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高层建筑室外火灾的数值模拟与分析


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2011 6

高层建筑室外火灾的数值模拟与分析
徐艳秋 王振东 李智男
武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北, 430081

摘 要 为了探究高层建筑室外火灾蔓延规律以及温度和烟气在超高层建筑火灾中 的

分布状态, 以上海静安区失火住宅楼火灾为背景, 应用火灾动力学软件 FDS 对火灾进行 , 模拟与分析。实验得出: 外部火灾一方面通过表面保温材料迅速蔓延至楼顶, 再由表面向建 筑内部蔓延, 当玻璃破碎后火势由着火点向建筑内部蔓延, 由于烟囱效应再通过电梯井、楼 梯向楼顶部蔓延。火灾中空气温度随离着火面距离的增加而降低, 烟气浓度随时间而变化。 同时引入热辐射对人的伤害模型。 关键词 建筑安全 高层建筑火灾 大涡模拟 热对流 伤害模型

一、前



的一栋 28层教师公寓大楼为背景, 该教师公寓 1998 年 1 月建 成, 建 筑面 积 17 965m , 其 中底 层为 商 场, 2- 4层为办公, 5 - 28层为住宅, 为超高层一 类建筑。该大楼火灾的起火地点为第 10层外围, 火 灾可能的发生顺序是: ( 1) 电焊工焊割旧空调机架引燃了尼龙安全网; ( 2) 保温材料闷烧导致火势沿屋面蔓延; ( 3) 内部装修材料二次燃烧。 金属幕墙内层保温材料可能是火势延伸的主要因 素, 沿外墙面连续的金属幕墙部分形成竖向火势延伸 的通道。一般幕墙玻璃不耐火, 通常在 250 即炸裂, 大楼外墙保温材料为半米见方的白色 泡沫 板, 燃烧 后过火极快, 图 1是上海静安区住宅楼过火中的部分
2

随着我国经济的飞速发展, 城市建设蓬勃发展, 超高层建筑逐渐成 为许多大城市 的标志建 筑之一。 据不完全统计, 2007年以前全国高层建筑 4万多栋, 其中超过百米的超高层建筑 850多栋。超高层建筑 火灾也不少见。 2010 年 11月 15日, 位于上海胶州 路静安区住宅楼由于电焊工违章操作酿成火灾, 火 灾持续 3个多小时, 造成 58死 70伤。 超高层建筑火灾一旦发生, 火灾迅速蔓延扩大、 人员疏散困难、伤亡惨重、火灾扑救难度大。国内 学者对高层建筑火灾发生后的很多方面进行了数值 模拟讨论, 但是, 讨论高层建筑火灾发生后温度和 烟气在周围环境中的分布和对周围建筑物的影响较 少。笔 者以 上海 静安 区住 宅楼 火 灾为 背景, 应用 FDS软件对超高层建筑火灾进行模拟分析。国外火 灾研究者针对 FDS 的准确性进行了大量的研究, 证 明 FDS与实体实验结果吻合性较好。通过模拟分析 了火灾过程中蔓延情况和温度场的分布状态, 为现 实中相邻超高层建筑的火灾救援、火灾控制和高层 建筑的疏散提供参考依据。 二、火灾模拟场景条件 1 上海静安区住宅楼火灾介绍 . 本文以上海市静安区余姚路胶州路 728弄 1号 - 8-

图1

过火中的部分图片

2011 6 图片。通过图 1可以看出火灾的蔓延趋势为先在建筑 物表面开始燃烧, 然后通过窗户和阳台将火势引入室 内造成室内的二次燃烧。火灾中建筑物表层燃烧很严 重的原因是建筑中使用的大量保温材料以及大部分内 部装饰材料都集中在建筑物表层。 2 数值建模 . 实验重在模拟分析火灾从发生轰燃到快速蔓延至 楼顶这个过程中火灾的蔓延情况和温度场的分布状 况。根据火灾表皮过火的特点建立 FDS火灾模型。模 型过火表面主要使用泡沫代替实际火灾中的主要燃烧 的保温材料、 装饰材料。模拟中近似将大部分的燃烧 物都集中在外墙表层。燃烧过程中很多玻璃破碎, 从 而外墙的窗户呈现为矩形的镂空。受到模拟软件的限 制, 将过火面近似为由 0 3m 的泡沫组成 ( 图 2) 。模型 的主要支撑结构为混凝土, 整体尺寸为长 宽 高 = 36m 24 m 84 火源处网格尺寸为 0 3 m, m 0 3m 0 3m, 其余处网格尺寸为 0 6m 0 6m 0 6m, 模拟时 间为 800s 在模型周围空气中探点水平距离为 3m, 垂 。 直距离为 3 m。无风状态, 环境温度设为 20 , 火源高 度为 24m (红点处为火源 )。具体的实验模型如下:

