基于Pyrosim的学生宿舍楼不同着火点火灾发展规律分析

吴 壮 亢 永 赵孟孟 马书业

(北京石油化工学院，北京 102617)

0 引言

近几年，高校学生宿舍楼火灾事故时有发生， 2015-2019年全国发生高校宿舍火灾2314起，平均每天发生高校宿舍火灾事故1.3起[1]。高校学生宿舍楼属于人员高聚集场所，学生在宿舍内使用违规电器、吸烟等行为都可能引起火灾事故，而宿舍内易燃物质多，比如学生的被褥衣物及生活用品等，一旦发生火灾事故，蔓延速度极快，瞬间释放出大量黑色烟雾，严重影响人员疏散，极易造成不可估量的后果。

学生宿舍楼火灾一直是学者研究的热点，影响学生宿舍楼火灾发展的因素有很多，邹馨捷、龙新峰等[2-3]基于Pyrosim和Pathfinder研究学生宿舍门窗开闭状态对宿舍火灾发展规律的影响；Zhen Xu等[4]学者提出地震对学生宿舍喷淋系统影响的预测模型，研究喷淋系统对学生宿舍火灾发展规律的影响；Baalisampang Til等[5]提出三角形安装火灾探测器模型，可减少探测器的激活时间，并结合机械排烟系统减小火灾损失；唐莉青[6]基于Pyrosim研究防火门对高层建筑火灾发展规律的影响。由于学生宿舍楼内部结构较为复杂，不同着火点火灾的发展规律也有所差异，张爱然等[7]模拟高校宿舍不同着火点的火灾危险时间，但作者只考虑温度和能见度对疏散的影响，对高校宿舍火灾发展规律的研究还不够全面。

由于学生宿舍楼难以以试验方式来研究其发展规律，故一直以来学生宿舍楼火灾发展规律缺少实验数据，Pyrosim是美国国家标准与技术研究院发布的一款火灾动态模拟软件，Qi Sun等[8]以美国椰子林夜总会火灾事故为已知模型，通过建筑信息模型软件对椰子林夜总会1∶1建模，以Pyrosim模拟火灾发展规律和伤亡人数得出的模拟结果与真实事故相差无几，这从侧面印证Pyrosim模拟室内火灾事故的可行性，Pyrosim可以仿真模拟火灾发展的温度、能见度、烟气层高度、CO浓度等参数，能较全面的得出火灾发展规律。本文以Pyrosim为基础，设置4种不同工况，综合考虑温度、能见度、烟气层高度、CO浓度的发展规律，全面还原不同工况下学生宿舍楼的火灾发展规律，从而为人员疏散及建筑防火设计提供参考。

1 模型建立

1.1 Pyrosim火灾模拟理论

Pyrosim结合四大守恒方程及气体状态方程来仿真模拟火灾动态过程[9]：

(1)能量守恒方程：

(1)

式中：

ρ—气体密度，kg/m3；

h—比焓，J/kg；

u—速度矢量，m/s；

p—压力，Pa；

q″—热通量矢量，W/m2；

q‴—单位体积的热释放速率，W/m3；

φ—耗散函数，W/m3。

(2)动量守恒方程：

(2)

式中：

gn—重力矢量，通常为(0，0，-g)，g为重力加速度，g=9.8m/s2；

f—外部矢量，kg/(m2·s2)；

τij—牛顿流体粘性应力张量，Pa。

(3)质量守恒方程：

(3)

(4)组分守恒方程：

(4)

式中：

Yi—组分i的质量分数；

Di—组分i的扩散系数，m2/s；

Wi—单位体积第i种组分的质量生成速率。

(5)气体状态方程：

(5)

式中：

T—气体温度，K；

R—气体常数，R=8.314J/(mol·K)；

Mi—组分i的分子量。

1.2 Pyrosim模型及参数设置

模拟以安徽某高校男生学生宿舍楼为现实基础，建立1∶1模型，研究高校学生宿舍楼不同着火点的火灾发展规律。学生宿舍楼共6层，除1层外每层有28个房间，整栋宿舍楼共有5个安全疏散口，一个为学生宿舍楼大门供学生平常进出宿舍，其余4个只供紧急疏散使用，如图1。首先建立一个56m×20m×23.2m的计算域，将计算域网格划分成406 000个0.4m×0.4m×0.4m大小的网格；根据着火点的不同，将模拟工况分为4种(见表1)，火源面积设为1.5m×1.5m×1.5m的方形火源，采用快速火模型，火源热释放速率为1000kW/m2[10]，这是由于宿舍内的被褥衣物、木制床板等都为极易燃物品，遇到点火源会在短时间剧烈燃烧形成一个热源向周围辐射热量并伴随大量黑色烟雾蔓延。

