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1、火灾烟气对人员疏散影响的研究现状及展望 张安琪 青岛科技大学环境与安全工程学院 摘 要： 随着建筑高度的变化和风格作用的多样化, 建筑火灾的发生越来越威胁人们的生命财产安全, 而众多事故中火灾烟气对人的安全疏散造成了极大的危害, 研究烟气的蔓延规律及其对人员疏散的影响成为国内外学者研究的重要课题。本文通过对国内外大量关于火灾烟气研究的文献进行归纳分析, 总结了国内外对于烟气研究几种重要研究手段的发展, 并简述了对烟气蔓延及其成分研究重要进程。最后分析了对火灾烟气的发展趋势和研究存在的问题。关键词： 火灾烟气; 人员疏散; 研究方式; 运移规律; 作者简介：张安琪 (1992) , 女, 辽宁阜
2、新人, 研究生, 主要从事化工过程安全研究。收稿日期：2017-09-28Research Status and Prospects of the Impact of Fire Smoke on Personnel EvacuationZhang Anqi School of Environmental and Safety Engineering, Qingdao University of Science Abstract： As the change of building height and style diversification, the happening of buildi
3、ng fire threat to peoples life and property safety more and more seriously, and fire smoke in numerous accidents caused great harm to people safety evacuation, studying the spread regularity of smoke and its influence on evacuation have become an important hot topic in the field of domestic and fore
4、ign scholars.In this paper, a large number of both home and abroad in the research of fire smoke was summarized, the domestic and foreign research development of several important research techniques for flue gas was summarized, and the spread of smoke and its components important process was briefl
5、y described.Finally, the development trend and research problems of fire flue gas were analyzed.Keyword： fire smoke; personnel evacuation; research methods; migration regularity; Received： 2017-09-28随着我国经济的飞速发展和科技的不断进步, 人们的工作和居住等建筑水平有了明显的改善和提高, 建筑的风格和类型也有了日新月异的变化, 伴随而来的是各种建筑发生的火灾事故层出不穷, 给人民带来了严重的生命财
6、产损失。据统计, 2005 年我国共发生火灾 14.3 万起, 火灾造成了人员死亡 2500 人, 受伤人员 2508 人, 直接经济损失达到了 9.03 亿元2;2017 年我国共发生火灾 31.2万起, 火灾造成人员死亡 1582 人, 受伤 1065 人, 直接经济损失 37.2 亿元。数据表明, 我国城市社区火灾发生起数呈明显上升趋势, 尤其是高层建筑火灾占相当比例1, 火灾造成的直接经济损失也显著增加。典型火灾事故如:2004 年2 月 15 日, 吉林省吉林市中百商厦发生特大火灾事故, 54 人在事故中丧生, 70多人受伤, 过火面积达 2040m, 直接经济损失约 426 万多元
7、;2010 年 11 月 15 日, 上海胶州路一栋高层建筑发生特大火灾事故, 死亡 58 人3;2017 年 6 月 14 日凌晨, 位于肯辛顿-切尔西区的格伦费尔大楼突发大火, 这座高 24 层的公寓楼几乎烧成空壳, 造成至少 79 人死亡。不难看出, 火灾的发生威胁到了人们的生命安全, 对人们造成了严重的生命财产损失。据统计资料表明, 建筑火灾中约 75-85%的死亡是由烟气导致的, 根据美国对建筑火灾中死亡人员的统计, 其中 85%是火灾烟气的危害所致, 经过分析后确定 CO 与血红蛋白的结合是导致人员死亡的主要原因。可见烟气在火灾中对人具有极大的危害性, 因此对火灾烟气的研究具有极其
8、重大的意义。1 国内外研究现状随着火灾科学的发展, 世界各地的专家学者们对火灾烟气的研究越发的深入, 探究深度和方式都获得了长足的进步, 对火灾烟气有了更深入的了解, 从而对火灾的控制和人员疏散提供了有效的依据。1.1 国内研究现状我国的科学家们对火灾烟气的研究已经取得了日新月异的成就, 并在研究方式和研究内容上有了很大的创新性和实用性。麻柏坤, 张人杰等人用盐水模拟实验的方法, 对受限空间起火灾时烟气运动规律进行了探讨, 研究了建筑物内初起火灾产生的烟羽流和顶蓬射流所诱发的空气运动, 得出了走廊烟气速度受烟气流量、密度和点源位置的影响, 走廊顶棚烟气的平衡厚度与烟气体积生成率、密度和点源位置
