基于Pyrosim的高层建筑火灾烟气蔓延规律研究

黄治成　张浩

摘要：为更好地给高层建筑人员疏散提供依据，文章以某高层建筑火灾烟气为研究对象，应用Pyrosim软件对该高层建筑的火灾进行数值模拟，分析了烟气蔓延规律、烟气温度分布、有毒有害气体浓度、烟气能见度等变化规律。研究结果表明：相较于办公室门闭合状态，门敞开状态下的走廊内的CO浓度较低;烟气温度较高，危险系数更大，但两种状态下人员疏散的安全时间都比较吻合。此次研究可以为高层建筑灭火救援和人员紧急疏散提供一定的理论指导。

关键词：高层公共建筑火灾;烟气蔓延;Pyrosim数值模拟

随着经济社会的快速发展，全国各地高层建筑、超高层建筑大量涌现。这些建筑一般体量庞大、功能复杂、火灾荷载大、人员密集，给火灾防控带来巨大压力与挑战。高层公共建筑一旦发生火灾，火灾蔓延速度快，易出现“烟囱式”立体燃烧，极易造成“群死群伤”。在这些火灾中，烟气已然成了阻碍人们逃生和灭火行动并最终导致人员死亡的主要原因之一。因此，研究高层公共建筑火灾烟气蔓延规律具有重大意义。

自2000年2月美国国家标准与技术研究院（NIST）发布火灾动态模拟软件（FDS）以来，计算机数值模拟已成为国内外专家学者研究不同火灾过程的重要方法[1]。此方法的关键是建立一个和火灾现场较为相似的模型，从而实现对火灾现场的整体把控。

GLASAJ等利用FDS软件对电影院进行了火灾现场模拟，对其进行了安全危险性评估[2]。AHNC-S等对开闭式楼梯间进行了实验和数值研究，结果表明进入新鲜空气会降低烟气的流动速度[3]。李琰等运用Pyrosim软件对连体宿舍楼发生火灾时的烟气蔓延特性进行数值模拟[4]。刘朝峰等对高层住宅建筑火灾进行了应急疏散模拟与策略研究[5]。LONG-FEIH以CCTV北楼火灾为背景，用FDS模拟和分析火灾得出火灾蔓延的规律[6]。代长青等基于FDS研究了高层住宅火灾的烟气蔓延特性、有害气体浓度等，为人员疏散提供理论上的参考[7]。谢明峰等对高校教学楼火灾与人员疏散进行了研究，对人员安全疏散进行了预估[8]。

综上所述，文章基于Pyrosim软件以高层建筑火灾烟气为研究对象来进行火灾模拟，从而为高层建筑灭火救援和人员紧急疏散提供理论指导。

一、高层公共建筑火灾数值模拟

（一）模型建立

该高层建筑场所模型为30m×20m×27.8m的建筑结构（如图1所示），共10层，每层600m²，每层设置2条疏散楼梯，每条楼梯疏散宽度为1.4m，第二层至第十层空间布置一致。用于模拟火源的燃烧器设置在二楼地板（z=2.81m），x坐标（28，29.2），y坐标（13.2，14.4），并分别在办公室内、疏散走道设置热电偶、能见度、CO浓度监测等测点，来分析不同状态下的温度变化、烟气运移规律以及CO浓度的变化情况。

（二）火災数值模拟工况条件

研究设定两种不同条件下的工况来模拟疏散门的开合对火灾发展的影响情况。假设燃烧反应为聚氨酯泡沫燃烧反应，燃烧面积为1.44m²，火源热释放速率为3000kW/m²，产烟率0.1。数值计算的网格单元格大小为0.4m×0.4m×0.2m[9]，模拟运行时间为600s。

工况一：在10层公共建筑第2层靠近右侧疏散走道的6个办公室开门7扇，开门面积共32.4m²，火灾烟气可以通过疏散门进入房间，进入房间的烟气可以通过窗户向外扩散;两个楼梯间设置1.2m×2m的疏散门，疏散门敞开;电梯前室与楼梯间前室合用疏散门敞开，设置一个电梯井从2楼至10楼贯通;感烟火灾探测器和自动喷淋系统整栋楼全覆盖。

工况二：在10层公共建筑第2层靠近疏散走道右侧尽端位置设置一处火源，疏散走道6个办公室门全部关闭，火灾烟气只能通过疏散楼梯门和合用前室门进行扩散;其他条件同工况一所述。

二 、 烟气蔓延规律

图2中的a～e为工况1条件下的烟气变化。（a）可以看到烟气在6.1s时向四周扩散，燃烧器上方喷淋位置温度达到68℃时，喷头开始喷水灭火。烟气在10s时沿着楼层顶板水平运动，在顶板聚集，进行扩散。（b）可以看出烟气在28s时布满着火层。（c）可以清楚看到在400s时，左右侧楼梯烟气以及窗户外烟气布满5层。（d）表示烟气在500s时充满着火层。（e）可以看出烟气在250s时布满10层楼层。图2中的f～k为工况2条件下的烟气变化。（f）显示出烟气在6.1s时向四周扩散，燃烧器上方喷淋位置温度达到68℃时，喷头开始喷水灭火。（g）为烟气在12.4s时充满二层室内疏散通道整个顶板。（h）可以看出在121s时烟气布满5层疏散走道。（j）显示出在82s时烟气布满8层疏散走道，相较于从着火层蔓延至5层的速度更快。（k）显示出在64s时，第10层室内疏散通道整个顶板充满烟气。

