基于Pyrosim的某学生宿舍楼火灾数值模拟

0 引言

近年来，学生宿舍火灾事故屡见不鲜，每年发生数百起宿舍火灾事故，电器设备是引发火灾最主要的因素之一，一些学校的宿舍楼建于数十年之前，线路早已老化，完全达不到现在的安全评估标准，加之学生宿舍存在例如拖线板、热水壶之类的设备，稍有不慎就会酿成火灾，2008年11月14日，上海某高校一女生宿舍因违规使用电热快引发火灾，致使4人死亡[1]。此外，吸烟也是引发宿舍火灾的重要因素之一。学生宿舍楼一般为4人间或6人间，建筑结构较为单一，单层房间数量众多，人员密度大，消防通道不足以满足短时间内大量学生的疏散。同时，宿舍内例如床单、被褥、桌椅等物品燃点较低，一旦发生火灾，将产生不可估量的损失。

对于学生宿舍的火灾研究，国内外学者做了大量的工作。起初，专家学者们通过创建实体模型来模拟火灾过程，但是该方式成本过高、试验可复制性不强、结果精确度不高。计算机数值模拟技术的出现极大的改善了这些问题，借助计算机强大的计算处理能力和成像技术，使用有限元法或者有限容积分析方法，能够有效的进行不同工况下的火灾模拟。龙新峰等[2]应用Pyrosim研究某六层宿舍楼发生火灾时门窗全开和着火房间窗户闭合、门开启状态下的烟气蔓延状况。邹馨捷等[3]应用Pyrosim研究自动喷淋灭火系统是否失效对火灾烟气流动的影响，结果表明在窗户同时打开的两种工况下，喷淋系统开启状态下烟气浓度、温度、能见度改善显著。王丽等[4]基于FDS+EVAC对某高校一栋6层宿舍楼的疏散能力进行评估，结果表明可用安全疏散时间小于必需安全疏散时间，并提出增加出口净宽度和降低人员密度的改善建议。Teeranon Saelao等[5]基于FDS将火源设置在靠近露天楼梯的房间，研究逃生出口尺寸和是否安装挡烟板对建筑疏散的影响，结果表明，提高门的尺寸和增加挡烟板能大幅降低疏散时间。

Pyrosim是一款由美国标准技术研究院（NIST）研发的火灾动态仿真模拟软件，广泛用于火灾发展和烟气运动的研究[6]。Pyrosim在火灾仿真模拟应用的范围十分广泛，并且支持FDS和DFX等格式的模型文件的导入，用户在其设计界面可以自己创建模型，设置边界条件、火源、着火点和燃烧材料，用于研究不同工况下的火灾烟气流动规律，并且可以对仿真结果进行后处理，运行结束后可以在可视化程序Smokeview中观察整个火灾的各个发展阶段和烟气流动过程，通过实验设置的监测设备还能生成烟气温度、能见度、浓度等火灾指标的变化曲线图。

1 模型创建

1.1 工程概况

本文研究对象为某高校一栋男生宿舍楼，共5层，每层楼30个房间，整栋楼148间房间，其中5间洗衣房、143间学生寝室，每间房间长8m，宽6.8m，面积是54.4m2，每层楼层高3m，每间房间可住4人，每层楼有2个安全出口，楼梯宽度为1.8m。该宿舍楼修建于上世纪八九十年代，房间内电路、水管、桌椅床铺等设施投入使用时间较长，一些设备已不符合安全评估标准，宿舍楼内未安装排烟系统、火灾报警装置以及自动喷淋灭火系统。

1.2 火灾场景设置

火灾场景是对一场火灾整体发展过程的定性描述，并重点体现该次火灾的特点，以区别于其他可能火灾的关键事件[7]。宿舍楼内由于书籍、被褥等可燃物较多，本文研究的是电器由于使用不当点燃被褥、书桌而发生火灾。假设每间宿舍及可燃物布局几乎相同，床的材质是泡棉和纺织物，桌子的材质是木料，地板、墙壁、楼梯都是瓷砖、钢筋混凝土等惰性表面不参与燃烧反应。设置火灾的类型为快速火，热释放速率为1500kW/m2，并设置该栋宿舍楼的模拟网格，由于模型较大，将网格分割成三部分，左右两侧的网格单元大小为1.0m*1.0m*1.0m，中间网格单元大小0.5m*0.5m*0.5m，网格总个数为123165个。本次模拟将火源设置在宿舍楼2F中间房间的桌子旁，模拟电器着火实验。在该火灾场景下，分别在每层楼距离楼层地面以上1.9m处设置监测截面（2D切片），监测烟气可见度，温度、一氧化碳、二氧化碳、氧气等气体扩散情况，假设所有门窗都开放。

2 FDS模拟结果分析

2.1 烟气蔓延情况分析

火灾往往伴随大量有毒黑色烟气产生，一些无法被及时排出的烟气可能会出现沉降现象，致使建筑物内部能见度迅速降低，人员视线受阻。本文研究火灾设置在2F中间某间宿舍内，起火后，烟气在房间内迅速蔓延，短时间内能见度剧烈下降。100s时，黑色烟气已经向相邻房间蔓延，左右两侧四个房间内遭到烟气入侵，除火源附近外其他区域能见度良好；火灾持续到200s时，烟气已经蔓延至2F所有房间，能见到显著降低，部分烟气通过开启的窗户排出至室外。火灾持续到300s时，2F火灾烟气蔓延速度降低，烟气层开始下降，越来越多的烟气从窗户排出。