图1 安徽某高校宿舍模型建立

表1 高校宿舍火灾工况场景设置

2 结果分析与讨论

2.1 温度分析

温度分布是火灾发展的重要参数之一，由温度分布规律可以得出学生宿舍楼火灾的热对流路径，为安全疏散提供参考，也是判断人群是否可以安全疏散的重要参数，本模拟取室内2m高度处的温度大于60℃为安全疏散的临界值[11]。工况一至工况四着火点中心处的X轴温度切片，如图2。虽然着火点的热释放速率都为1 000kW/m2，但X轴切片最高温度却相差很多，由于工况一、三、四都是发生在房间内的小空间火灾，着火点短时间释放大量热量而且房间内通风质量不佳，导致房间内温度迅速上升，最高温度超过500℃，大大超过人体所能承受的60℃；工况二对比其他工况最高温度只有170℃，这可能是由于工况二的着火点在1层楼梯转台下方，不是密闭空间且靠近疏散口，火源释放的热量通过对流、辐射等方式传递至宿舍外或向高楼层蔓延造成的。

图2 不同着火点房间X轴切片

宿舍走廊是安全疏散的必要通道，走廊通道的温度对于安全疏散至关重要。火灾发生300s时4种工况条件下各楼层走廊的温度切片，如图3。工况一、三、四都是发生在房间内的火灾，但工况一、工况四的最高温度都在80～90℃之间，工况三的最高温度达到110℃，造成这一差距的原因可能是工况三的着火点在楼层中部，距楼梯道较远，热对流受限，导致温度积聚；工况二走廊温度最低，对人体伤害也最小，在300s时最高温度为60℃，但工况二的温度辐射范围最广，影响范围最大，几乎遍布所有楼层。

图3 走廊处Y轴温度切片

1层楼梯转台是疏散的必经之路，转台温度是否在人体可接受范围内是关乎安全疏散的重要参数。本模拟在各工况的1层楼梯转台处均设置热电偶探测器，由于工况一、四的着火点都在2层以上的房间内，故对1层楼梯转台温度几乎无影响，始终在可接受温度范围内；工况三的着火点在1层房间内，由于烟气扩散伴随着热量辐射，造成1层楼梯转台温度上升12℃左右；工况二时1层楼梯转台处温度在50s时就达到60℃，100s时接近140℃，远远超过人体所能承受的温度，所以在工况二情境下疏散应尽量避开着火点所在楼梯道，如图4。

图4 工况二、三1层楼梯转台处温度

2.2 烟气层高度分析

火灾疏散的困难不只在于高温的影响，更多的是因为可燃物不完全燃烧所产生的微小固体烟雾颗粒对人体的伤害，而宿舍火灾产生的微小固体烟雾颗粒会在楼梯间形成蓄烟池效应，直接影响高层人员的疏散，这也是很多火灾事故的致死原因并非高温而是窒息[12]。刘世松[13]给出烟雾层安全高度的定义一般式：

Hs≥Hc=Hp+0.1Hb

(6)

式中：

Hs—清晰高度，m；

Hp—人员平均高度，m；

Hb—建筑内部高度，m；

Hc—危险临界高度，m。

本模拟为男生宿舍，人员平均高度取1.7m，建筑内部高度为3.5m，通过式(6)计算保守选取1.9m为危险临界高度。工况一、三、四都是室内小空间火灾，着火点房间烟气层高度下降曲线，如图5。由图5可知，着火点房间烟气层高度在火灾发生5s内就已经下降到危险临界高度，10s后火源产生烟雾的速度与烟雾扩散速度达到动态平衡，最终烟气层高度稳定在1.5m。

图5 着火点房间烟气层高度下降曲线

Pyrosim的3D Smoke可以直观看到火灾的发展情况，有利于研究烟雾的扩散规律。火灾发生300s时各工况火灾烟雾的扩散情况，如图6。工况一、三、四的烟雾扩散规律相似：烟雾从着火点房间向外扩散，主要沿着走廊向楼梯扩散，先在火源点近处的楼梯道上方积聚，随着时间推移烟雾逐渐扩散至另一侧楼梯道并在其上方积聚，但中间宿舍内的烟雾浓度较低，几乎不受影响；工况二情境下火源产生的烟雾顺着楼梯道向顶层扩散，导致顶层各个房间均有不同程度的烟雾积聚，且2-5层房间也有少量烟雾积聚，但1层房间几乎没有烟雾积聚。

