多层建筑火灾烟气运动的模拟实验研究_朱伟

多层建筑火灾烟气运动的模拟实验研究 朱 伟1 侯建德2 廖光煊1 卢 平1 厉培德1 ( 1中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 2洛阳市消防支队) 学科分类与代码: 62013010 =摘 要> 火灾烟气是导致多层建筑火灾中人员伤亡的主要原因。结合多层建筑的实际情况, 利用缩尺度 模型实验楼模拟多层建筑火灾的典型情况,对其火灾烟气自火源产生后的运动特性进行实验研究。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 烟 气沿程由于热交换温度不断降低,会迅速达到顶部楼层并立即沉降, 而且不同工况条件下所包含的有毒成分浓度 随着火源温度的升高而上升。实验结果的分析能够较好地符合实际火灾的一些典型调查结果。 =关键词> 多层建筑;火灾 ;烟气;木垛火;模型实验楼 Simulative Experimental Studies of Fire Smoke Flow in Mult-i floor Buildings ZHUWei 1 HOU Jian-de2 LIAO Guang-xuan1 LU Ping1 LI Pe-i de1 ( 1 State Key Laboratory of Fire Science, University of Science & Technology of China 2 Luoyang Fire Detachment) Classification and code of disciplines: 620. 3010 Abstract: Fire smoke is an important causation resulted in many casualties in the fire of multi- floor buildings. Typical cases were simulated as multi- floor building fires by a reduced- scale experimental storied building model and the characteristics of fire smoke flow from fire source were studied by groups of experiments referring to actual environment. The results indicates that smoke temperature lowers continuously due to heat exchange, but smoke could rise to upper storey rapidly and sediment quickly, further- more , the concentrations of tox ic components of different cases involved could increase with the temperature of fire source increase. Analysis shows that the results comply well with the investigated findings of real fire. Key words: Mult-i floor building Fire Smoke Wood cribs fire Experimental storied building model 1 引 言 多层建筑已经成为建筑物中的主要形式,有的还包括地 下楼层。然而多层建筑的发展同时也给安全带来了许多问 题,尤其是火灾安全方面。在火灾中, 造成人员伤亡的重要 原因是火灾烟气。据统计表明, 火灾中 85%以上的死亡者 是死于烟气的影响[1] ,该统计数据对于多层多功能的商厦而 言显得更为突出。例如, 2000年12月25日发生的洛阳东都 商厦特大火灾,由于地下二层的家具起火, 造成在顶楼歌舞 厅内309 人死亡的惨剧; 2004 年2 月15 日吉林中百商厦由于 二楼临时仓库着火,造成楼上洗浴中心、歌舞厅的54人死亡 的特大事故。可见,在类似多功能商厦中, 由于烟气的迅速 流动, 人员伤亡的地点往往并非火源附近, 造成伤亡的直接 原因也不是因为火焰的烧灼。 鉴于以上特点, 对于多层建筑的实验研究主要是针对多 层建筑火灾的烟气运动规律, 研究类似建筑中距火源较远处 烟气的温度、成分、流速、性状等特性, 是分析商厦火灾危害 的重要途径。