基于FLU ENT的電梯井火災煙氣蔓延模擬分析

王黎斌 周俊堅 舒立瓊

（1.杭州市特種設備應急處置中心 杭州 311200）（2.杭州市特種設備檢測研究院 杭州 311200）

1 引言

隨著我國經濟的發展及城市化進程的加快，電梯保有量近年來成幾何級數增長，據2017年全國特種設備安全狀況通報，我國電梯數量已達562.7萬臺，電梯已成為生產生活中的必備交通工具，對其使用安全性的研究具有非常重要的意義。高層建筑由于其內部豎井、火災載荷大、人員密集的特點，一旦發生火災，火災將迅速蔓延，人員疏散困難，由于電梯產品設計及土建結構原因，電梯井道及轎廂均不具備防煙排風功能。根據現有規范標準，除消防員電梯外，其余電梯均無法保證在火災情況下安全運行。因此，在未配備消防員電梯的建筑內，研究如何在火災發生時利用電梯高速、高效的輸送特點進行人員疏散，是一項具有極大應用前景的研究課題。在2006年，公安部上海消防研究所和上海市特種設備監督檢驗技術研究院召開了“高層建筑火災情況下使用電梯疏散可行性研究”論證會，并在會上提出了利用電梯進行火災疏散的設想[1]。

在對電梯疏散可行性研究中，主要存在電梯供電、耐高溫、防火、防煙、控制等各方面問題。其中，煙氣是火災中最大的一種危害，且煙氣具有蔓延速度快的特點，可以使得空氣中的含氧量快速下降，直接對人身造成傷害，部分物質燃燒后產生的有毒氣體也會對人體造成致命傷害，此外，隨著燃燒的進行，煙氣的溫度會上升至幾百甚至上千度，造成灼傷事故[2]。因此高層建筑中電梯井道的煙氣蔓延情況是決定電梯能否用于火災疏散的關鍵因素。本文通過計算機模擬的形式，對電梯井道進行建模，模擬火災發生時電梯井道內的煙氣蔓延情況，通過對煙氣情況的分析，判斷火災發生時電梯運行的可靠性。

2 FLUENT火災模擬

2.1 井道建模

建筑高度是影響火災疏散速度的重要因素，對高層電梯井道內煙氣的蔓延規律的研究是分析電梯疏散安全的關鍵，煙氣流動的驅動力主要有浮力和膨脹力、煙囪效應、風的作用、通風系統的影響、電梯的活塞效應等[3]。電梯移動時，轎廂對井道內部空間的推擠和抽吸作用將影響電梯井、前室壓力變化，從而影響煙氣的蔓延，通過計算機模擬的方法仿真井道內煙氣蔓延的規律，對工程實踐有著重要的指導意義。

模擬轎廂為一個寬1.5m，深1.8m，高2.2m的箱體，箱體上方有一個0.3m2通風孔，火災時，煙霧可能通過通風孔進入轎廂，轎廂在井道中做垂直往復運動，設定建筑層高5m，電梯提升高度45m，廳門縫隙為5mm，通過該縫隙井道與電梯前室空間形成對流。結構圖如圖1所示。

2.2 煙氣蔓延仿真

本文計算模型網格劃分類型及網格尺寸，選擇動態層技術網格更新方法[4]，井道內網格劃分均采用六面體網格模型，在井道內廳門門縫處進行細化，網格方向與煙氣流向方向一致，為保證計算結果收斂，對網格高寬比及單元尺寸變化進行限制，由于轎廂箱體存在通風孔，其區域不封閉，因此本文通過其移動時周圍的煙氣情況來判斷此時轎廂的安全性。

圖1 高層建筑井道立面圖

由于火災燃燒的過程較為復雜，本文只考慮火災中危害最大的熱量和煙氣因素，火災產生的煙氣視為多組分的理想氣體，空氣和煙氣的流動遵循理想氣體狀態方程，同時假設井道中除廳門門扇間隙外，無其他開口，將煙氣動力設為質量源項和熱量源項，煙氣流動為非定常湍流流動，模型選擇湍流模型，湍流參數通過濕周公式和湍流強度公式計算獲得。

