律，研究火场逃生疏散的最优通风方式。结果表明，火灾初期开启防火分隔设施更有利于人员逃生疏散；关闭防火分隔设施条件下，防排烟系统开启略优于关闭；研究背景条件下，开启防火分隔为逃生疏散最优方案；火灾后关闭防火分隔设施可以控制火灾蔓延，降低财产损失，但应在确保人员安全疏散后进行。
关键词：火灾；逃生疏散；防火分隔；通风方式；FLUENT
0 引言
高校教研楼集实验、研究和教学为一体，潜在火灾源与高密度人流共处多层多室建筑物内。火灾发生后，科学阻断火场空间、采取有效通风和人群疏散，对安全工作至关重要。对此，应以正确认识起火区域温度场和烟气场扩散规律为基础。相关研究的报导可见，赵轶运用FLUENT对不同火灾强度及通风情况下地铁火灾烟气开展数值模拟，并证实在卷帘门全部开启情况下，以60 m3/S送风可达到人员安全疏散；谭斌构造混合湍流模型，模拟火场烟气浓度和温度，证实混合湍流模式在火灾模拟中的实用性；黄瀚锋运用FDS对中庭教学楼火灾烟气流动进行模拟认为自然排烟口状态和人员疏散方式二者共同影响人员疏散，且在自然排烟口关闭时，中庭起火最危险。张勇运用FDS模拟热释放速率为6 MW的火源点分别在教学楼的一楼、中间层和顶楼时，200、300、400 s后对人员安全够成威胁。科技文献检索显示，关于高校教研楼火灾方面的研究较少，大部分学者关于火场的数值模拟较为广泛采用软件FDS，且未涉及防火分隔阻断火灾蔓延后，起火分区的流场特征。本文将研究对象聚焦于高校教研楼，使用流体软件FLUENT，数值分析防火分隔导致多种通风方式的起火分区温度、烟气场分布规律，研究火场逃生疏散的最优通风方式，为火场逃生疏散提供技术支持。
1 研究背景
本文以北京某高校教研楼8层为研究对象，该教研楼为“L”形，钢筋混凝土钢架结构，教研楼平面如图1所示，中部为两部电梯，1、2、3为防烟楼梯间，4、5为防烟前室，6为配电室（强电），7为防火卷帘，8、9为排烟口，10为正压送风口。每楼层尺寸50 mx43 mx3.3 m。
教研楼潜在火灾源复杂，本研究取危险性最高的配电室火灾源，即假设8层发生配电室火灾，分3种情况讨论火灾温度、烟气在该层走廊内的分布规律：①火灾发生时，防火门防火卷帘保持平时的开启状态，即4、5防烟前室的两道防火门和7防火卷帘均处于开启状态；②火灾发生后，防火门、防火卷帘均关闭，有防排烟系统作用；③火灾发生时，防火门、防火卷帘均关闭，无防排烟系统作用。
2 基于FLUENT的不同通风方式对起火分区温度及烟气的数值模拟
2.1 相关参数选择及简化
由于火灾起因及发展过程的复杂性，为利于模拟分析，对火灾模型相关参数的选择及简化如下。
2.1.1 火源选择及简化
本文选择走廊中部配电室（强电）作为起火点，是因为该配电室处于走廊中部，对整个区域有影响，且配电室火灾呈爆炸型，危害较大。将配电室火源简化为高温烟气，代替烟气流动中的能量交换。
2.1.2 烟气浓度求解的简化
火灾过程中，烟气对人体的危害不容忽视，但烟气成分复杂，为了简化分析，假设火灾过程只发生完全燃烧，燃烧产物C02。
2.1.3模拟时间选择
本文监测走廊内温度及烟气的时间点设定为教研楼8层人员疏散所需时间246s。
2.2模型选择
本文选择教研楼8层为研究对象，属3D空间；求解与时间有关，非稳定流动时间点为246 s；问题对求解精度要求不高，选择一阶隐式求解；湍流模型取应用广泛的标准控制方程；辐射模型取适用于大空间气体辐射的Rosseland辐射模型；选取输运方程，且组分仅有空气和CO2，不考虑流动过程中的化学反应。
2.3边界条件设置
1)速度入口
速度入口有两类，分别是高温空气和冷空气入口，前者为配电室爆炸型火灾导致高温空气冲向走廊，设置800 K，3m／s；后者为自然通风作用，设置300 K，0.2m/s。
2)壁面边界
由于教研楼为钢筋混凝土结构，则有关壁面参数设置如表1。
3)压力出口
出口边界设置为压力出口，适用于有回流现象的情况，参数采用默认设置。
4)防排烟系统
由该教研楼暖通相关施工设计数据知，主要的送排风设备数据如表2。排烟口面积630 m×800 mm，求得排风速度4.2 m/s。送风口面积500 m×850 mm，求得送风速度1.3 m/s。
2.4 危险的判定依据
为有利于分析，如图2将走廊划分A~E共5个区域。其中C、D的分界点为805、807两房门中点(x=26.8 m)。依据如下温度、CO2浓度准则，判定各区域安全情况。
2.4.1 温度准则
人体对高温烟气的忍受时间取决于烟气温度，温度越高，人体的可承受时间越短。取人眼特征高度1.5 m，当此高度横截面上的烟气温度达180 cC(453 K)时，即对人体构成威胁。
2.4.2 CO2浓度准则