2.2 能见度分析

能见度是衡量火灾发展规模的重要指标之一，烟气中含有大量的固态或液态的悬浮颗粒，这些悬浮颗粒对可见光有吸收、反射和折射作用，对室内能见度产生巨大影响。根据澳大利亚《消防工程师指南》中的相关规定，楼层2m处取能见度低于5m为临界值，能见度低于此临界值就会影响人员疏散[8]。起火后，烟气沿着中间过道向两侧流动，大部分房间未遭到烟气入侵，可视情况良好；64.7s时，烟气的蔓延致使整个过道的能见度开始低于5m，并开始向疏散楼梯间入侵，此时已达到影响人员疏散的能见度临界值，2楼全体人员需在此时间之前到达疏散楼梯间；火灾发展到169.6s时，整个2楼全部区域的能见度都低于5m，如图1所示，人员疏散撤离时极易发生拥挤骚乱情况甚至踩踏事故。

图1 火灾场景169.6s时的能见度5m范围分布图

2.3 温度分析

温度时衡量火灾发展规模的另一项重要指标，对人员能否安全疏散至关重要。正常情况下，人体在超过80℃的环境中无法忍受1h,本文设定超过80℃即达到人类承受临界值。温度变化过程如图2所示，100s时，火势尚未完全蔓延开来，除火源周边区域以外，环境温度仍然保持常规20℃，火源四周温度上升至200℃以上，火源房间对面的过道聚集了大量热烟气，温度高达620℃；火灾发展到200s时，越来越多房间涌入高温烟气，随着热烟气的扩散流动，中部过道区域温度有所降低；300s时，2楼中部区域温度稳定在300℃左右，高温区域面积进一步扩大，过道局部区域温度达到80℃，其余大部分区域温度无显著变化。模拟过程中，左右两侧疏散楼梯间的温度几乎没有变化，对人员疏散影响不大。

图2 不同时刻2楼的温度分布图

2.4 CO浓度分析

火灾产生的烟气中，一氧化碳是最危险的剧烈有毒气体[9]。当人体吸入一氧化碳后，血液中的血红蛋白与其结合形成碳氧血红蛋白，从而丧失运输氧气的能力，造成人体内器官缺氧中毒。不同浓度下人体可承受限度如表1所示，本文设定浓度超过1*10-3mol/mol则会对人体产生危险。

表1 不同浓度一氧化碳人体可承受的时间及症状统计表

一氧化碳的浓度变化如图3所示，起火房间一氧化碳浓度快速上升，10秒钟就到达人体可承受一氧化碳浓度，此时若该房间内尚有人员未及时撤离，随着一氧化碳浓度的继续升高，将会有生命危险，最高浓度将近6*10-3mol/mol，在120s后稳定在5*10-3mol/mol左右。65s时烟气到达左右两侧楼梯间，随后楼梯间CO浓度缓缓上升，左侧楼梯间在165.3s时浓度达到1*10-3mol/mol，突破人体承受范围，对未疏散人员将产生巨大威胁。右侧楼梯间在模拟过程中CO浓度始终低于1*10-3mol/mol，在人体可承受的范围之内。

图3 2楼不同位置的CO浓度变化图

3 结论与建议

3.1 结论

本文为研究学生宿舍火灾烟气发展规律和危险性，利用Pyrosim研究某学生宿舍楼2楼中间宿舍电器使用不慎起火的情况，验证在门窗开启，无防排烟、无自动喷淋系统状态下的火灾烟气蔓延情况，通过对温度、能见度、CO浓度等量设置测点和切片进行测量，结果表明温度的变化主要发生在起火房间及相邻房间区域内，对于安全疏散楼梯间的影响不大。2楼整体区域能见度在169.6s时就降至5m，对于人员安全疏散威胁很大。起火房间的CO浓度上升极其迅速，165.3s时在左侧楼梯间浓度达到危险值，所以危险系数较高，不符合人员疏散要求。

3.2 建议

学生宿舍作为学生日常生活和休息的重要区域，消防安全需得到更多的重视，根据本文数值模拟结果来看，该宿舍楼不符合人员疏散要求，学校应从加强消防设施配备、提高消防意识、加强学生管理等手段作出相应改善。一是宿舍天花板中应添加挡烟垂壁，挡烟垂壁可以很有效的阻止烟气在顶棚的流动，同时还能加强各个分区的排烟效果，阻止火势的进一步扩大；第二，疏散楼梯处应添加防火卷帘，待各层人员全部撤离完成后将各层防火卷帘进行闭合，从而阻挡烟气继续向安全疏散通道蔓延。第三，添加排烟管道，利用机械排烟设备可以快速有效的将有毒烟气排出至室外，降低室内烟气浓度，保持室内形成一个负压环境，为人员安全逃生创造有利条件。最后，要提高学生的消防安全意识和自救能力，学校应该经常组织学生进行防火演习，培养消防技能，同时加强消防管理，禁止在宿舍内使用大功率电器，完善各楼层消防设备的配备。做好各方面的消防管理工作，才能尽可能避免火灾事故的发生，给学生营造一个良好安全的生活环境。