火灾烟气动力学特征研究综述

张春枝 梁惠惠 豆鹏亮 易宗立 刘颜

摘要：火灾烟气动力学特征是火灾科学领域的重要研究方向，对于火灾预防、火场逃生及火灾扑救等方面具有重要意义。现综述火灾烟气动力学特征的研究，从火灾烟气的研究方法、不同建筑的火灾特点、影响烟气流动的因素以及人员安全疏散的影响因素等方面着手，通过分析已有研究，以期为火灾防控工作提供更为科学、有效的理论支持。

关键词：烟气运动规律；建筑；安全疏散；火灾

近年来，随着高层建筑的发展，火灾烟气的控制和防范已成为消防安全领域的重要问题。火灾产生的烟气是有毒、有害气体和颗粒物的混合物，其动力学特征对于火灾的蔓延、人员疏散和灭火等方面具有重要影响。本文旨在综述近年来国内外关于火灾烟气动力学特征的研究成果，探讨其研究现状和发展趋势，为相关领域的研究和实践提供参考。

1 建筑火灾烟气的研究现状

20世纪70年代，美国哈佛的Emmons在质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理的基础上，对建筑火灾的区域模型进行了相关研究，标志着火灾科学研究的开始。对于建筑火灾的研究，研究者们根据不同的建筑结构采用了多种模拟模型，包括区域模型、场模型以及场区混合模型等，对不同建筑火灾烟气的传播机理、运动规律以及防控策略等进行了深入研究。随着计算机技术的不断发展，通过模拟火灾的热力学过程，研究者们可以预测火场内的温度分布、烟雾浓度分布、烟雾流速等参数，进而评估不同防排烟系统和烟气治理技术的效果。

2 火灾烟气动力学特征的研究方法

在火灾烟气动力学特征的研究中，常用的方法有软件模拟和实体实验两种，主要以软件模拟为主，采用的软件以FDS（Fire Dynamics Simulator）为主。火灾烟气模拟计算模型包括场模型、区域模型、网络模型、探测器响应模型、疏散模型以及混合模型。

2.1  FDS模拟

火灾荷载是人员密集场所衡量火灾隐患和火灾危险性的重要指标，是建筑物内所有可燃物由于燃烧而可能释放的总能量。火源热释放率HRR（Heat Release Rate）是单位时间内材料燃烧所释放的热量，是描述火源特性的重要参数。FDS模拟时，模拟的网格尺寸越小，模拟得到的结果越精准，越接近实际。此外，通过研究发现，对于大型商业综合体、大型公路隧道等，由于受到模拟时间的制约，所设定的最小网格都比较大，从而造成了仿真结果与真实情况之间存在很大差异，这也是数值仿真的一个缺陷。

火灾探测器可分为点型火灾探测器、线型火灾探测器、吸气式感烟型火灾探测器。应根据保护场所可能发生火灾的部位和燃烧材料的分析，以及火灾探测器的类型、灵敏度和响应时间等选择相应的火灾探测器。对火灾形成特征不可预料的场所，可根据模拟试验的结果选择火灾探测器。

2.2  实体实验

通过仿真模拟，可以更快速地得到数据。但是，在各种假设和简化的情况下，模拟场景还不够准确，一些参数与实体实验仍有一定的差别，而实体实验可以更合理地演化出火灾情景下烟气的蔓延和流动状态[1]。李晴[2]等人通过实体实验得出，隧道烟气温度的变化趋势符合火灾火源燃烧特性曲线。高云骥[3]等人建立了一个10：1比例的竖井隧道模型，对纵风作用下的竖井隧道的烟气特征进行了分析。

