基于PyroSim的高校宿舍火灾数值仿真

王妍(首都经济贸易大学,北京 100070)

基于PyroSim的高校宿舍火灾数值仿真

王妍(首都经济贸易大学,北京 100070)

高校宿舍是典型的人员密集场所,为了有效保障师生的人身安全,对高校宿舍的火灾蔓延情况,应用火灾模拟软件PyroSim建立模型并进行数值仿真进行模拟。分析烟气、温度、能见度等因素对于逃生的影响。并根据分析给出合理的建议。

高校宿舍火灾 PyroSim 火灾数值模拟

1 引言

高校宿舍是学生们休息的地方,学生有一半的时间在宿舍度过,如果发生火灾事故很可能造成大量的人员伤亡和财产损失,因此做好高校宿舍的火灾研究和预防工作具有十分重要的意义。近年来,高校火灾频繁发生,给高校宿舍的消防安全敲响了警钟[1]。例如,2003年2月20日清晨,武汉大学某男生宿舍楼一个寝室突发大火,火借风势瞬时吞噬了整个三楼22间寝室,大火被扑灭时,3楼烧得只剩下断壁残垣;2003年11月24日,俄罗斯人民友谊大学学生宿舍楼失火,造成41名学生死亡,将近200人受伤,其中遇难的中国留学生11名;2007年1月11日,东北师范大学研究生宿舍楼发生火灾,浓烟将十一层高的宿舍楼笼罩,楼里百余个寝室的500多名学生被困;2008年5月5日,中央民族大学28号楼6层一个女生宿舍发生火灾,上千名女生被迫疏散;2008年11月14日上午6点10分左右,位于上海中山西路的上海商学院发生火灾,烟气把四名女生逼到阳台,最后四人从6层楼高的宿舍跳下,不幸全部身亡[2]。

我国多数高校宿舍建造的时间比较早,消防设施陈旧以及日常管理中对安全疏散不够重视,一旦发生火灾事故,宿舍内人员能否及时、合理地疏散逃亡直接关系到学生和宿舍工作人员的生命和财产安全。因此,研究高校宿舍火灾事故是十分必要的。随着计算机科学技术的发展,采用计算机软件对火灾情况进行模拟,获得火灾中的一些重要参数,可以有效地指导人员逃生[3]。用以描述建筑物内部火灾事故的模型已经有很多种,比如CFAST、FLUENT、PHOENICS、JASMINE、FDS等。笔者以某高校女生宿舍为研究对象,利用火灾模拟软件PyroSim分析了发生火灾时具体烟气、温度等方面情况,为现实中的高校宿舍发生火灾等紧急情况下的人员逃生提供指导。

表3 .1 网格参数设置

图4 .1 t=70.8s的温度切面图(单位℃)

2 PyroSim软件简介

PyroSim软件是一款用于消防模拟的软件,是在FDS的基础上发展起来的。PyroSim是最著名的开源燃烧动力学仿真软件Fire Dynamics Simulator(FDS)的图形界面软件。其最大的特点是提供了三维图形化用户界面的模拟设计和执行。友好的用户操作界面,包括建模、边界条件设置、火源设置、燃料材料设置等均可以轻松的完成。不仅如此,PyroSim 软件可以模拟预测火灾中的烟气流动情况,并对火灾中烟气的运动、温度、和毒气浓度进行准确预测分析。

3 数值建模

3.1 学校女生宿舍楼介绍

本文所选模型来自于某高校女生宿舍楼。该宿舍楼共4层,每层约高3m,东西长81m,南北宽15m,总面积为1215平方米。宿舍楼1层有47个房间,其中2个卫生间,2个洗漱间,1个过厅,1个管理间,41个住宿间;2层到4层楼每层有49个房间,其中2个卫生间,2个洗漱间,45个住宿间。每个住宿间的入住人数为4人,共有1名管理人员和704名住宿女生,为典型的人员密集场所。一般情况下三个楼梯均开启,大门也开启,但除大门以外的逃生门处于关闭状态。该女生宿舍经过合理简化,建立女生宿舍PyroSim模型。

3.2 PyroSim建模

3.2.1 网格参数的选取

由前文所述,房间尺寸为3m×6m,高3m。中间过道宽为3m。模型的计算区域长X=81m,Y=15m,Z=12m,采用直角坐标网络,均匀分布,取网格参数见表3.1,最小网格尺寸1.5m×1.0m×0.5m,网格总数为19,440个,在坐标系中形成精细的网格。

