多层多室建筑火灾烟气运动的网络模拟.pdf

‘ 第 i 1 卷 第 2期 2 0 0 2年 4 月 火灾科学 F 1 哏E SA 团n SCI ENCE V0 1 ． 11． No． 2 A p r ．2 0 0 2 文章 缩号 1 0 0 4 - 5 3 t 9 2 1 2 0 2 0 1 0 3 - 0 5 多层多室建筑火灾烟气运动的网络模拟 钟茂华 ， 厉培德 ， 卢兆明。 ， 熊建明 1 中国科学技术 大学 火灾科学 国家重点实验室 ． 台肥 趋0 0 拍； 2 ．国家经贸委安全科学技术研究中心 ， 北 京 t 1 1 2 9 3 香港城 市大学建筑 系 香港九龙 选之踣 ； 4 ．中国华能国际经挤贸易公 司． 北京 1 0 0 0 3 6 摘要 随着高层建筑的不断出现， 高层建筑火炙安 全已越来越 受人们的关注。应 用网络模型对 多层 多 室建筑火灾烟气运动过程进行数值模拟 ， 介绍 了网 络模型的基本方法、 网络模型的关键技术处理。文 中以火灾科 学国家重点实验 室的五层模 型楼 为 实 例， 分别对有无风机、 有无室外风流、 门窗开启等条 件下的建筑火灾进行模拟 ， 砦 出了假 设火灾情况 下 可能受烟气污染的房问和烟气的危险范围。 关键词多层 多室建筑； l上灾； 网络模拟 中图分类号 T U 9 7 2 ． 4。 X 9 2 8 7 文献标识码 A 0 引言 随着我 国经济建设 的发展 ， 高层建筑如雨后春 笋般地涌现 出来 ， 据有关 资料统计 ， 目前 ， 我 国已建 成投人使用 的高层建筑 总数达 2万多幢 ， 其 中高度 超过 1 0 0 米的高层建筑就有 3百多幢， 而火灾在这 些建筑 中的发生率也随之提高， 给人 民生命 和社会 财富造成极大的威胁和损失。据统计 ， 2 0 0 0年我 国 高层建筑物共发生火灾 1 8 4 3 2次 ， 造成 7 3 6人死亡 ， 直接损失达 3 ． 3 8亿元L 。尤其是 9 1 1 事件后 ， 如何 避免或减少这 一损 失是消防部 门、 建筑设计和管理 部门所面临的重大课题 ， 更是火灾科研 工作者所面 临的新的挑战。 应用计算机模拟仿真技术 ， 模拟高层建筑室 内 火灾状态下有毒有害烟气 的运动规律． 可为火灾情 况下 ， 人员安全疏散应急指挥提供科学依据， 目前应 用于建筑室内火灾模拟的方 法有场模型、 区域模型 和网络模拟【 L 3 ] 。场模型通 常是把研 究区域划分成 许多微元控制体 ， 能给出较详 细的建筑某区域 内火 灾时的物理量的分布 ， 适用于建筑火灾 中的着火房 间或有强通风的房问。区域模型一般是把研究区域 分成上下两个子区域， 并假 设每一 子区域 内的物理 量均匀分布。上述两种模型很难对整个建筑物尤其 是高层建筑火灾时火灾烟气的运动过程进行数值模 拟。建筑物火灾时造成的人员死 亡多数是 因为人员 吸人有毒有害的火灾烟气所致的， 如河南洛阳东都 商厦火灾 和新疆克拉玛依友谊宫火灾。火灾产生 的 烟气使人们在疏散时看不清疏散标志和周 围环境 ， 甚至辨不清疏散方向， 找不到安全 出口， 影响安全逃 生 ， 各国普遍认 为， 当能见距离 降低到 3 m以下时， 逃离火场就十分困难_ 4 j 。因此要制定高层建筑或多 层多室建筑火灾时的应急预案， 首先应该知道某一 房间或通道发生火灾后， 火灾烟气在火风压、 室外风 流和其它动力作 用下可能流经 的范 围和区域 ， 火灾 时人员疏散就应努力避 开这些通道或楼梯间， 网络 模型则能较好地满足这一需要。 l 网络模拟的基本原理 网络模拟时， 对每一房间采用一个均匀的物理 参数， 同一房间的温度、 烟气浓度、 室内空气压力等 均认为分布是均匀的。建筑物的每一个 房间、 楼梯 间、 通道等均具有一定的通风阻力 ， 这些通道连接处 作为网络 中的连接点 通过分支和节点连接而成网 收稿 日期 2 0 0 2 - 0 1 - 2 4 ； 修改 E l 期 2 0 0 2 - 0 3 3 0 基金 项 目 国家 自然科 学基 金资助项 目 5 0 1 0 印l 7 ； 国家重点基础研究专项经费资助 项 目 2 0 0 1 C 1 N I D 维普资讯 1 0 4 火灾科学F I RE S A F E - I T S C I E N C E 第 1 1 卷第 2期 络 ， 若网络 的分支数为 ， 节点数为 m， 则独立 回路 网络中仅包含一支余树枝的回路 数为 nm1 。 