虽然全尺寸实验数据可靠, 结果直观, 但代价 昂贵而且危险性大。因此, 参照实际建筑物情况的小尺度或 者中等尺度火灾实验在火灾研究中占有重要地位[ 2] ,并利用 实验结果针对某一特定建筑的火灾安全评价[ 3] , 同时基于物 理守恒关系及不同尺度下的实验结果, 对于烟气运动的模拟 提出了相应的相似准则, 保证实验结果的可推广性[ 4]。 笔者利用中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 的5层模型楼(见图 1)作为多层建筑火灾缩尺度模拟的实验 场景[ 5] , 模拟典型多层建筑特大火灾的实际情况,再现事故 中烟气运动的特征过程, 分析烟气对类似多层建筑造成的危 害,得到一些普遍性的规律 ,为该类建筑的火灾防治提供了 有意义的参考。 第 14卷第12期 2 0 0 4 年 1 2 月 中 国 安 全 科 学 学 报 China Safety Science Journal Vol . 14No . 1 2 Dec . 2 0 0 4 Administrator 高亮 图 1 五层模型楼外观图 2 实验装置及测量系统 在多层建筑火灾中, 烟气将由起火区向非着火区蔓延, 尤其是通过与起火区相连的走廊、楼梯向其他楼层扩散, 这 将严重妨碍人员的逃生和灭火。驱动烟气运动的因素包括 室内外温差引起的烟囱效应、燃气的浮力和膨胀力、风的影 响、通风系统的影响等[ 3]。该实验中主要考虑的是烟囱效应 和燃烧状况对烟气运动的影响。 以典型商厦火灾为例,进行模拟实验。该多功能商厦地 下二层,地上共4 层。这起火灾首先是发生在地下二层, 燃 烧产生的烟气经过楼梯通道蔓延。由于其他楼层都已关闭, 只有位于顶楼的歌舞厅聚集了大量的人群,而且该商厦的管 理混乱而导致逃生通道多数被封闭, 因此, 当携带有毒物质 的烟气进入顶楼后在厅内大量积聚,最终造成大量人员因烟 气窒息和中毒而死亡。 根据该商厦的功能结构及火灾过程的特点,将实验模型 楼二、三层封闭,在模型楼的底层走廊放置火源,研究燃烧产 生的烟气经过走廊沿楼梯通道上升, 并在4楼蔓延的运动 情况。 实验测量系统在模型楼中的布置如图 2 所示。模型楼 的总体尺寸为长 7. 5 m,宽 5. 5 m,高 7. 5 m, 走廊宽度为 1 m, 高为1 m楼梯通道的截面积为 1 m@ 1 m, 火源位于一层走廊 距端墙 1 m 处。在火源、走廊中间位置、一层楼梯口3 个位置 分别布置一个热电偶耙, 与火源的距离分别为 0. 0 m, 1. 5 m 和 3. 0 m;在 4 层楼梯口也布置了一个热电偶 , 4 层楼梯口距 离一层地面的高度为 4. 5 m。每个热电偶耙上接有 4 个热电 偶,其高度可以在热电偶耙上自由调节, 并通过数据采集系 统接入微机, 以进行及时温度测量。 为了更好地反映火源燃烧和烟气流动的情况 ,还使用了 CCD摄像头及实时图像采集系统对图像进行同步采集。同 时,利用气体成分燃烧分析仪和便携式热线风速仪放置在 4楼楼梯口, 测量烟气蔓延进入 4楼时所携带的气体成分和 流动速度。由于该实验不研究热烟气的微观结构 ,在测量和 计算中采用被测区域内的平均情况是合理的[ 5]。 图 2 实验测量系统示意图 3 实验工况 在许多层建筑中, 以木质为材料的家具、地板、装饰品占 有相当大的比例。而由于木材易燃的中性能, 木质材料也成 为了多层建筑火灾中主要的可燃物之一。同时考虑到以木 棍垂直交叉均匀排列堆成的木垛具有燃烧稳定、重复性好的 优点[ 6] , 因此,该实验选用木垛作为实验研究的燃料,能够比 较合理地符合研究背景, 以及便于对实验数据进行研究。 具体进行的木垛燃烧实验工况及根据上述经验公式计 算得到的燃烧特性如下表所列。表中的 b, L , n , H , m0等参 数都为木垛的外形尺寸,分别代表单根木棍的截面边长、长 度, 单层木垛的木棍数、木垛的总高度和初始质量。 实验工况 序号 b( cm) L ( cm) n H ( cm) m0( kg) 1 4. 5 30 4 9. 0 3. 05 2 4. 5 30 4 18. 0 6. 20 3 4. 5 30 4 27. 0 9. 07 4 3. 0 30 4 6. 0 0. 95 5 3. 0 30 4 12. 0 1. 84 6 3. 0 30 4 18. 0 2. 71 7 2. 0 30 4 4. 0 0. 50 8 2. 0 30 4 8. 0 0. 97 9 2. 0 30 4 12. 0 1. 