（一） 着火层烟气温度切片情况分析

图3中的a为工况1着火层第100s时坐标Y=13.6m时疏散走道着火层的温度切片图。可以看出烟气最高温度为370℃，高温烟气主要聚集在顶板位置，越靠近着火点烟气温度越高。

图3中的b为工况2着火层第100s时坐标Y=13.6m时温度切片图。可以看出烟气最高温度为220℃，高温烟气主要集中在着火点顶板位置，工况2着火层第100s时坐标Y=13.6m时最高温度比工况1最高温度低150℃。

（二）着火层烟气中CO气体浓度分析

图4为工况1和工况2条件下着火层第100s时坐标Y=13.6m时CO气体云图。从图中可以看出两种工况下烟气CO含量为9289ppm。研究表明[7]，当空气中CO体积分数达到6400ppm时，健康成年人1～2min出现头痛、恶心;10～15min，会造成人员死亡。

（三）着火层烟气能见度分析

从图5的工况1条件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03分别从t=3.01s、t=5.41s、t=9s、t=13.2s探测到烟雾，烟感探测器从探测到烟雾至烟雾不透明度达到100%平均时间为0.755s。从图5的工况2条件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03分别从t=3.02s、t=5.41s、t=9.02s、t=13.2s探测到烟雾，烟感探测器从探测到烟雾至烟雾不透明度达到100%平均时间为0.9s。

（四）着火层疏散走道烟气温度分析

图6的a为工况1条件下着火层热电偶数据图，THCP在0～6.62s时烟气温度急剧上升，在6.62s时温度达到最高峰值为555℃，6.62～20s烟气温度下降，20s后烟气温度维持在200～330℃之间。THCP25、THCP26、THCP27在0～40s属于烟气温度上升期，40s后温度处于平稳状态，烟气温度保持在100～200℃之间，此温度范围人体最多能坚持1min左右。

图6的b为工况2条件下着火层热电偶数据图，THCP在6.6s和37.2s时出现两个峰值，分别为586℃和567℃;100s后烟气温度趋于稳定，温度保持在100℃左右。THCP26、THCP27在100s后温度处于平稳，烟气温度保持在100℃左右，此温度人体能坚持15～30min左右。

三、结语

控制高层建筑场所火灾烟气流动、降低烟气温度、提升场所能见度和降低有毒有害烟气浓度是高层建筑火灾防控的重要内容。文章基于研究烟气蔓延的不同场景，通过在两种不同工况下进行模擬研究，得出以下结论：

第一，烟气水平流动速度为2.04m/s时，在有热对流、有氧气补充的疏散走道（设置的工况1）烟气温度比相对封闭环境（设置的工况2）温度高150℃左右，也就是疏散走道办公室门处于敞开状态时人员逃生的危险系数更大。

第二，烟气浓度从顶板到底板逐渐下降，从着火点向扩散方向逐渐下降。在办公室门处于全开启的状态下，底板几乎没有CO的存在，而当办公室门处于闭合状态时，CO的顶板底板含量几乎一样。

第三，着火层烟感探测器从检测到烟气至烟气不透明度达到100%平均时间小于1s;开门通风等有利于烟气含氧量的提高，降低人员危险，但随着着火时间的推进烟气含氧量还是呈逐渐下降趋势。

参考文献：

[1]HU G.Research on the Fire of High-rise Residential Building Based on Pyrosim Numerical Simulation[J].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2020，455（1）：012059（5pp）.

[2]GLASA J，VALASEK L，WEISENPACHER P，et al.，Cinema Fire Modelling by FDS; Proceedings of the Journal of Physics：Conference Series，F，2013[C].IOP Publishing.

[3]AHN C-S，KIM D-Y，PARK C，et al.，Experimental and Numerical Study of Smoke Behavior in High-rise Stairwells with Open and Closed Windows[J].International Journal of Thermal Sciences，2020，157：106500.

[4]李琰，张燕.连体宿舍楼火灾模拟与安全疏散研究 [J].中国安全生产科学技术， 2019，15（01）： 163-168.

[5]刘朝峰，许强，贾占超.高层住宅建筑火灾应急疏散模拟与策略研究[J].灾害学，2022，37（01）.

[6]LONG-FEI H，MING L，WU-YUAN C，et al. Numerical Simulation and Analysis of On-building High-rise building Fires [J].Procedia Engineering， 2011，11：127-34.

[7]代长青，袁慧.基于FDS的高层住宅建筑火灾数值模拟分析[J].安徽建筑大学学报，2017，25（04）： 14-18.

[8]谢明峰，鲁义.高校教学楼火灾与人员疏散模拟研究[J].消防科学与技术，2021，40（01）：85-90.

[9]张江涛，王景刚，龚凯.基于FDS的公大楼火灾数值模拟分析[J].建筑安全，2015，30（02）：14-17.