火灾烟气中，CO2浓度约为CO和SO：的10倍，当CO2的浓度占到4.5%时即达到危险状态，相应的烟气为5.5%。
3模拟结果及分析
3.1 防火分隔设施未关闭
在火灾发生时，防火门、防火卷帘未关闭，且保持平时的开启状态。本文取该地区全年主导风向中的北风作为模拟风向，模拟结果分析如下。
走廊温度分布如图3，最高575 K，最低298 K。A、E两区温度几乎不受影响，维持在298 K左右；B区由于自然通风作用，温度在320一500 K；C区靠近火源，平均温度高于其他区域，在380—560 K；D区温度分布较均匀，在340—400 K。危险区域为B、C两区域，人员疏散最好选1、3楼梯间。走廊温度分布比例如图5，其中，危险区域(T>453 K)占4%。
走廊CO2浓度分布如图4所示，最高0.08，最低1. 91e。A、E区CO2浓度几乎不受影响，维持在0. 000 4以下。B区由于自然通风作用，CO2浓度在0. 012~0.056；C区靠近火源，CO2平均浓度高于其他区域，为0. 012~0.08；D区CO2浓度分布较均匀，在0.012左右。危险区域为B、C两区域，人员疏散最好选1、3楼梯间。走廊CO2浓度分布比例如图6，其中，危险区域（CO2浓度>0.045）占2.4%。
3.2 防火分隔设施关闭
在火灾发生时，防火门、防火卷帘均关闭。分情况分析走廊温度及CO2浓度分布：①无排烟，即走廊处于封闭状态，不开启任何防排烟系统。②开启防排烟系统，即为达到排烟通风的目的，开启10送风口和8、9排烟口，模拟结果分析如下。
3.2.1 无排烟
走廊温度如图7，最高633 K，最低298 K。除E区温度几乎不受影响外，其他区域均受配电室火灾影响，C区平均温度最高，在420~ 633 K；A区温度在320—460K；D区温度在320~ 400 K。危险区域为A、C两区域，人员疏散最好选1、3楼梯间。走廊温度分布比例如图9，其中，危险区域( T>453 K)占26. 1%。
走廊CO2浓度分布如图8，最高0.08，最低1.99e -10。D、E两区CO2浓度在0.012以下，A区CO2浓度为0. 012~0.052；C区CO2浓度为0.012~0.08。危险区域为A、C两区域，人员疏散最好选1、3楼梯间。走廊CO2浓度分布比例如图10，其中，安全区域(CO2浓度>0. 045)占10%。
3.2.2 开启防排烟系统
走廊温度如图11，最高645 K，最低298 K。除E区温度不受影响外，其他区域均受配电室火灾影响，C区平均温度最高，为420~ 645 K；A区温度在320—500 K；D区温度在320—420 K。危险区域为A、C两区域，人员疏散最好选1、3楼梯间。走廊温度分布比例如图13，其中，危险区域（T>453 K）占24.4 %。
走廊CO2浓度分布如图12所示，最高0.08，最低5. Se -7。A区CO2浓度0.004—0.044；C区CO2浓度为0. 004~0.08；D区CO2浓度为0.004~0.012；E区CO2浓度在0.004以下。危险区域为C区，人员疏散最好选1、3楼梯间。走廊CO2浓度分布比例如图14，其中，危险区域（CO2浓度>0.045）占9.3%。
4 通风情况对起火分区的影响
本文通过FLUENT数值模拟，依据温度、CO2浓度准则，判定A~C五个区域是否危险，得出火灾发生246s后，不同通风情况下危险区域对比表3，并通过分析危险区域比例，对比不同通风情况的优劣。
由表可知，防火分隔设施未关闭的起火分区的危险区域比例小于防火分隔设施关闭。且在防火分隔设施关闭情况下，开启防排烟系统的起火分区的危险区域比例小于未开启防排烟系统。即有，从温度分布的危险区域比例考虑，不同通风对起火分区的影响排序：防火分隔设施未关闭优于关闭；防火分隔设施关闭情况下，开启防排烟系统优于未开启。同理，从CO2浓度分布的安全区域比例考虑，不同通风对起火分区的影响排序：防火分隔设施未关闭优于关闭；防火分隔设施关闭情况下，开启防排烟系统优于未开启。
5结论
1)火灾初期，开启防火分隔设施，有利于人员疏散；关闭防火分隔设施，可控制火灾蔓延，但不利于人员疏散。后者情况下，防排烟系统开启优于关闭。
2)该教研楼若8楼配电室（强电）起火，最优方案为开启防火卷帘及防火门，待该区域人员全部疏散后，才可关闭。其中，人员疏散应选l、3楼梯间。
3)从不同防火分隔条件分析人手，通过分析通风方式导致的分区危险程度，优选逃生疏散方案，该途径可行。
4)本文选取高校教研楼为研究对象，对相似功能和条件的场所具有一定的普适性。
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