廣州白云機場區域火災煙氣流動數值模擬

鄧偉雄,黃艷山,廖堅衛,陳小輝,周孝清

(1.廣東省建筑設計研究院,廣州,510010);2.廣州大學建筑節能研究院,廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室,廣州510006)

在建筑物受限空間的火災中,煙氣運動與火蔓延存在著復雜的相互作用。火的蔓延會產生大量的煙氣,煙氣是建筑火災中對人的生命安全構成巨大威脅的一個重要因素,煙氣的毒害性和減光性是造成火災中人員傷亡的主要原因[1]。統計結果表明,在火災中85%以上的死亡者是死于煙氣的影響,而其中大部分是吸入了煙塵及有毒氣體 (主要是一氧化碳)昏迷后致死的[2]。因此有必要對火災煙氣的氣流組織分布規律進行充分的研究,分析其對火場人員安全疏散產生的具體影響。

1 模擬計算區域

西指廊三層區域為一個防火分區,主要用于旅客候機大廳,設計滯留人數為0.5人/m2。各登機橋可作為疏散口。指樓三層有可能起火的地方主要是旅客通道一側的商店,其中的可燃物主要是商品。本文主要模擬在自然排煙條件下,西二指樓(見圖1)三層大空間煙氣流動特性及規律,確定自然排煙口面積對大空間煙氣層下降的影響規律,校核自然排煙口設計的合理性。同時對指樓的疏散時間進行分析,計算煙氣運動情況結果能否滿足指樓的疏散要求。

圖1 西二指廊三層平面圖

2 人員疏散分析

火災風險評估中的主要項目之一是評估建筑物內的人員在發生火災情況下的人身安全。

通常情況下,在出現火災等緊急情況時,建筑物中的人員都希望盡可能早地離開著火區,疏散到安全區。而實際上,由于火災環境和建筑結構的復雜性,在開始階段,人員往往不能迅速地察覺火災并做出反應,只有等到火災報警系統動作或者火焰和煙氣由起火區向非起火區蔓延,火勢擴大時人員才能發現火災并開始疏散,但是由于火災煙氣的迅速蔓延將嚴重妨礙建筑物內人員的逃生行動,火場中的人員往往不能理智地選擇最佳疏散路徑加以疏散,從而使人員生命和財產遭受重大損失。下面根據指樓的總體建筑特點和客流量數據,計算在最不利情況下,不同人員疏散方式所需要的時間,為候機樓內人員疏散方式的選擇提供科學依據。

2.1 疏散方式

西指樓的疏散口較多,包括從連接樓到指樓的入口和各個登機口。但是登機口的情況較為復雜,為安全起見,分以下兩種情況進行疏散計算:情況①只從登機通道盡頭的疏散樓梯疏散;情況②只從連接樓到指廊的入口疏散,入口寬度10m。

2.2 疏散行動時間預測分析

候機樓內各區域疏散行動時間計算將主要由最大步行時間和出口排隊時間兩方面組成,若疏散時出口排隊時間大于最大步行時間,則疏散行動時間將主要由出口排隊時間決定,即航站樓內的大量人群疏散將主要受到排隊效應的影響。若將平均步行速度確定為1 m/s,情況①中候機樓內的最大疏散距離取80m,則最大步行時間應該為80s,情況②中候機樓內的最大疏散距離取265m,則最大步行時間應該為265s,兩種情況中出口寬度人員流量參系數設定為1.5(人/m·s)的寬度[3],計算結果見表1。

表1 疏散行動時間計算結果

情況①只從登機通道盡頭的疏散樓梯疏散,考慮登機口到地面的臺階的影響,這可由下面公式計算人員下臺階所用時間[4]:

式中:s為樓梯的長度,取30m;R為樓梯階高,取0.2m;B為樓梯階寬,取1.2m;v為人員下樓梯速度,取0.915m/s。

通過上式計算得到人員下樓梯的時間為 T2=60s。時間T3是指從人員得到火災信號到開始疏散行動時間,本文中設定為30s。因此,情況①層疏散時間則為30+60+307=397s,情況②則為276+30=306s。

3 煙氣對人員疏散影響的數值模型

3.1 計算模型

場模擬是利用計算機求解火災過程中狀態參數的空間分布及其隨時間變化的模擬方式,場模擬的理論依據是自然界普遍成立的質量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學反應的定律等。火災過程中狀態參數的變化也遵循著這些客觀規律,上述方程也就構成煙流三維模型方程組,再引入雷諾時均化、紊流粘性等參數構成封閉可解析的方程組。本文利用計算流體軟件PHEONICS對其進行非穩態模擬計算,模型外觀如圖2所示。

圖2 計算模型外觀圖

3.2 參數設置

(1)初始條件:

火災發生前,室內溫度 t內=26℃,室外溫度t外=33.5℃,且無煙氣產生。

(2)火災火源設定條件:

三層有可能起火的地方主要是旅客通道一側的商店,其中的可燃物主要是商品,根據美國NIST的實驗數據和BSI標準中列出的最大熱釋放速率可用于火災安全設計 (表2),取火災點的燃燒強度500kW/m2。在模擬計算時,采用一種較為不利情況進行模擬,即起火的商店在指廊的端頭附近,這樣有一側的煙氣擴散會受到限制。