网络模型的基本原理包括 1 ． 1 网络阻力定律 珏 R iQ j 1 其中， 且 一 同络分支 i 的阻力， P 丑 ． R ，一 网络分支 i 风阻值， N ／ m 8 ， Q ． 一 分支 风流流量， m 3 ／ s ． 1 ． 2 节点风量平衡定律 网络中 ， 单位时 问内流人任一节点的风流流量 等于单位时间内流出该节点的风流流量 ， 即 ∑a 0 2 n r与节点号 i 相连接的第J 条分支的风 向函 数 ， a 一1 为第 条分支风流流出节点 ； 0表 示第 条分支不与节点i 相连 ； 1 表示分支 风 流 流人 节点 i 。 1 ． 3 网络风压平衡定律 网络 中任一回路中的风流流动遵守能量守衡定 律 ， 网络中的任一 闭台回路 ， 各种压力 的代数和 为 零 。 即 ∑ b o 聊 一日 一 一 0 3 式中， 一 回路编号， i1 ， 2 ， ⋯ ， 1“g m 1 ； ．严第 i 回路 中的分支编号 ， J 1 ， 2 ， ⋯， n； 丑 一 第 i 回路 中风机工作风压 ， P 丑 ； 珥 一 第 i 回路 中火风压 ， P a ； 目 一 第 i 回路中的 自然风压 ， P a ； Q 一 通过回路 i 第 分支的风量 ， m 3 ／ s ； 6 一 第 i 回路 中第 条分支的风向函数 ， b 一 1 为 回路 i中第 条分支与回路方向相反 ； b 0表 示第 条分支不属于回路 i ； b 1 表示回路 中的 分支 风流方向与回路方向一致。 1 ． 4 节点处烟气运动处理 当不 同浓度和 温度的烟流在建筑物 内连接处 节点 汇合时， 假设 在节点 处各组份 达到完全均 匀的捏合 ， 风流温度也达到平衡。则混合后其组分 s的浓度 c s 和平均风温 T s ， 分别如下 c Q I G -_ 一 4 Q i ∑ 。_ _ 5 ∑矾 l 】 式中， 一 流节点 J的分支总数； 一 第 i 条流向节点 的分支 的风流中组分 s 的浓度， ％； Q 一 第 i 条流向节点 的分支中风流体积流量， m 3 ／ s ； m 一 第 i 条流向节点 的分支中风流的质量 流量 ， k g ／ s ； 一 第 i 条 流向节点 的分支端点的风 流温 度 ， K． 1 ． 5 网络模型的回路计算方法 网络解算的关键步骤是独立 回路的查找， 这里 采用的是李湖生博士提 出的“ 快速双通路法” I ， 这 种方法的基本思路是当选定 了网络图的独立分支和 生成树后 ， 先任意指定一节点作 为生成 树 的树根。 计算生成树中各节点与树根之 闻的距离。然后形成 生成树的邻接节点数组和邻接分支数组 对于每一 独立分支分别从其始节点和未节点向树根方向寻找 通路， 当两通路在某一节点处相遇时 ， 即形成一个独 立回路， 其分支组 成就是独立分支与这两条通路上 的分支之和。 网络解算 的方法很多， 如 S c o t t H i n s l e y法 、 N e w t o n - R a p h s o n法、 节点风压法、 京都大学平松 良雄教授 提出的京大第二试算法等， 这里采用 的是 S c o t t - H i n s l e v法【 6 , 7 J 。 图 1 五层 模型楼 维普资讯 V o 1 ． 1 l N o ． 2 多层多室建筑火灾烟气运动的网络模拟 1 0 5 2 实例分 析 我们选取火灾科学国家重点实验室的五层模型 楼进行火灾时烟气运动的网络模拟分析 ， 该模型楼 主要用于模拟研究火灾 发生时烟气在建筑物 内产 生、 蔓延和扩散的规律 ， 模型楼为实际尺寸缩小一倍 的实验模型 ， 总体尺寸为长 7 ． 5 r n宽 5 ． 5 m高 7 ． 5 m。 五层模型层 的一层东北角安有北京风机二厂生产的 型号为 4 ． 