基于FLU ENT的电梯井火灾烟气蔓延模拟分析

王黎斌 周俊坚 舒立琼

（1.杭州市特种设备应急处置中心 杭州 311200）（2.杭州市特种设备检测研究院 杭州 311200）

1 引言

随着我国经济的发展及城市化进程的加快，电梯保有量近年来成几何级数增长，据2017年全国特种设备安全状况通报，我国电梯数量已达562.7万台，电梯已成为生产生活中的必备交通工具，对其使用安全性的研究具有非常重要的意义。高层建筑由于其内部竖井、火灾载荷大、人员密集的特点，一旦发生火灾，火灾将迅速蔓延，人员疏散困难，由于电梯产品设计及土建结构原因，电梯井道及轿厢均不具备防烟排风功能。根据现有规范标准，除消防员电梯外，其余电梯均无法保证在火灾情况下安全运行。因此，在未配备消防员电梯的建筑内，研究如何在火灾发生时利用电梯高速、高效的输送特点进行人员疏散，是一项具有极大应用前景的研究课题。在2006年，公安部上海消防研究所和上海市特种设备监督检验技术研究院召开了“高层建筑火灾情况下使用电梯疏散可行性研究”论证会，并在会上提出了利用电梯进行火灾疏散的设想[1]。

在对电梯疏散可行性研究中，主要存在电梯供电、耐高温、防火、防烟、控制等各方面问题。其中，烟气是火灾中最大的一种危害，且烟气具有蔓延速度快的特点，可以使得空气中的含氧量快速下降，直接对人身造成伤害，部分物质燃烧后产生的有毒气体也会对人体造成致命伤害，此外，随着燃烧的进行，烟气的温度会上升至几百甚至上千度，造成灼伤事故[2]。因此高层建筑中电梯井道的烟气蔓延情况是决定电梯能否用于火灾疏散的关键因素。本文通过计算机模拟的形式，对电梯井道进行建模，模拟火灾发生时电梯井道内的烟气蔓延情况，通过对烟气情况的分析，判断火灾发生时电梯运行的可靠性。

2 FLUENT火灾模拟

2.1 井道建模

建筑高度是影响火灾疏散速度的重要因素，对高层电梯井道内烟气的蔓延规律的研究是分析电梯疏散安全的关键，烟气流动的驱动力主要有浮力和膨胀力、烟囱效应、风的作用、通风系统的影响、电梯的活塞效应等[3]。电梯移动时，轿厢对井道内部空间的推挤和抽吸作用将影响电梯井、前室压力变化，从而影响烟气的蔓延，通过计算机模拟的方法仿真井道内烟气蔓延的规律，对工程实践有着重要的指导意义。

模拟轿厢为一个宽1.5m，深1.8m，高2.2m的箱体，箱体上方有一个0.3m2通风孔，火灾时，烟雾可能通过通风孔进入轿厢，轿厢在井道中做垂直往复运动，设定建筑层高5m，电梯提升高度45m，厅门缝隙为5mm，通过该缝隙井道与电梯前室空间形成对流。结构图如图1所示。

2.2 烟气蔓延仿真

本文计算模型网格划分类型及网格尺寸，选择动态层技术网格更新方法[4]，井道内网格划分均采用六面体网格模型，在井道内厅门门缝处进行细化，网格方向与烟气流向方向一致，为保证计算结果收敛，对网格高宽比及单元尺寸变化进行限制，由于轿厢箱体存在通风孔，其区域不封闭，因此本文通过其移动时周围的烟气情况来判断此时轿厢的安全性。

图1 高层建筑井道立面图

由于火灾燃烧的过程较为复杂，本文只考虑火灾中危害最大的热量和烟气因素，火灾产生的烟气视为多组分的理想气体，空气和烟气的流动遵循理想气体状态方程，同时假设井道中除厅门门扇间隙外，无其他开口，将烟气动力设为质量源项和热量源项，烟气流动为非定常湍流流动，模型选择湍流模型，湍流参数通过湿周公式和湍流强度公式计算获得。