57 #19#第十二期 朱伟等: 多层建筑 火灾烟气运动 的模拟实 验研究 Administrator 高亮 4 实验结果及分析 411 建筑物内的烟气运动过程的图像采集 利用 CCD摄像头,实时记录烟气在一楼和 4 楼走廊运动 的过程。以工况 3 为例, 图 3 和图 4 分别给出了该工况下一 楼和 4楼烟气运动过程的情况。 图 3 工况W3条件下一楼烟气运动过程 图 4 工况W3 条件下楼烟气运动过程 木垛在一楼燃烧,产生的烟气由于温度较高,密度较小, 向上运动并逐渐沉积。同时烟流在顶棚对其下方空气的卷 吸速率较低,能够沿着顶棚扩展相当长的距离。因此, 对于 长走廊通道而言, 也能与一般的室内火灾一样, 形成明显的 分层现象。然而, 烟气的堆积主要发生在燃烧的初期, 由于 存在向上的楼梯通道,具有向上运动浮力的高温烟气能够迅 速通过楼梯口沿着竖井向上运动, 即产生烟囱效应。但是, 进入4 楼的烟气并不会形成明显的烟气层。通过相同时间 一楼和 4 楼烟气状态的对比, 可以看出,烟气能够迅速从火 源位置运动到顶部楼层, 在一层烟气分层现象明显的时候, 在 4楼也由于烟气的涌入导致能见度显著降低。 412 建筑物内温度的变化 火灾烟气自火源产生, 经过一层走廊进入楼梯通道, 在 楼梯通道的竖井中运动后进入 4 层。利用热电偶耙测量烟 气在这段运动过程的沿程温度变化。在充分燃烧阶段,每个 测量点烟气温度变化比较平稳。图 5 给出的是在充分燃烧 阶段木垛火产生的烟气在不同位置的温度情况, 所取的温度 值为该位置热电偶耙测量到的最大值。 可以看出,在大多数情况下, 随着烟气的流动方向,烟气 沿程温度逐渐降低。这是由于从火源流出的烟流在机械通 风动力、自然风压和火灾动力效应的作用下, 向温度较低的 区域流动,使火源影响区域不断扩大。而烟流在流动过程中 需要不断与沿程进行热交换, 因此, 烟气减少热能, 温度下 降。同时,也使沿程周围环境不断接受烟流所携带的热能, 图 5 不同工况下烟气沿程温度变化 因此,环境温度也会升高。虽然 4 楼距离一楼走廊顶端的火 源较远,但从图中可以看出, 由于烟气的流动, 4 楼楼梯口的 温度较常温有一定的升高。并且,随着火源温度的升高, 4 楼 楼梯口的温度在大体上也有着增长趋势。但是, 通过对实验 结果与可燃物的研究,温度的变化情况与木垛的质量变化没 有呈现出明显的规律。这需要通过对木垛堆放形式、燃烧特 性等方面入手作进一步研究。 需要注意,当火源温度过高时, 烟流沿程温度变化趋势 有可能出现不规则情况,如图 5的工况 6 所示。由于火势太 大,导致燃烧剧烈情况下的火焰抖动, 或火焰蔓延扩大火区 范围,从而使火源附近位置的烟气沿程温度急剧升高。 #20# 中 国 安 全 科 学 学 报 China Safety Science Journal 第1 4卷 200 4年 413 四楼楼梯口 CO2 和 CO 浓度及流动速度的 测量 木垛的主要可燃成分为碳,碳燃烧的气态产物是 CO2 和 CO。火灾烟流与新鲜风流相比, 气体浓度改变较大的也是 CO2和 CO[ 1]。根据研究表明, 在火灾人员的伤亡中, 大约 50%是由烟气中 CO中毒引起的。 图 6给出的就是不同工况下烟气进入 4 楼楼梯口时所 能达到的最大 CO2 和 CO浓度。可以看出, 随着工况的改变, 烟气运动到该位置所携带的 CO2 和 CO成分浓度变化趋势大 体相同。 w - CO2 浓度 u - CO 浓度 图 6 不同工况下四楼楼梯口 CO2 和 CO最大浓度 有数据表明, 人员在 CO2 和 CO 浓度分别超过 5 000 @ 10- 6和 100@ 10- 6时, 即可能有不适的感觉, 长时间在这样的 环境停留, 会有中毒现象发生[ 2]。从图 6 可以看出 , 虽然在 模型楼内进行的实验所用木垛的火源功率不大, 但其 CO2 和 CO的最大浓度均已分别超过 70 000 @ 10- 6和 400 @ 10- 6 , 由 此可见, 一楼可燃物的燃烧所产生的大量烟气, 经过楼梯通 道的蔓延扩散运动,所携带的有毒成分对其他楼层同样能造 成相当的危害。 同时,利用热线测速仪对烟气进入 4 楼楼梯口时的流速 进行了测量。在燃烧过程中烟气的流动受到环境干扰较大, 对烟气的危害性从最不利的角度考虑, 取测得的最大流速, 与木垛燃烧处的最高温度比较, 其结果如图 7 所示。可以看 出,除火源温度较低的前两个点以外, 随着木垛燃烧达到的 最高温度的升高, 烟气流过 4 楼楼梯口的速度也呈上升的 趋势。 结合图 7和 4. 1的实验结果,可以看出烟气能够迅速经 过楼梯通道运动到上部楼层,而且烟气流速能随着火源温度 的升高而加快。