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气携带热量的向外传递, 导致火灾的扩大, 火灾发生时 其蔓延方向分为水平方向和垂直方向, 而火灾在垂直 方向上的蔓延速度快。火源热空气喷出来以后, 迅速 向上流动, 点燃上面的可燃物。从火灾开始到点燃最 上面的泡沫只要了 67s( 图 4), 当玻璃破碎 (温度达到 250 时 ) 后火势开始向大楼里面蔓延, 在 292s时大楼 顶部就已经出现火焰 ( 图 5), 当温度达到 250 时,

图 4 67s时火势蔓延图

图 5 292s时火源 以上火势蔓延图

火势由上部和着火层向内部蔓延, 在该过程中下部 火灾产生的热空气进入楼内。由于烟囱效应烟气沿 着大楼内的电梯井、楼道等迅速向上扩散, 而上部 的火势向下蔓延的速度较慢, 同时, 已经开始燃烧 的表层的火势也开始整体向内部蔓延, 在 800s时整 栋大楼各层均已 经着火 ( 图 6) 。在这个 火灾 过程 中, 火势垂直方向蔓延有两个主要途径, 一个是着 火面上的泡沫, 另 一个是造 成烟囱效 应的电梯 井、 楼道等。消防过程中通过采取措施控制这两个途径 可以有效地控制火灾的蔓延。

图 2 着火面泡沫网状分布图

图 3 实验模型图

三、模拟实验数据分析 1 火灾蔓延过程分析 . 建筑火灾的蔓延, 其实质是火灾中燃烧火焰和烟

图 6 800s时火源处及 以上火势蔓延图

图 7

650s时火灾燃烧情况

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2011 6 火灾过程中能量散失的主要形式是热对流和热 辐射两种。热对流 的主要途 径就是空 气吸收热 量, 然后通过流动带走热量, 因此, 空气的温度很好地 反映了热对流的强度。空气温度随着离着火面的距 离变化而变化。如图 10所示, 在接近着火面的地方 由于直接接触到火焰, 温度达到最高, 随着离着火 面距离的增加温度迅速降低。

在 600s以后, 火灾进入稳定阶段。图 7为模拟 中 651s时的火场情况, 表面的燃烧很剧烈, 火焰从 火源一直燃烧到楼顶, 产生了大量的高温烟气, 与 火灾现场某时刻燃烧情况相差不大。

图 8 火场中热量散失图

火场中热量散失由热传递、热辐射和热对流组 成, 图 8为热量散失图。火灾烟气在建筑物内蔓延 时, 与外界的传热主要是通过墙体进行的, 其热交 换可分解为 3 部分: ( 1) 热烟流与墙体的热交换, 发生在热烟流扩 散的通道中, 主要是热烟流与墙体的强迫对流换热; ( 2) 墙体本身的热传导; ( 3) 墙体与另一侧空气的热交换, 发生在通道 外侧和未发生火灾的房间之间, 主要是自然对流换 热。在区域模拟中, 用式计算。 Q = h ( T0 - T a ) A q= h ( T0 - Ta ) 式中: h为 对流换 热系 数, W / ( m
2 2

图 10

600s时在高度为 24m 处的温度切片

在火灾的情况下, 热辐射通常是主要危 害。在 热辐射的作用下, 人或物可能遭受伤害或破坏, 笔 者主要探讨对人的危害。热辐射对人的影响不但与 热辐射的强度和持续时间有关, 还与人的年龄、性 别、皮肤暴露、身体健康状况有关。对于正常的成 年人, 用如下模型来预测热辐射的影响。 皮肤裸露时的死亡几率 Pr = - 36 38+ 2 56 ln ( tq ) ( 3) 有衣服保护 ( 20 皮肤裸露 )时, 二度烧伤几率 % Pr = - 43 14+ 3 0188 Pr = - 39 83+ 3 0188 ln ( tq ln ( tq
4/3 4 /3

( 1) ( 2) K ) ; T0

) )

