排烟口的设置对宿舍走道能见度的影响

张宇金

(四川职业技术学院 建筑工程学院，四川 遂宁 629000)

0 引言

宿舍由于其自身的特殊性，其走廊的宽度窄，纵深长，往往成了消防防御的重要部位。宿舍一旦发生火灾，烟气以火源为中心，在充满着火寝室后，通过门窗向走廊两端蔓延。若火灾未得到及时扑救，加之走廊布局不合理，烟气就会进入走廊，迅速蔓延开来，危及着火层及以外楼层中人员的安全，造成更加严重的影响[1]。其蔓延的范围取决于火灾发生的规模和走道的通风状况，对于整个宿舍来说，一般火灾都是由一个宿舍引起的，火灾的区域只是局部的范围，如果火灾初期发现及时或者走道的通风系统设计合理，则可以有效地控制烟气的蔓延，将火灾区域控制在最小的范围，然后集中力量将其扑灭，为人员逃生创造条件，减少人员伤亡和财产损失[2]。因此，开展宿舍走廊火灾烟气运动规律的研究具有一定的现实意义[3]。

烟气运动规律的研究方法目前主要有理论分析、实验研究，实验研究又分为实体实验和数值模拟实验。一些国家已经把重点放在研究更加智能、简单和实用的模型上，以使广大工程施工人员能掌握更多的理论知识。国内在火灾烟气研究方面起步较晚。在实体实验方面，目前国内仅中科大有条件做这样的实验。因此，本课题主要采用国际上最常用的FDS软件进行模拟分析。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美国国家标准研究所的建筑与火灾研究实验室合作共同研究开发的一款基于场模型的计算流体动力学软件[4]。模拟火场被分割为许多长方体的小单元，假设每个小单元内部气体的温度和速度是一致的，模拟过程中小单元的数量决定了模拟的准确性[5]。当今社会，随着现代化进程不断加快，各种建筑正向多元化发展，人们对安全的重视程度越来越高，对模拟精度的要求也在不断提高，在这样的背景和要求下，性能化防火设计规范如雨后春笋般兴起。FDS火灾模拟软件被国内外很多专家学者都认为是最有效、最方便、最实用的研究火灾烟气的数值模拟软件。本文应用基于场模型的计算流体动力学软件(FDS)，模拟研究了在宿舍走道两端不设置自然排烟口、设置排烟口及设置不同开口高度的自然排烟口情况下，宿舍发生火灾时走道能见度的变化规律。希望能为新宿舍建设设计和老旧宿舍的改造、人员疏散逃生、火灾烟气的有效控制提供一定的理论依据。为新宿舍建设设计和老旧宿舍的改造、人员疏散逃生、火灾烟气的有效控制提供了一定的理论依据。

当今社会，随着现代化进程不断加快，各种建筑正向多元化发展，人们对安全的重视程度越来越高，对模拟精度的要求也在不断提高，在这样的背景和要求下，性能化防火设计规范如雨后春笋般兴起。FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美国国家标准研究所的建筑与火灾研究实验室合作共同研究开发的一款基于场模型的计算流体动力学软件。被国内外很多专家学者都认为是最有效、最方便、最实用的研究火灾烟气的数值模拟软件。本文基于场模型的计算流体动力学软件(FDS)，模拟研究了在宿舍走道两端不设置自然排烟口、设置排烟口及设置不同开口高度的自然排烟口情况下，宿舍发生火灾时走道能见度的变化规律。希望能为新宿舍建设设计和老旧宿舍的改造、人员疏散逃生、火灾烟气的有效控制提供一定的理论依据。为新宿舍建设设计和老旧宿舍的改造、人员疏散逃生、火灾烟气的有效控制提供了一定的理论依据。

1 宿舍概况

通过调研多所学校宿舍走道，实地测量走道的尺寸大小(包括长度、高度和宽度)和查看宿舍走道的整体布局，本文建立一宿舍走道第一层的全尺寸数值模拟模型，走道的长度确定为54m(综合考虑两个排烟口间距离如果大于60m便要设置机械排烟设施)，走廊的宽度为2.0m，走道的高度为3.0m(综合考虑排烟口位置设置在走道净高二分之一以上)。寝室里放置了四张多用床，下边是书桌，上边是床，书桌上摆放的是书籍、文具等学习用品，书桌之间是木质衣柜。如图1所示，为走廊平面图。运用FDS进行数值模拟最基本的就是文本文件的编写，其中，包括：建立网格；模拟时间的设定；边界条件的设定；起火点设定；定义床体；定义输出文件等。

