风向对高层住宅火灾烟气流动的影响

邹 涛，李晓虹，吴 际

(西华大学土木建筑与环境学院，四川 成都 610039)

1 概述

随着社会经济不断发展，城市化水平不断提高，导致城市居住用地越发紧张，为了满足更多人口居住需求，高层住宅近年来迅速发展。一方面，高层住宅作为社会发展进步的产物，能够更高效率的利用土地空间，同时由于居住环境视野更加开阔，使得居住舒适性得到了提升。另一方面，高层住宅具有建筑体量大、建筑高度高、层数多、电气管路复杂、人员构成复杂等特点，因此相比于多层住宅，高层住宅发生火灾的概率更大，且一旦发生火灾，火灾烟气会严重危害住宅内人员的生命安全。火灾烟气对人体的危害主要来源于四个方面：

1)毒害性。可燃物燃烧产生的烟气中含有大量的有害物质，如CO，CO2，SO2，氮氧化物以及可吸入颗粒物等，人体吸入过量的有害物质后会造成头痛等不良反应，严重的会导致窒息。

2)高温性。火灾烟气的温度一般能达到上百摄氏度，远远超过人体能够承受的极限温度，会灼伤人体皮肤。

3)减光性。火灾烟气蔓延迅速，烟气会吸收周围光线，降低能见度，造成人体视线受阻，无法辨别逃生出口的方向。

4)心理压力。火灾发生会带来很大的心理压力，往往因为慌乱导致不能做出正确的逃生选择，造成人员疏散困难。因此如何有效地减缓火灾烟气通过安全通道蔓延，成为目前学者们研究的重点。

风作为一种空气流动引起的自然现象，为火灾反应提供更多的氧气，加速可燃物内部水分蒸发，同时会吹动已经点燃的可燃物到其他可燃物上，造成火势蔓延和烟气扩散更加迅速，因此减弱风对于高层建筑火势蔓延及烟气流动的影响就显得尤为重要。夏乐天等[1]以某15层办公楼为研究对象，采用FDS软件分析了室外风在不同风速下的火灾烟气流动规律，结果表明风速越大，着火房间外开口中性面越大。史健勇等[2]以高层住宅外墙为研究对象，采用计算机数值模拟方法，分析了不同风速对高层住宅外墙火灾烟气发展的影响，结果表明随着风速增大，热释放速率增大，风速对外墙火灾烟气发展起着显著作用。侯龙飞等[3]应用FDS软件，探究了风速对高层建筑火灾烟气特性的影响，结果表明风速越大，各烟气特性数值越大。尹越等[4]使用数值模拟方法，研究了风速对高层住宅凹型外墙烟气扩散的影响，为高层住宅凹型外墙的设计提供了一些理论参考。

综上所述，在以往建筑火灾烟气蔓延和人员应急疏散研究中，研究人员多采用计算机数值模拟的方法，多为研究风速对室内外火灾烟气流动的影响，较少有系统分析风向对室内火灾烟气流动影响的研究。因此本文以成都地区某高层住宅为研究对象，应用PyroSim软件进行数值模拟的方法，探究不同风向对于高层住宅室内火灾烟气流动的影响，对于高层住宅消防安全设计及人员安全逃生具有重要意义。

2 模型建立

2.1 模拟软件简介

传统主流的火灾模拟软件是FDS，FDS虽然应用广泛，但是该软件建模过程相对复杂，需要一定的编程基础，输入各种指令用于建模，不易学习。因此本文使用PyroSim软件进行数值模拟，该软件是基于FDS发展起来的，在FDS基础上加入了一个图形用户界面，最大的优点是将火灾模拟过程可视化。它对于火灾烟气运动过程能够较为准确的进行模拟，同时可测量火场温度、有害气体浓度、能见度等参数，且更加易于学习，因此目前广泛应用于火灾消防设计等相关领域。

PyroSim软件建立火灾模型的步骤一般为：1)新建文件并保存；2)根据精度需要创建网格；3)导入需要的材料，定义反应类型；4)创建需要的表面类型并定义其属性；5)根据建筑图构建实体模型；6)创建地板、孔洞、通风口；7)创建探测装置和切片；8)设置模拟运行参数；9)检查模型；10)运行FDS；11)得到smoke view可视化窗口运行结果；12)提取数据进行处理分析。