( 4) ( 5)
2

为气体温度, K; Ta 为墙壁内表面温度, K; q为热 通量, 又称热流密度, W /m 。决定对流换热的 3个 因素, 全部复 杂性都集中到 对流换热 系数 h 中, 简化模型如图 9所示。 h 由流场的几何形状、流动状态和流体的热物性确定。

有衣服保护 ( 20 皮肤裸露 )时, 一度烧伤几率 %
4/3

式中: q 为热 通量, 又称 热流 密度, W /m ; t 为人体暴露于热辐射 的时间, s Pr 为人员伤 害几 ; 率。在式中热通量十分重要, 确定热通量就可以确 定人员伤害情况。 3 烟气分布 . 烟气是物质在燃烧反应过程中热分解生成的含 有大量热量的气态、液态和固体物质与空气的混合 物。烟气的组成取决于可燃物化学组成和燃烧时温 度和氧气供应是否充 足等燃烧条件。完全 燃烧时, 烟气成分以二氧化碳、一氧化碳和水蒸气为主; 不 完全燃烧时, 烟气中不仅有上述燃烧生成物, 还有 醇、醚等有机化合物。含碳量多的物质, 不充 分燃 烧时, 含有大量碳粒子生成。在阴燃阶段, 烟气 以

图 9 墙体的温度变化

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2011 6 液滴粒子为主, 烟气发白或呈青白色, 当温度上升 至起火阶段, 因发生脱水反应, 产生大量游离碳离 子, 呈灰色或灰黑色。烟气对人体的危害主要是燃 烧生成的有毒气体所引起的窒息和中毒。同时, 由 于烟气的遮光作用, 使火场能见度降低, 对疏散和 救援带来很大的不便。烟气的扩散速度与烟气温度 和流动方向有关, 烟气在水平方向扩散流动速度一 般为 0 3 m / s- 0 8 m / s, 烟气在垂直方向的扩散流 动速度较大, 通常为 1m / s- 5m / s, 在楼梯间和管 道井中, 由 于烟 囱效应, 烟气 流动 速度 可达 6m / s - 8m / s。建筑 物烟气 流动 的形 成, 是由 于火 场产 生的热量以及 温度 差造 成气体 密度 差而 形成 的效 应。其中火场产生的 热压是烟气流动 的主要原 因。 在火灾发展的初期, 烟气迅速上移, 实验测得烟气 从火源上升至 楼顶 84m 处, 用 时仅 13 61s 以后 , 烟气的浓度随着时间的增加而增加。烟气的扩散不 仅速度快, 而且范 围广, 通过图 11 可以看 到烟气 扩散范围已经超出了整个建筑网格。通过整个实验

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速率趋于平衡, 而后烟气浓度的增长再次开始加剧 但与 13 61s以前相比趋势缓慢, 总体状况是烟气浓 度随时间的变化而波动。烟气浓度越大, 能见度越 低, 低能见度区域与高烟气浓度分布区域相同, 在 低烟气浓度范围内, 能见度迅速提升。 四、结 论 以上海静安住宅楼火灾为背景, 通过 FDS模拟 计算, 分析了温 度、热对 流、烟 气等的 分布规 律, 总结这些规律, 以及这些因素对人员和建筑的危害 情况。对高层建筑火灾得到以下结论: 1 火灾发展过程中, 火焰先通过建筑物表面由下 . 向上快速蔓延至顶部, 然后从顶部表面蔓延至内部, 在 从内部向下蔓延。火源处的火焰在表面蔓延同时也向 建筑物内部蔓延, 然后通过烟囱效应向上蔓延。 2 空气温度随着离着火面的距离变化而变化。 . 在一定范围内温度高而且变化较小, 当距离足够大 时温度受火灾影响不大。 3 热辐射对周围建筑影响的主要因素除了辐射 . 时间、 距离、 接受辐射的建筑物表面材料, 还与着火材 料的燃烧特性有关。热辐射对人体的伤害的关键参 数为热通量 q 控制热通量可以减小对人的伤害。 , 4 烟气浓度先随着离着火面的距离增加升高, . 再随着距离的增加降低。同时烟气特性参数变化规 律与火源热释放速率具有密切的相关性。火源热释 放速率是制约烟气特性参数变化的主要内在因素。 参考文献
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图 11

650s时楼顶处烟气的分布俯视图

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的烟气进行统计分析得到图 12 烟气浓度在 13 61s , 内的增长速率最大, 从 13 61s到 40 1s烟气的增长

图 12 火源处烟气浓度与时间的变化曲线

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