图1 走廊平面图

2 参数的确定

2.1 网格的确定

网格是FDS中最基本的单元，网格的划分不光关系到计算时间的长短，更重要的是其直接关系到计算的精确程度。网格划分得越细，网格数量越大，其计算结果就越准确，但是由此带来的问题是计算时间的增加。在确定网格大小时，必须注意的是模拟对象网格的大小必须在一定的范围内才能准确地计算出流场中的粘滞应力。在这里引入火灾的特征直径D，即火灾烟柱的最小尺度。

(4-1)

式中，D—火灾特征直径，单位m；

ρ—空气密度，单位kg/m3；

C—空气比热，单位kj/kg.k；

Q—总热释放速率，单位kw；

T—空气温度，单位k；

g—重力加速度，m/s2。

FDS的所有计算都是在一个矩形界面下进行的，用MESH命令建立网格时，首先要通过IJK参数来指定网格的数量，其次用XB参数来定义矩形区域的位置和尺寸，根据两个参数就可以看出所划分网格的大小，本文所选取的网格大小为0.1×0.1×0.1m3。XB参数是由6个数字(X1,X2；Y1,Y2；Z1,Z2)组成，X2-X1就是矩形区域在X轴方向的长度，Y2-Y1就是矩形区域在Y轴方向的长度，Z2-Z1就是矩形区域在Z轴方向的长度。其中一种宿舍网格的编写程序如下：

&MESH IJK=76,30,32,XB=-2.3,5.3,0.0,3.0,0.0,3.2/着火房间网格

&MESH IJK=16,540,32,XB=5.3,6.9,0.0,54.0,0.0,3.2/走廊网格

2.2 模拟时间设定

本论文确定模拟时间为1300s。

&TIME T_END=1300.0 /

2.3 边界条件设定

MISC是用于定义各类输入参数的命令，且一个文本文件只能有一个MISC行。MISC命令包含有很多参数，本研究中MISC命令的编写程序如下：

&MISC TMPA=20.0,SURF_DEFAULT=‘WALL’/

&MATL ID=‘GYPSUM PLASTER’

FYI=‘Quintiere,Fire Behavior’

CONDUCTIVITY=0.48

SPECIFIC_HEAT =0.84

DENSITY=1440. /

&SURF ID=‘WALL’

RGB=200,200,200

MATL_ID=‘GYPSUM PLASTER’

THICKNESS=0.012 /

2.4 定义起火点

通过SURF命令的 HRRPUA参数来定义着火源的热释放速率，火源起火后再引燃室内其他一些可燃物。具体的程序如下所示：

&SURF ID=‘FIRE’,HRRPUA=1500,PART_ID=‘smoke’ /

&PART ID=‘smoke’,MASSLESS=TRUE,SAMPLING_FACTOR=1/

&VENT XB=1.6,1.7,2.6,2.7,0.8,0.8,SURF_ID=‘FIRE’ /(着火房间)

2.5 定义床体

通过MATL命令来定义物品的材料组成，通过SURF命令将MATL命令定义的材料进行组合，通过OBST命令将其应用到具体的物品上。床的主体结构为一种OAK木材，其中OAK的主要成分有CELLULOSE,WATER和LIGNIN。床上的被褥和衣柜中的衣物用UPHOLSTERY表示，其中UPHOLSTERY的主要成分有FABRIC和FOAM，二者的一些参数如：比热、导热系数、密度、反应热和燃烧热等是通过MATL来定义的。具体的程序如附录1所示。

bed1

&OBST XB=1.1,1.2,2.2,3.0,0.0,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=1.2,2.4,2.4,3.0,0.6,0.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=2.4,4.0,2.2,3.0,0.0,1.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=4.0,5.2,2.4,3.0,0.6,0.8,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=5.2,5.3,2.2,3.0,0.0,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=3.15,3.25,2.2,3.0,1.8,2.0,SURF_ID=‘OAK’/