3 不同建筑的火灾特点

在对多起火灾事故进行研究后，人们发现火灾中产生的大量烟雾是造成人员伤亡的关键因素。

在商业建筑中，由于人流量较大且商品种类繁多，一旦发生火灾，人员恐慌导致的踩踏事故和易燃商品迅速燃烧产生的强力火势，将构成极其严重的安全隐患。李晨光[4]等人对商业建筑公用楼梯展开疏散研究，得出增加楼梯宽度能满足人员安全疏散的要求。白芳[5]针对商业建筑提出了防火针对性对策。闫金花[6]研究得出，对于商业建筑重特大火灾事故，报警延迟是火灾处置中影响最大的因素。

地下建筑多以地铁站和地下商业体以及隧道为主。地铁是快捷、方便、环保、节能、载客量大、准时性强的城市轨道交通工具，已经成为解决城市交通问题的重要手段。为保证人员安全撤离，最有效的措施就是制定合适的防烟措施。地铁火灾时，早晚高峰时段和复杂构造会导致疏散困难、救援和扑救难度大，需研究地铁火灾烟气动力学特性。地下商业建筑存在隐患，通风条件等因素也会制约疏散，需深入研究以争取疏散时间。

工厂类建筑具有结构多样、体量大、生产设备多、管线复杂、存储易燃易爆物品、燃烧条件充分等特点。一旦发生火灾，火势会异常猛烈，甚至工厂内的电气线路和通风管道也可能成为火灾蔓延的渠道，因此必须采取严格的防火措施和安全管理措施，以确保人员和财产安全。Liu[7]等人对某水电站地下工厂展开了全尺寸的实验，结果表明，在自然通风下，通过垂直竖井，形成了显著且稳定的烟雾分层。

隧道在公路建设中至关重要，但其狭窄的视线条件往往会导致车辆碰撞和火灾等事故。隧道的密闭性使得火灾发生时消防人员的疏散和救援工作变得尤为困难。更为复杂的是，汽车塑料部件在燃烧过程中会产生大量烟尘，进一步增加了疏散和救援的难度。隧道火灾的烟气蔓延、温度、能见度以及CO含量等参数的变化极其复杂，会受到多种因素的影响，如通风井的位置、风速、隧道坡度、风帘的设置以及喷气风扇的使用等。这些因素交织在一起，使得烟火的蔓延过程难以精确掌握，给灭火工作带来了极大的挑战。因此，对隧道火灾的预防和应对需要高度的专业性和全面的考虑。

综上所述，这些建筑均属于火災高发区，且一旦起火，极易造成严重人员伤亡，因此，对这些建筑的烟尘特性进行深入研究，对于火灾相关的科学研究与防火建筑具有重要的现实意义。

4 影响烟气流动的因素

4.1  火灾荷载

普通办公楼活动式火灾荷载平均值为651MJ/m2。白赟和袁松[8]重点对比分析了在高、低海拔下，隧道火灾在不同的火源功率下，烟雾的温度和CO浓度的变化情况。结果表明，30MW火灾洞内CO浓度大于20MW火灾洞内CO浓度，其中火灾规模为20MW时，CO浓度在着火600s以内就达到了600ppm的最大值，此后CO的分布范围逐渐扩大；火灾规模为30MW时，着火400s内，洞内CO浓度达到800ppm的最大值，随后CO在上坡区蔓延。

综上，当火灾荷载变化的时候，烟气温度和CO浓度也在随之变化，火源的最大温差在垂直火源的行进方向上。

4.2  火灾场所

付邦举[9]探讨了地铁枢纽站灭火救援方案，并根据权重等级表得出某地铁枢纽站的防火等级良好。郑冠霞[10]得出中庭可以极大地降低烟雾浓度，降低人员伤亡。在隧道中，在火源的横截面位置上，烟气分支流动呈对称分布，烟气呈“S”形分布，火源紧贴侧壁。王康[11]为弥补现有地铁火灾风险评估方法的不足，提出了一种将故障树与贝叶斯网络相结合的地铁火灾风险评估方法。黄琼[12]利用粒子滤波器算法估计了隧道中的火烟的蔓延速率。雷鹏[13]等人采用1/10比例模型对一条岔道内的烟流进行了数值模拟，并与单个隧道内的烟流进行了比较，结果表明，在隧道内，空气卷吸对隧道内的最高温度以及烟流状况有直接影响。