為準確分析實際煙氣蔓延規律，根據實驗數據對燃燒的產熱量和產煙量進行賦值。設定起始位置轎廂位于井道底部，轎廂運行速度1m/s，建筑內流體為空氣，溫度為300K，初始環境壓力為標準大氣壓，火源位置位于井道底部，根據《建筑防排煙技術規程》[5]，選擇模擬工況為設有噴淋的公共場所，由于井道高度較大，考慮仿真效果，適當增大火源功率至4MW，燃燒釋放物質為CO2，在各樓層層門處設置壓力入口—壓力出口的進出口邊界條件，以此研究火災發生時廳門處的煙氣蔓延情況。模擬火災發生時，煙氣對上行中轎廂的影響。

如圖2所示，當井道底部起火時，由于煙氣分子熱量及重力影響，高溫煙氣將緩慢包圍轎廂，這是由于轎廂靜止，井道內壓力變化較小，由熱煙的浮力和熱煙囪效應引起的建筑內壓差變化不明顯，由模擬可知，當井道底部火災發生時，火源附近溫度極高，位于底部的轎廂周圍被高溫煙氣包圍，煙氣將由轎廂頂部通風孔及轎門門扇間隙進入箱體，對乘梯人員造成灼傷及煙氣傷害。此時乘梯有較大安全隱患，同時，高溫煙氣可能導致轎頂及轎內電氣線路損壞，電梯故障風險較大。

圖2 初始煙氣蔓延圖

圖3 轎廂運行5s后煙氣蔓延圖

當電梯向上方向運行時，此時由于煙氣浮力作用，高溫煙氣繼續向上蔓延，轎廂仍被煙氣包圍，可見轎頂仍有高濃度煙氣存在。

圖3顯示了轎廂運行5s后煙氣蔓延狀況，圖4顯示了轎廂運行20s后煙氣蔓延狀況，由圖可知，轎廂繼續向頂部運行時，由于正煙囪效應影響的加大，煙氣蔓延速度相應增大，同時由于井道上下溫差，煙氣在井道內產生分層。廳門門扇間隙與井道內形成的對流導致在門扇附近的煙氣濃度較井道背面偏低，表明煙氣會向前室擴散，仿真結果表明，底部發生火災時，煙氣會向全井道蔓延，并會通過空氣對流向前室擴散。因此，火災發生后的井道，若無相應排煙正壓設施，煙氣會始終將箱體包圍，即便轎廂已遠離火源，電梯仍不可用于火災疏散。

圖5、圖6顯示了轎廂運行25s后的井道煙氣蔓延情況及煙氣蔓延速度，由于活塞效應和煙囪效應的影響加劇，井道內的煙氣越來越充足，井道內部被高濃度煙氣充斥，井道含氧量也隨著減少，由于轎廂的通風換氣與井道相通，因此此時轎廂內的含氧量也會急劇下降，同時箱體內部煙氣含量持續上升，隨著時間推移，井道內部煙氣濃度將繼續升高。由圖6可知，煙氣蔓延速度最高點為起火點及井道后方，這是由于前室空氣與井道內部產生對流的影響，由于壓差的變化，導致井道煙氣運移速度成非線性變化。

圖4 轎廂運行20s后煙氣蔓延圖

圖5 轎廂運行25s后煙氣蔓延圖

圖6 轎廂運行25s后煙氣蔓延速度圖

3 結論

由仿真結果可知，火災發生時，井道內部煙氣會迅速蔓延至全井道，由于轎廂在井道內部做垂直運動，轎廂四周充斥的高濃度煙氣會經轎廂通風裝置及轎門門扇間隙進入箱體，對乘梯人員造成傷害。此外，由于煙氣溫度較高，井道內部也會由于煙氣灼燒產生高溫，使得電梯井道內及轎廂內的電氣線路產生斷路風險，因此，火災時通過電梯疏散，極易造成由于電梯故障導致困人停梯后，被煙氣持續傷害的風險。因此，在未設置排煙正壓裝置的電梯井道內，使用電梯作為高層建筑火災疏散工具，具有很大的風險。研究結果還表明，對井道內煙氣蔓延的控制，是研究電梯作為疏散工具可行性的關鍵，對井道進行溫度控制及煙氣控制，確保火災發生時，轎廂周圍溫度不會超過設備承載極限，且煙氣不會蔓延至箱體內部，是電梯作為火災疏散工具的基礎條件。