&OBST XB=1.2,3.1,2.2,3.0,1.8,1.9,SURF_ID=‘UPHOLSTERY’/

&OBST XB=3.3,5.2,2.2,3.0,1.8,1.9,SURF_ID=‘UPHOLSTERY’/

2.6 定义输出文件

通过SLCF(Slice File)命令，生成一种可视化的二维数据，保存在后缀名为smv的文件中(如Corridor_smoke.smv)。本文主要是从能见度考虑，可视化的二维数据程序为：

&SLCF PBX=6.3,QUANTITY=‘VISIBILITY ’/走廊中间烟气能见度分布

通过DEVC命令测量烟气能见度物理参量。

3 实验结果与分析

3.1 烟气的减光性

烟气的减光性能够降低能见度，使疏散速度下降，烟气的减光性体现在：(1)烟气中的固体和液体颗粒对光有吸收、反射和折射等作用；(2)有些烟气中含有HCl、NH3和Cl2等，这些气体对眼睛有刺激作用，严重影响人的视觉。火灾现场的能见度受多种因素的影响，其中包括烟气的浓度、物体的亮度、烟气的颜色、背景的亮度以及观察者对光线的敏感程度等因素；由于烟气的减光性，实际能够达到的能见距离将远远小于极限视程。实验证明，对环境熟悉的人员在能见距离低于5m时便难以成功疏散。人能够忍受的能见度极限值如下表1。

表1 人能忍受的能见度极限值[6]

3.2 火灾烟气的能见度在走廊的变化

如图2所示，给出了不同时间点走道中间切面能见度截图。

(1)300s时走道中间切面能见度截图

(2)1000s时走道中间切面能见度截图

如图3所示，给出了火灾发生时走道内不同时间点烟气能见度变化曲线。其中，上面(左边)为走廊封闭的情况，中间为走廊两端设有自然通风(通风口为走廊2.5m高度到走廊顶部)，下面(右边)为走廊两端设有自然通风(通风口为走廊1.8m高度到走廊顶部)的情况。根据《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017中第 4.3.3款规定:自然排烟窗(口)应设置在排烟区域的顶部或外墙，并应符合下列规定：1当设置在外墙上时，自然排烟窗(口)应在储烟仓以内，但走道、室内空间净高不大于3m的区域的自然排烟囱(口)可设置在室内净高度的1/2以上。所以本文选取通风口都是设置在走道净高1.5m以上。

在截图中，蓝色(竖轴第四道)代表能见度为0.5-8.0m，绿色(竖轴第三道)代表能见度为8.0-21.5m，黄色(竖轴第二道)代表能见度为21.5-24.5m，红色(竖轴第一道)代表能见度为24.5-30.5m以上。

(1)500s时走廊能见度变化曲线

(2)600s时走廊能见度变化曲线

(3)800s时走廊能见度变化曲线

4 结论

与其他建筑相比，宿舍类建筑由于走道狭长，导致在火灾发生后，火灾烟气极易在走道聚集，火灾危险及危害性更高。为了分析排烟口对宿舍走道烟气运动规律的影响，本研究通过对某大学图书馆宿舍楼进行模拟，得出排烟口对走道能见度的变化情况：

第一，高度越高，能见度越低。在走廊13m和40m距离处，能见度略高于周围，这是因为此处为楼梯间及出口其前室，烟气到达这里后，一部分烟气便通过出口蔓延出去。

第二，通过对三组曲线的分析可知，随着燃烧的加剧，走廊内能见度不断下降，走廊为封闭状态时烟气能见度都低于走廊两端设有自然通风口时的能见度。三种情况中，500s时，1.8m高度处烟气的能见度都已经低于人体的极限视距了，此时，必须迅速撤离火场。因此，建议学校在宿舍走廊内增设逃生疏散指示标志等。

第三，走道两端未设置自然排烟口时，在2.6m高度范围内，能见度变化不大，说明在此高度范围内烟气浓度比较集中。因此，若设置机械排烟口，设置高度不应低于2.6m。

第四，走道两端设置自然排烟口时，能够有效地降低烟气浓度，增加能见度。且沿走道越往远处走，烟气浓度越高，能见度越低。

第五，走道两端自然排烟口设置位置靠上有利于排烟，但是对能见度的影响不是很大。

综上，在一些新建和改建的宿舍楼中，应在走道两端增设自然排烟口；若自然排烟口不能满足要求还应增设机械排烟口，以增加火灾时走道能见度，便于安全疏散。