表2 火災發展速率和最大熱釋放速率

(3)人體控制參數:

在大尺度空間內隨著煙氣不斷上升或者蔓延到遠離火源的地方時,煙氣溫度大大降低,容易發生局部沉降,造成煙氣層表面并非十分平整,此時,在確定煙氣層危險高度時,應該考慮頂棚高度和空間面積的影響而作相應調整,本文建議采用下面的計算公式,該公式只考慮了頂棚高度的影響[5]。

式中:Hd為危險高度 (m);Hp為人體的平均身高 (m),本文取1.6m;Hc為棚的高度 (m),本文為14m。

通過計算可以得到疏散危險高度為3 m。

(4)排煙條件:

指樓屋頂中部是天窗結構,在消防上作為自然排煙。天窗長度為200m,高度從中間到兩側由1.8～0.5m不等,排煙口的面積取地面面積的1%為82m2,排煙口高度從8～15m不等,火災發生時假定排煙口與疏散口同時開放。

(5)煙氣層界面的判定:

根據中國科技大學火災科學國家重點實驗室的實驗研究表明,取煙氣的折光率30%左右為煙氣層的邊界是合理的,本文取中心煙氣濃度的5%這一保守值作為煙氣層的邊界。

4 煙氣模擬結果分析

(1)三層商店著火失控后,西二指樓三層旅客通道和候機廳人員疏散到室外為止的397s后的煙氣高度為 8.1m,煙氣溫度95℃,離危險高度(3.0m)還有很大的高度 (見圖3)。到1000秒時煙氣層的高度還在3m以上,這樣有利于消防撲救的開展。

圖3 西二指樓煙氣模擬結果

(2)候機大廳屬于大空間建筑,室內有較充足的冷空氣補充,同時自然排煙天窗在60s時就已經向外排煙 (見圖4),使得煙氣上升較快。但煙氣在建筑內上部空間受限,所以建筑上部空間的溫度升高很快,但3m以下的空間溫度升高不是很大,到了1000s時80℃的等溫曲面最低點才到離地3m的位置 (見圖5)。如果考慮機場的消防自救能力,在火源蔓延受到有效遏制 (墻和防火簾等)情況下,因高溫氣煙侵襲而引燃臨近商店的可能性較小。

圖4 候機廳60s時煙氣層情況

圖5 1000s時80℃煙氣等溫面位置

煙氣層在商店火災失去控制后有較大的水平擴散空間。模擬火源點是在指樓的一端,該側煙氣水平擴散受到限制,煙氣下降比較快,在1000s后這一側的登機通道才開始有煙氣涌入(見圖6)。候機廳由于空間大,有一定的蓄煙能力,且排煙窗在60s時就開始向外排煙,這樣自然排煙天窗在人員疏散前有效的控制了煙氣層的高度和溫度,所以自然排煙的方式和排煙口的位置和大小都能很好的滿足消防要求。

圖6 1000s時煙氣層情況

(3)圖7是火源點最近排煙口數據圖,從中可以看出電動百葉自然排煙口在火災過程中的工作狀態。隨著火災時間和強度的增加排煙風速和濃度也快速增加,到了1000s(17分鐘左右)風速可以達到6m/s之多,濃度達到50%左右。所以排煙口的排煙效果十分明顯。由于三層的外圍護結構主要是幕墻結構,內部有金屬面板。玻璃材料在溫度超過100℃后,很容易會引起破碎而從高空墜落,傷到地面上的人員。圖7排煙口數據中可以看出到達600s(10分鐘)時,排煙口的煙氣溫度已經超過了100℃,玻璃很可能會發生破碎。

圖7 火源點最近排煙口數據曲線

5 結論

本文首先對新白云機場西二指樓人員疏散進行了預測分析,然后利用PHOENICS軟件對候機廳內的煙氣流動進行模擬研究,并分析了電動百葉自然排煙口對人員安全疏散的影響,得到以下結論:

(1)制定詳細而妥善的疏散計劃,保證人員疏散安全。

只從登機通道盡頭的疏散樓梯疏散和只從連接樓到指樓的入口疏散這兩種方式應該結合起來,當火災發生時由專人進行有組織的疏散,避免疏散造成擁擠,堵塞疏散通道。特別是前一種疏散方式中由于登機通道狹窄,應該加強疏散的管理,以免造成人員踩踏。在火災發生時,最好能及時將登機口與地面之間的臺階換成斜坡,這樣能夠減小疏散時間。

(2)通過數值模擬分析,可以發現候機廳的大空間具有很大程度的蓄煙能力,使得煙氣不會在短時間內下降到危險高度,對人員危害較小。大空間頂部合理的安裝電動百葉自然排煙口,可以在疏散時間內保持足夠的煙氣高度,不需要另行安裝大功率機械排煙設備。減少防火投資,增加商業建筑的經濟效益。

(3)鑒于玻璃在高溫條件下易發生破碎的特點,大空間的玻璃幕墻和屋頂應特殊處理,提高玻璃發生破碎的溫度值,這樣在很大程度上增加可用的疏散時間。

(4)通過實驗室測量火災發展數據的難度較大,而計算機模擬是試驗方法的一種補充。

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