2.2 模型假设

为了使火灾模拟准确的同时简化物理模型，本文进行了以下假设：

1)风向实际上由于空气扰动一直处于变化之中，为了更好的研究风向对烟气流动的影响，假设整个模拟过程中风向是稳定的；

2)实际燃烧过程极其复杂，为简化燃烧模型，选用场模型进行模拟研究；

3)由于仅研究风向对烟气流动的影响，因此假设其他气象条件是固定值。

2.3 参数设置

本文研究对象为成都市某高层住宅。该住宅共两部电梯，每层共六户住户，共三种户型，分为A,B,C三种，建筑层高3 m，层数20层，建筑高度60 m，占地面积482.19 m2。

对于计算网格的确定，从理论上来讲，计算网格划分得越精细，计算结果越准确，但是相应会增加模型计算的时间，因此为了保证计算准确的同时，减少计算时间，选择单位网格为0.5 m×0.5 m×0.5 m，网格总数为91 800个。根据建筑图在PyroSim中建立模型，假定起火位置位于第10层C户型客厅沙发处。由于燃烧物主要是聚氨酯和木材，且火灾发展过程是非稳态的，因此使用快速t2火来描述火灾发展过程是相对准确的。GB 51251—2017建筑防烟排烟系统技术标准[5]中对于不同场所火源最大热释放量给出了参考值，其中不带喷淋的客房最大热释放量为6 MW，因此将火源最大热释放量定为6 MW，假定火源尺寸为0.5 m×0.5 m，因此火源最大功率为24 MW/m2。由GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[6]确定成都地区环境温度16.1 ℃，相对湿度84%，室外大气压94 970 Pa，风速2 m/s。在住户门口距离地面1.7 m高处设置能见度探测器(Visibility)，用于监测烟气流动至住户门外所用时间，方便后续结果分析。保持其他所有条件不变，根据风向设置八种不同的工况，分别为北风(0°)、东北风(45°)、东风(90°)、东南风(135°)、南风(180°)、西南风(225°)、西风(270°)和西北风(315°)，模拟时间定为500 s。

建立的火灾模型平面图如图1所示。

3 模拟结果分析

火灾发生后产生的大量烟气具有很强的减光性，随着烟气的不断流动会使得室内能见度不断降低，导致人员疏散受到影响。对于商场等大空间建筑，最小可视范围为10 m，而对于住宅等一般建筑物，最小可视范围为5 m，当可视范围小于5 m时，烟气会严重影响人员对于安全出口的辨认，使得人员疏散更困难，进而对人员生命安全造成威胁。因此本文以住户门口距地高度1.7 m处能见度降低到5 m作为烟气扩散到住户外的临界点(见图2)。

由图2可知，从测点整体能见度随时间变化趋势上看，火灾初期由于可燃物未充分燃烧，产生的烟气较少，因此火灾初期测点能见度变化不明显，但随着可燃物持续燃烧，同时在风的助燃作用下，火势迅速蔓延，烟气迅速扩散，在极短的时间内测点能见度下降到5 m，其中西南风、东风、东南风、南风整体能见度随时间变化趋势相近，西北风、西风、北风整体变化趋势相近，东北风整体变化趋势明显区别于其他风向。测点能见度降低到5 m所用时间由短到长依次为：西南风<东风<东南风<南风<东北风<北风<西风<西北风，其中西南风所用时间最短，为41.5 s，西北风所用时间最长，为113.5 s。

4 结论

本文使用PyroSim软件进行数值模拟，探究风向对成都地区高层住宅室内火灾烟气流动的影响，得到的主要结论如下:

1)在只改变风向，不改变其他条件的情况下，在火灾初期可燃物燃烧不充分时，烟气扩散速度不快，随着可燃物继续燃烧，烟气会快速扩散，此时对于人员逃生产生很大阻碍，因此火灾初期不仅是火灾扑救的最佳时机，也是人员逃生的最佳时机。

2)所有风向中，西南风能见度降低到5 m所用时间最短(41.5 s)，而西北风所用时间最长(113.5 s)，表明在成都地区西南风对烟气流动影响最大，西北风影响最小。从能见度降低到5 m所用时间可以看出，南风相较于北风，对烟气流动影响更大；东风相较于西风，影响更大。

高层住宅发生火灾时人员需要在短时间内撤离到住户外，以减少烟气对于人员疏散的影响。由于南向风和东向风对于成都地区高层住宅火灾烟气流动影响更大，因此可通过在南向和东向窗户适当减小窗户开窗面积、贴防风条、加装厚窗帘等措施减少南向风和东向风进入室内，减弱南向风和东向风对烟气流动的影响，为人员争取更多的逃生时间，以减少高层住宅火灾的人员伤亡。