9、等有关。尤其值得提到的是他们研究了走廊中烟气对空气的卷吸作用, 主要是通过走廊中清水的运动来显示4。公安部四川消防研究所兰彬等人对地下商业街实体模型中不同送风、排烟方式下烟气流速规律和特性进行了分析研究5;董华等人在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室比例为 1:2 的五层模型楼内进行了烟气从通道向中庭扩散的实验研究, 实验的主要仪器采用双向风速管和微压传感器组成的速度测量系统来测量烟气的运动速度;姜冯辉等人同样在五层模型楼中做了双室火灾烟气特性的实验研究6;霍然等人构建的房间和走廊直线相连的模型, 研究了突然进风对室内火灾的影响, 主要研究的是室内和房间的烟气层的温度场7。目前国内学者对于
10、火灾中烟气致死者大多数位于离火源位置较远处, 即火灾中烟气的迁移规律的研究 (主要研究 CO 的迁移) 还刚刚开始, 其中代表性的成果有, 黄锐根据大量的实验和理论分析所推导出的在典型的侧间-走廊建筑结构中, 纸张在火源房间的燃烧的失重速率公式和在走廊中远距离点处的浓度变化公式, 这两个公式和实验数据吻合较好, 其中的各参量均具有相应的物理意义。同时, 冯文兴对火灾烟气和环境之间的作用进行了探索性的研究8。值得注意的是, 随着计算机的发展和科学的不断进步, 计算机模拟逐渐成为火灾烟气研究的重要工具。傅祝满和范维澄对建筑火灾的区域模拟 (Zone Modeling) 方法开展了早期工作, 而陈晓
11、军等9则发展了多区域模型来预测单个房间中的垂直温度分布, 改进了燃烧模型、流体流动模型和热传递模型;姚建达和范维澄10发展了烟气运动场模拟方法 (Field Modeling) 并建立了三维数理模型, 进而发展了一种体积守恒修正压力的场区网数值方法 (Field-Zone-Net Modeling) 。杨锐等11则结合大涡模拟技术发展了新的火灾过程场区模拟程序。在近几年的研究中, 火灾烟气的成分及其蔓延规律逐渐被探究出来。火灾中烟雾成为人员疏散的致命物质, 为此深入研究火灾烟雾特性, 成为地铁火灾安全疏散研究的重点之一, 其研究的主要焦点集中在烟雾热释放率及蔓延速度和方向上。杨君涛、杨昀等人1
12、2在研究火源位置对楼梯口处烟气速度的影响中, 对火灾热源热释放率做了一定研究, 并与实验结果进行对比分析, 验证了数据模拟的有效性。对烟雾热释放率的研究主要在一维或者二维空间对火灾的烟雾情况进行模拟, 不能直接反映出火灾烟雾热量在地铁站内的分布情况。1.2 国外的相关研究在国外, 研究者的研究集中在对室内烟气的生成机理的研究, 主要是 CO 的生成机理。如美国的 Tewarson 在 1984 年通过 GER (global equivalance ration) 来预测 CO 的生成, 并生成模型13。Pitts 在 1994 年又进行了模型的算法修正, 使其具有更普遍性14。随着火灾事故的
13、频繁发生, 烟气的运移过程及其变化规律在近几十年内逐渐引起学者们的关注。1986 年, Fardell15等人通过研究在通风受限的情况下全尺寸的房间-走廊模型, 得到从走廊末端及火源房间中收集到的烟气产物的浓度, 发现从火源房间流进走廊中的烟气在干燥后其 CO 含量达到 3.5%4.0%;1987 年, Heskestad 和 Hill16研究了在火源附近的烟气的温度场、烟气层厚度等, 并对高浓度的 CO 从火源房间向远离处的目标房间的传播进行了验证。Ewens17在火灾烟气的运移规律的探究中做了大量的工作。1994 年, 他提出利用 GER 预测走廊排出的气体中 CO 的生成量, 并在 Go
14、ttuk 使用的火源间的基础上构建了房间-走廊 (走廊中有充足的氧气供应) 的典型建筑结构。他在实验中观察了房间中的燃烧向走廊中扩展, 也发现了走廊远端处的回燃现象, 并且说明了走廊远端的回燃降低了 CO 浓度。同时, Ewens 在沿着走廊长度方向进行取样分析, 发现 UHC 的浓度降低比 CO 快。此外, Brian18等人在 Ewens 等人研究的基础上, 同样构建了典型的侧间-走廓的建筑结构, 重点揭示高浓度的 CO 是如何迁移到离火源远距离的位置。通过研究发现, CO 迁移到远距离处的程度主要取决于从火源房间进入走廊中的高温烟气的化学组分、从火源房间进入走廊中的烟气对氧气的卷吸量、从
15、火源房间进入走廊中的烟气的热损失, 同时发现对远距离处的 CO 浓度影响的决定因素主要是火源房间中的化学当量比以及是否在远距离处存在回燃。另外还发现, 将火源房间设置在走廊的侧面, 走廊中烟气的流动机理主要是三维的, 在走廊中烟气浓度均匀之前, 远离火源房间的一侧要比靠近火源房间一侧的浓度水平一直要高, 而在烟气从火源房间开口刚流入走廊时, 两者浓度水平相差一倍多。所以在远离火源房间一侧的死者反而多。研究者还发现, 上层烟气层的厚度基本上和燃料的种类无关。此外, Kang 等人证实烟雾流动方向和逃生方向是重合的, 而 Manabu Tsukahara等人得出结论烟雾沿水平流动的速度为 0.51
16、.0m/s, 垂直方向速度为 3.05.0 m/s, 烟雾向上攀爬的速度比人员向上疏散的速度要快19。Ran Gao 等人利用LES (Large Eddy Simulation) 针对中国西安大型地铁站进行仿真实验, 发现火灾发生后大部分的烟会蔓延到天窗的顶部。Ran Gao 等人研究了烟雾在 6 种火灾情景下的传播, 借鉴 Qin 等人的烟雾垂直方向上的温度值, 发现烟雾在水平方向上传播越远, 烟雾会遇到越多的天花板通风口, 排出烟雾的数量将会增加, 而这些通风口可以有效地控制烟雾在水平方向上产生的扩散。Yang 等人20利用 FDS+Evac 研究地铁站火灾热源对疏散的影响, 认为火源点、疏散人员所处的位置、通风条件和材料性能对于紧急疏散有很大的影响。2 结论与展望根据对国内外关于火灾烟气的研究现状的总结分析, 我们可以看出近几十年来科学家们对于火灾烟气的研究逐步深入, 由理论猜测到全尺寸模型和实验类比, 再到如今的计算机模拟结算, 其研究方法