3.2.2 火源和模拟参数的设定

建立的模型尺寸为81m×15m×12m。结合当前国内外的研究成果和工程的实际情况,设置燃烧物质功率:480kw,模拟时间为400s。着火源为楼梯1旁的宿舍。在模拟宿舍人员逃生时,由于温度和烟气是干扰人员疏散的主要因素,而烟气的遮光性和障碍物的封闭效应对逃生时的可见度又有影响,因此选用温度、烟气和能见度参数来反映火灾的危害性。

4 模拟结果与分析

4.1 烟气

图4.2 一层的楼梯1温度-时间曲线

有研究表明:火灾发生时,2/3以上的人员死亡是由烟气导致的[4,5]。因此,有必要对烟气的运动方向和分布进行研究。模拟结果表明,由于火源在楼梯1旁的宿舍内,高温烟气主要先通过楼梯1迅速向上运动,然后向楼道两侧扩散,这时大量烟气集中在一层和四层的楼梯1附近(t=0-63.6s),然后通过楼梯2烟气上下运动(t=73.2-93.6s),在横向扩散同样主要集中在一层、四层,最后通过楼梯3,在二层、三层楼道充满烟气,此时全部楼层已充满烟气(t=246.0s)。在315.6s时,烟气的浓度已经很大,能见度极低,情况危险,而烟气还在聚集。

4.2 温度

设定温度切片平面(Y=7.5m,位于楼道中央)。由下图的温度分布云图可以观测到,在燃烧一段时间后,温度急剧上升,t=70.8s时到最高温度,最高温度集中在一层如图4.1。由于四层的温度比二层和三层的温度上升的更快,因此主要分析一层和四层的温度变化对于逃生时的影响。在高校宿舍由于逃生方式全部是通过楼梯间进行,因此在各层三个楼梯口设置温度探测器。火源在楼梯1旁的宿舍内,因此一层的楼梯1的温度在短时间内急速上升如图4.2所示,在逃生时,住在高层的学生不适合选择楼梯1进行逃生。图4.3、图4.4分析可知,最高温度为楼梯2一层的温度大约在43℃,低于安全疏散温度60℃,所以温度对相关人员安全疏散无影响。楼梯2和楼梯3均可选作为逃生路线。

图4.3 一层(左)、四层(右)的楼梯2时间曲线图

图4.4 一层(左)、四层(右)的楼梯3温度-时间变化曲线

4.3 能见度

烟气的遮光性直接影响使能见度,发生火灾后,影响人员逃生的一个极为重要的因素就是能见度[6]。根据上述烟气的走势和分布以及人员的逃生选择主要集中在楼梯2和3,确定能见度探测器位置设置在四层的楼梯2和3。四层的楼梯2在75s内的能见度为30m,然后急剧下降,在80s左右就下降到5m以下,对逃生极为不利。四层的楼梯3在120s内的能见度为30m,然后马上降低到5m逐渐趋近于0m。由此,楼梯2最佳逃生时间在75s内,楼梯3最佳逃生时间在120s内。

5 结语

高校发生火灾的主要原因有明火引燃、使用电器不当、不遵守宿舍安全管理规定胡乱使用大功率电器等等,因此,为了避免发生火灾,学生和宿舍管理人员应该严格遵守宿舍安全管理规章制度。作为人员密集场所,高校宿舍一旦发生火灾对学生的生命财产带来非常严重的威胁。利用火灾模拟软件PyroSim表明,烟气、温度、能见度对人员逃亡疏散有直接影响,因此安装机械排烟机、自动喷淋系统、逃亡指示灯十分有必要。不仅如此,学校也应该定时的进行安全疏散演习。

[1]李琳,程远平,吴蕾,宋艳.高校学生宿舍消防安全疏散[J].消防科学与技术,2010(2):122-125.

[2]乐增,金润国,毛龙,湛鑫.高校宿舍火灾数值仿真模拟[J].中国安全生产科学技术,2009(2):51-55.

[3]刘涛,李葳.礼堂火灾情况下人员疏散过程的计算机模拟[J].消防科学与技术,2008(1):10-13.

[4]Hietaniemi,J.,S. Hostikka,J. Vaari. FDS Simulation of Fire Spread—Comparison of Model Results with Experimental Data[R].Finland: VTT Building and Transport Press,2004:20-32.

[5]Kevin,M.,B.Klein,S.Hostikka,et al. Fire Dynamics Simulator(Version5) Technical Reference Guide[R].USA:NISTIR,2008:47-48.

[6]崔武远,刘禹辰,侯龙飞,肖丽娜.基于FDS与Pathfinder的宾馆火灾与人员疏散数值仿真[C].2010(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会.中国辽宁沈阳:2010.

王妍(1990—),女,北京,研究生在读,研究方向:安全技术。