7 2 ． 1 1 风机。除风机外 ， 模 型楼没有安设其 它通风空调采暖设备， 模型楼外观如图 l 所示 ， 我们 对五层模型层进行 网络简化 ， 火灾烟气在楼层外部 空间蔓延的路线为虚拟分支 ， 简化后的五层模型楼 的网络图如图 2 所示 ， 风机所在 的分支为 1 ， 小圆 内 数字表示节点号即建筑物内的连接处 ， 弧 线上的数 字表示分支号。这里的高层建筑室外风流考虑作用 在某一窗户开启的分支上， 其他室内未加考虑。下 面我们选取网络模拟的部分结果。 图 2 五层模型楼 的简化 网络 围 2 1 没有火灾风机正常工作下的风流情况 正常情况下启动风机 ， 所有窗户均关闭， 没有室 外风流的影响， 舒算过程 中， 计算机 自动形成的回路 数为4 8 ， 组成回路的分支为4 4 1 条 含重复计算 ， 如 表 1 所示 。经过迭代 1 5 1 次 ， 修正风量累计值为 0 ． O 0 0 O O 9 ／ s ， 回路闭台差为 1 ． 2 1 0 4 ％- 0 7 m 3 ／ s 。 2 ． 2 火灾情况下的烟气运动情况 假设在 6 6号分支发生火灾， 火灾最高温度均为 1 2 0 0 ％， 我们 分别对五层模型楼 风机运行、 室外风流 影响 、 某一窗户开启等几种情况进行模拟 ， 可得到受 火灾烟气影响的范围各 不一样 ， 网络模拟部分结果 如表 2所示 。由计算结果可以看 出， 火灾 时建筑室 内的门窗是否开启 、 风机是否工作以及有无室外风 流的作用对火灾烟气运 动过程均有影响， 对高层 建 筑及超高层建筑的防火制定应急预案时须考虑在不 同情况下， 人员的不同疏散路途， 使火灾损失控制在 最低程度。 维普资讯 1 O 6 火灾科学F I R E S A F E T Y S C I E N C E 第 1 1 卷第 2期 表 1 五层模型楼火灾时烟气运动 网络模 拟时的回路 组成 部分 3 结果讨 论 由上述模拟结果可 以看出， 当建筑物某一房间 发生火灾 ， 火灾产生的有毒有害烟气 ， 经门、 窗、 通道 或楼梯问向建筑物其它空间蔓延扩散 ， 使整个建筑 物弥漫在烟气 中， 给人员安全疏散和救灾工作带来 困难。因此 ， 在高层建筑中合理地设计防火分区， 不 仅是为了把灾害造成的损失降低到最低， 同时也可 以保证人员疏散能安全进行_ B J 。 对于高层 建筑特别是超高层建筑 ， 室外风流 的 影响对室 内火灾 的影响很大， 在平 时地面很难感觉 到风时， 离地面一定高度时， 风流对建筑物的作用却 很明显 ， 表 2中的结果说 明有无室外风流 的影响对 火灾烟气所蔓延扩散的范 围是不一样的 ， 这里在文 中的假设条件下 ， 数值模拟 的结果表明有室外风流 对室内火灾的后果要更严 重。因此 ， 研究高层建筑 火灾时， 应充分考虑室风流对室内火灾烟气运动过 程 的影 响 。 对于高层建筑尤其是超高层建筑物 ， 应针对建 筑物内的主要火灾危险源的分布情况， 利用 网络模 拟技术制定建筑室内可能发生重大火灾 的人员疏散 的应急计划 ， 有利于重大火灾发生时 ， 选择合理的应 急计划。 网络模型可对整个建筑物内的火灾烟气运动过 程进行模拟 ， 同时也可对着火房间的区域流场进行 数值模拟 ， 这一探索国内已有部分学者开展 了这方 维普资讯 V 0 J ． 1 l N o ． 2 多层多室建筑火灾烟气运动的网络模 拟 1 0 7 面的研 究 表 2 不 同条件下建筑室 内受火灾烟气 影响范 围 参考文献 公安部消防局， 中国火灾统计年鉴 2 0 0 1 [ M]北京 中 国人事 出版社 ， 2 ] 0 1 ． F a n We i e h e th g a n d Z h o n g Ma o h m ，Re v i e w o n r r d e l 】 i g o f 6 p h y s ic s a n d ri s k a s 8 E m[ AJ P r o c e e d i n g s o f t h e f o u a h A s ia一 0 a S y mp o s i u m o n F i r e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y [ c J T o k y o ， J a p a n ，M a y 2 4 2 6 ， 2 0 0 0 ． 