4.3  外界环境

在自然通风隧道斜面上设置一口风井，可以有效控制斜面上的烟尘扩散。Wang[14]等证明了在竖井断面不变的情况下，隧道的长宽之比应该尽量减小。在车站候车室内有很多种燃烧物质，由于可燃物的类型和放置方式的不同，火势的发展速率也是不一样的。消防情景则是以最不利的疏散情景为研究对象，如车站疏散通道内的火灾情景。屏蔽门的开启可以降低地铁站台的温度，并可以加快烟雾向轨道的扩散，從而使站台上的烟雾变得更少，这对于人员疏散以及消防救援来说是非常有利的。张文武[15]等得出，在发生平台火灾的情况下，入口和出口的机械补风速度要优于自然补风，而入口和出口机械补风的烟温差异不大。Liu[16]等证明，在站台发生火灾时，如果启动喷水灭火系统，则可以抑制温度上升，使烟雾早期快速地在平台底部扩散，而没有排烟系统的情况下，则会向楼梯方向扩散，外挂楼梯的使用也能大幅度提高疏散效率[17]。矫磊[18]对必需疏散时间分析发现，占比较大的有教室滞留时间、楼道疏散时间和教室门口疏散时间，针对此情况提出了相应的建议以减少必需疏散时间。

5 火灾对人员安全程度的影响

研究表明，火灾生成的副产物的温度、气体的种类、能见度等因素都会显著影响人员的安全疏散时间。

5.1  人员安全疏散时间

建筑物发生火灾时的安全撤离，是指在火灾发生时，在烟尘尚未危害到人身安全时，使建筑物内的人员得以安全撤离。在建筑物火灾中，对人员的安全疏散时间进行预报，就是要构建一个火灾探测和人员疏散的物理模型，对全部的安全疏散时间进行估算，只有在人员的安全疏散时间比人员的必需疏散时间短的情况下，才能最大限度将人员的伤亡和财产损失降到最低。

5.2  建筑结构

李宇辉[19]研究了地铁分岔角度对烟气蔓延的影响，得出相同火源功率下，分岔角度对临界风速影响较小，而火源位置对临界风速影响较大。高力[20]将仿真设计算法应用于防火监督中不仅可以降低火灾发生率，还提升了人员疏散的时效性。陈大庞[21]分析了地下建筑中烟气的流动过程，研究了影响烟气流动的因素，提出了一些火场排烟的战术，以期为消防指战员最大化避免烟气危害提供借鉴。

综上，对于具体场所的火灾发展特性和烟气流动规律，要有针对性进行防排烟研究、布置措施。

5.3  人员密度与特性

在人员撤离到安全地点所需要的时间RSET，小于火灾发展到对人造成威胁的时间ASET，也就是说，只有在ASET－RSET＞0时，人员才能撤离出来，二者的差值越大，说明安全疏散的可靠性越高。同时，随着人口密度的增加，疏散的安全时间也会延长。

6 结束语

通过对火灾烟气相关方面文献的阅读分析，得出以下结论：①通过数值仿真与物理实验相结合的方式，研究者们发现，室外风速、射流风机、建筑结构、可燃物种类、燃烧参数、消防系统、卷帘门打开与否等都将对火灾中的烟雾运动产生不同的影响，从而更加精确地掌握火灾中的逃生时机，为火灾中消防人员进行有效营救提供可靠的依据。②由于试验费用高昂，研究者大多采用数值仿真软件进行火灾仿真，而采用试验方法进行火灾仿真的文献较少，特别是针对轨道交通建筑物的试验更是鲜有报道。总而言之，对于不同类型建筑物的火灾进行研究，使消防员能够更好地使用现有消防工具将烟雾排出，从而提高灭火安全性，是一个很有价值的方向。

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