图6 各工况情景下烟雾扩散积聚实况图

2.3 能见度分析

烟雾扩散会影响宿舍内部的能见度，根据澳大利亚《消防工程师指南》给出的能见度标准，取楼层2m处能见度低于5m为临界值，当能见度低于临界值时就会影响人员疏散，且能见度降低可能会引发踩踏事件，造成二次伤害。为研究上述4种工况火灾下的能见度情况，在各楼层2m处设置能见度切片，并将2m处能见度小于5m区域设为危险区域。从图7可以看出，工况一火灾着火点在2层房间内且靠近右侧，火源产生的烟雾通过一侧窗户及时排出宿舍外，对除着火点房间以外的其他区域影响较小，各楼层走廊、房间能见度都在可接受范围内，但3层楼梯转台处能见度较低；工况二火灾下，由于着火点在1层楼梯转台下方，形成烟囱效应，烟雾顺着楼梯道向上扩散，迅速在顶层积聚大量烟雾，能见度很快降低至5m以下，并开始向走廊扩散，300s时顶层走廊能见度基本处于10m以下，靠近着火点楼梯一侧的房间和走廊已经低于可接受能见度，随着楼层的降低不可接受能见度的覆盖区域向楼梯道缩减，但着火点楼梯道的能见度始终处于不可接受范围内；工况三火灾下，300s时1层着火点及楼层两侧能见度较低，其他楼层能见度基本都在可接受范围内；工况四火灾下，1-2层的能见度几乎不受影响，3-5层的能见度基本都在5m以上，顶层楼梯道及其附近房间受烟雾影响较大，能见度较低。

图7 各工况下能见度分布情况

2.4 CO浓度分析

CO可与人体血液中的血红蛋白结合，使血红蛋白失去运送氧气的能力，导致人体因缺氧窒息死亡，这里参考Mingxin Li等[14]所采用的人体在不同浓度CO中的伤害程度，见表2。

表2 不同浓度CO对人体伤害程度

本模拟选取的材料为尼龙材料，燃烧时产生大量的有毒有害混合气体，工况一、三、四着火点附近的区域均在10s内达到致死浓度，工况二由于烟雾扩散范围大，产生的CO被及时稀释，故CO浓度积聚相对较慢，如图8。

图8 各工况着火点房间内CO浓度

3 消防安全措施建议

本模拟以安徽某大学男生宿舍楼为原型，分析不同着火点下火灾温度、烟雾、能见度、CO浓度等参数的扩散及传播规律，以模拟火灾实况图、切片、曲线图的形式展现出来，从模拟结果及数据可以得到如下消防安全措施：

(1)对比学生宿舍楼4种工况下的火灾温度与烟雾扩散图，不难发现两者的传播扩散具有高度重合性，这也印证火灾温度主要是以烟雾为介质向四周传播，故及时排除火灾烟雾是防火工作的重要一环。

(2)工况二情境下烟雾在楼梯道发生烟囱效应，导致烟雾顺着楼梯道向上扩散，顶层快速积聚大量烟雾，烟气层快速下降至危险高度，对顶层人员疏散极为不利，在顶层增加天井、机械排烟等措施可大大降低火灾烟雾对疏散的影响。

(3)工况一、三、四情境下，由于热气球效应，着火点产生的烟雾会沿着楼层走廊天花板向两侧传播，积聚在走廊两侧，直到烟雾层积聚到窗户上边框时才能排出宿舍外，若在窗户上方主动安装机械排风，可有效减少烟雾积聚。

(4)工况一、三、四情境下，着火点房间内的烟雾难以及时排除，可燃物燃烧产生的CO积聚，快速达到致死浓度，故消防救援人员应佩戴防毒面具，以防CO中毒。

(5)4种工况下烟雾扩散都是由着火点向顶层和着火点所在楼层走廊两侧扩散，最后聚集在顶层和走廊两侧，当宿舍内人员无法安全疏散时，应尽量在较低楼层的中部房间，并紧闭门窗，防止烟雾进入。

4 结论

本文基于Pyrosim研究学生宿舍楼不同着火点位置的火灾发展规律，综合考虑温度、能见度、烟气层高度、CO浓度等火灾重要参数在4种工况下对人体伤害及学生疏散的影响，结果表明CO浓度可在火灾发生后极短时间达到致死浓度，防范CO中毒是减少火灾伤亡的重要途径；另外本研究较全面地还原各火灾工况下学生宿舍楼内的温度及烟雾的发展规律，为建筑防火设计及火灾疏散路径规划提出防火设计建议。

人为干预会使火灾发展规律发生变化，本研究未考虑人为干预对学生宿舍楼火灾发展规律的影响，下一步还应结合人为干预因素对学生宿舍楼火灾发展规律进一步探究，以得出更全面的学生宿舍楼火灾发展规律。