姚建达 ， 范维 澄， 等 ． 建 筑火灾 中场 区网 数值模 型 的应 用[ J ] ． 中国科学技术大学学报， 1 9 9 7 ， 2 7 3 ； 3 0 4 3 0 8 ． 张树 平 ， 郝绍润 ， 胨怀德 ． 现代高 层建 筑防 火设计 与施 q - [ M ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 1 9 9 8 李湖生 矿井火 灾时期 风流状态 模拟与 优 化控制 技术 [ D ] ． 北京 中国矿业大学北京研究生部博士学位论文， 1 9 9 5． 钟 茂华 ． 事故过 程的动力学特 性分 析及 优化控 制 研究 [ D ] ． 沈硐 东北大学博士学位论文． 鹿院卫 ． 高层建筑火灾通风研究与模拟[ D ] ． 西安 西安 矿业学院硕 士学位论文 ， 1 9 9 8 ． 张树平． 建筑防火设计[ M ] ． 北京 中国建筑工业出版 社 ． 2 0 0 1 ． Ne t wo r k M o d e l S i m ula t i o n o f S m o k e S p r e a d o f M u l t i - l a y e r a nd M ulti- r o o m Bu i l d i n g fir e Z HON G Ma o - h u a 1 一，U P e i ． d e ，X I O NG J i a n ． mi il g 4 1 S c a r e 研 “ q - F ／ mS c w e ， 嬲 ． ．A n h - Z 3 0 1 2 6 ，P ． ． C h ／ n a 2 ．P h u , n a ／ R e s ,m r ． l n d a g - ／ e n c e a n d T e eh n d o g y ． a t e g c o n a ,n ／ e a n d T r a d eG z c n m ／ ．u ／ ，＆撕． 1 0 0 0 2 9 ，P R C h m a S． M ．L o n c ， l 且 曲 担 C o n a t r u a ／ o n ，C ．k y r h r ． o ,g T a t ～， “ ．姗 ，H a n gr ． o , g．P G d n a Ab s t r a c t Wi t h t h e i n c e s s a n t a p p e a r a n c e o f h i g h r i s e b u i l d i n g ．p e o p l e p a y n mr e a n d I Il O l t l g h fl y a t t e n ti o n t o h i g h ri s e b u i l d i n g fi r e s a f e t y ．I n thi s]3 p e r ，w e s i m u l a t e d s mo k e s p r e a d 0 f r m thi l a y e r a n d mu l t i r o o ff l b 【 1 i l d i I 1 g fi re u s i n g n e t w o r k mo d e l a n d i n t r o d u c e d t h e b a s i c t h e o ．- ， m e l l 】0 d s a n d s o m e k e y t e c h ． o l e s o f n e t w o rk s i m u [ a ． t i o n s ．“f h e n w e g a v e e x a mp l e f o r the fi v e - 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