为准确分析实际烟气蔓延规律，根据实验数据对燃烧的产热量和产烟量进行赋值。设定起始位置轿厢位于井道底部，轿厢运行速度1m/s，建筑内流体为空气，温度为300K，初始环境压力为标准大气压，火源位置位于井道底部，根据《建筑防排烟技术规程》[5]，选择模拟工况为设有喷淋的公共场所，由于井道高度较大，考虑仿真效果，适当增大火源功率至4MW，燃烧释放物质为CO2，在各楼层层门处设置压力入口—压力出口的进出口边界条件，以此研究火灾发生时厅门处的烟气蔓延情况。模拟火灾发生时，烟气对上行中轿厢的影响。

如图2所示，当井道底部起火时，由于烟气分子热量及重力影响，高温烟气将缓慢包围轿厢，这是由于轿厢静止，井道内压力变化较小，由热烟的浮力和热烟囱效应引起的建筑内压差变化不明显，由模拟可知，当井道底部火灾发生时，火源附近温度极高，位于底部的轿厢周围被高温烟气包围，烟气将由轿厢顶部通风孔及轿门门扇间隙进入箱体，对乘梯人员造成灼伤及烟气伤害。此时乘梯有较大安全隐患，同时，高温烟气可能导致轿顶及轿内电气线路损坏，电梯故障风险较大。

图2 初始烟气蔓延图

图3 轿厢运行5s后烟气蔓延图

当电梯向上方向运行时，此时由于烟气浮力作用，高温烟气继续向上蔓延，轿厢仍被烟气包围，可见轿顶仍有高浓度烟气存在。

图3显示了轿厢运行5s后烟气蔓延状况，图4显示了轿厢运行20s后烟气蔓延状况，由图可知，轿厢继续向顶部运行时，由于正烟囱效应影响的加大，烟气蔓延速度相应增大，同时由于井道上下温差，烟气在井道内产生分层。厅门门扇间隙与井道内形成的对流导致在门扇附近的烟气浓度较井道背面偏低，表明烟气会向前室扩散，仿真结果表明，底部发生火灾时，烟气会向全井道蔓延，并会通过空气对流向前室扩散。因此，火灾发生后的井道，若无相应排烟正压设施，烟气会始终将箱体包围，即便轿厢已远离火源，电梯仍不可用于火灾疏散。

图5、图6显示了轿厢运行25s后的井道烟气蔓延情况及烟气蔓延速度，由于活塞效应和烟囱效应的影响加剧，井道内的烟气越来越充足，井道内部被高浓度烟气充斥，井道含氧量也随着减少，由于轿厢的通风换气与井道相通，因此此时轿厢内的含氧量也会急剧下降，同时箱体内部烟气含量持续上升，随着时间推移，井道内部烟气浓度将继续升高。由图6可知，烟气蔓延速度最高点为起火点及井道后方，这是由于前室空气与井道内部产生对流的影响，由于压差的变化，导致井道烟气运移速度成非线性变化。

图4 轿厢运行20s后烟气蔓延图

图5 轿厢运行25s后烟气蔓延图

图6 轿厢运行25s后烟气蔓延速度图

3 结论

由仿真结果可知，火灾发生时，井道内部烟气会迅速蔓延至全井道，由于轿厢在井道内部做垂直运动，轿厢四周充斥的高浓度烟气会经轿厢通风装置及轿门门扇间隙进入箱体，对乘梯人员造成伤害。此外，由于烟气温度较高，井道内部也会由于烟气灼烧产生高温，使得电梯井道内及轿厢内的电气线路产生断路风险，因此，火灾时通过电梯疏散，极易造成由于电梯故障导致困人停梯后，被烟气持续伤害的风险。因此，在未设置排烟正压装置的电梯井道内，使用电梯作为高层建筑火灾疏散工具，具有很大的风险。研究结果还表明，对井道内烟气蔓延的控制，是研究电梯作为疏散工具可行性的关键，对井道进行温度控制及烟气控制，确保火灾发生时，轿厢周围温度不会超过设备承载极限，且烟气不会蔓延至箱体内部，是电梯作为火灾疏散工具的基础条件。