因此, 相比于烟气沿程温度的变化, 烟气中 所携带的有毒气体成分造成的危害更为显著。这与洛阳 / 12#250特大火灾及吉林/ 2#150特大火灾等实际火灾中原因 调查是相符的。 图 7 烟气最高流速与火源最高温度的关系曲线 5 结 论 通过分析不同工况实验得到的模型楼内烟气沿程温度、 携带的 CO2 和 CO浓度以及运动过程的图像采集等数据, 针 对多层建筑火灾的特点,着重对建筑中人员疏散安全需要考 虑的问题,可以得到如下结论: ( 1) 火灾烟气自火源产生, 由于与周围物体存在着热交 换,沿程温度一般呈现下降的趋势, 同时也导致环境温度的 上升。但在火源燃烧强度过大时,沿程温度也有不规则变化 的情况。 ( 2) 相对实际火灾情况而言,该实验采取的火源功率并 不大,但在距离一楼火源位置较远的 4 楼,烟气所携带的 CO2 和 CO 浓度仍均已超过人体所能接受的最大浓度临界值, 同 时,对于不同工况, CO 和 CO2 有着比较接近的变化规律。 ( 3) 根据图像采集和流速测量结果,燃烧产生的烟气能 够迅速沿着楼梯向上面楼层运动 ,并在上部楼层迅速沉积, 而不会出现分层现象来延缓烟气下降, 并且随着火源温度的 升高,流速也有上升的趋势。 ( 4) 从实验结果证实: 多层建筑发生火灾后,由于烟囱效 应的影响,烟气的迅速运动对上部楼层人员的疏散具有重要 的妨害,尤其是烟气毒性(浓度)能够迅速达到并超出人体所 承受的极限, 而温度则需要在火源功率较大的情况下才能造 成致命伤害。因此,多层建筑火灾防治中, 合理安排正压送 风, 安装排烟风机、防烟空气幕等设备[ 7]对烟气进行控制是非 常有必要的。 ( 5) 根据对实验尺度下的模拟实验结果的分析, 结合对 实际的多层建筑火灾情况的调查, 可以看出, 在某些方面能 够基本相符。合理考虑火灾燃烧、流动特性等的尺度关 系[2] ,能够更深入地分析多层建筑火灾烟气运动的危害性。 (收稿: 2004年 9 月;作者地址: 安徽省合肥市;中国科学技术大学(西区)火灾科学重点实验室;邮编: 230026) (参考文献见第 8页) #21#第十二期 朱伟等: 多层建筑 火灾烟气运动 的模拟实 验研究 图 10 隧道或防风吹雪走廊洞口风吹雪防治工程示意图 4 结 语 笔者针对道路工程积雪灾害的安全设计研究和采取预 防应对措施的探讨, 得出以下几点因地制宜, 综合治理的思 路和方法: ( 1) 通过对风吹积雪灾害的分析, 给出了道路中用于防 治此类灾害的工程措施,积雪灾害的防治, 涉及工程安全, 进 而涉及人民生命安全,工程设计中必须引起高度重视。 ( 2) 通过对积雪灾害研究, 提出在铁路勘测设计过程中 对积雪灾害应采取/以防为主, 防治结合0的原则。在雪害区 铁路选线阶段,充分认识雪害的危害性, 正确掌握雪害产生 的规律性,对雪害给予充分的估计和考虑。 ( 3) 目前,积雪灾害防治措施的研究, 各设计、建设时均 应地制宜,采取不同的工程防治措施, 达到各自期望的效果。 ( 4) 由于部门的不同, 工程设计中各自也应相互借鉴, 互 相弥补不足,为积雪灾害的防治提供了一定资料的支持。为 确保工程、人民生命的安全, 有必要作出比较系统综合,以便 实际使用。 ( 5) 对于积雪灾害的治理应因地制宜, 采用综合治理的 方法 ,即多种工程并用, 合理设置,综合配置工程类型比单一 工程治理更合理、有效。 (收稿: 2004年 9 月;作者地址: 北京市西外上园村;北京 交通大学土木建筑工程学院交环所;邮编: 100044) 参 考 文 献 1 王彦龙等.雪崩及其防治[ M] .北京: 科学出版社, 1979: 23~ 39 2 王存牛.天山公路拉尔墩大坂气候条件与风吹雪危害[ J] . 新疆地理, 1983, ( 9) : 44~ 52 3 胡汝骥,姜逢清. 中国天山雪崩与治理[ M] . 北京: 人民交通出版社, 1989: 77~ 89 4 胡汝骥等.山区道路雪害防治[ M] .北京:科技文献出版社, 1990: 7~ 11 5 胡汝骥.中国天山降雪与季节性雪崩的基本物理特征[ J] .干旱区地理, 1985, ( 6) : 72~ 91 6 张培坤.公路风吹雪的雪阻防治[ M] . 北京:科学出版社, 1976: 14~ 35 (上接第 21页/朱伟等:多层建筑火灾烟气运动的模拟实验研究0) 参 考 文 献 1 霍然,胡源, 李元洲. 建筑火灾安全工程导论 [ M ] . 合肥:中国科学技术大学出版社, 1999 2 J. 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