高层建筑火灾网络模拟
 

摘要高层建筑防灭火以及人员疏散的正确决策,关键在于对灾变条件下高层建筑中风流参数变化的正确预测,特别是在采取一定的风流控制措施之后各通道内风量、风向、烟流蔓延范围、烟气浓度变化等参数的预测。论文全面地介绍了全风网网络模拟软件HRBFS的基本原理、组成部分、软件特点、系统的结构以及需要输入的数据等。模拟软件可以有效地校验消防四大系统的设计和运行,并能为消防决策和建筑火灾事故分析提供有力的依据。

关键词:高层建筑火灾  网络模拟  消防决策

中图分类号:TU7  文献标识码:A  文章编号:(200502-0018-03

 

高层建筑火灾网络模拟

 

谢旭阳

 

1.前言

由于建筑火灾的巨大危害性,长期以来国内外进行了大量研究,并取得了很大的成就,主要表现在消防救灾设备、火源探测及报警仪器、建筑耐火材料和灭火剂的研制以及有关防灭火法规的制定等方面;而对于火源燃烧行为、烟流蔓延规律的研究及取得的成果相对较少。致使消防四大系统(自动报警系统、自动喷淋系统、防排烟系统、人员疏散系统)的设计和运行有效性校验、消防决策和建筑火灾事故分析往往处于经验判断的阶段,缺乏相应的理论基础。由于人的能力限制,难以凭经验确定火灾时期烟流参数(流量、速度、浓度、温度等)的动态变化及蔓延规律。所以,必须进行火灾火源燃烧行为规律和烟流在整个建筑物内蔓延规律的研究。

高层建筑火灾由于其内在的发火特点,若在发火初期不能及时有效地控制火灾的发展,往往会造成重大人员伤亡及财产损失。长期以来,设计人员以及现场人员在高层建筑火灾的设计和防治中积累了丰富的经验,但仍未脱离定性分析的阶段,在复杂通风系统中,火灾救援决策及有效地疏散仍是一件十分困难的工作。大量统计资料表明,由于各种新型合成材料的大量出现和广泛应用,使高层建筑火灾中造成死亡的首要原因发生了明显的变化——烟气窒息和中毒成为高层建筑火灾中致死的主要原因。根据美国的调查[1],美国火灾中由于烟气致死的人数在1994年将达到80%。同时,在这些中毒或者窒息而死的人中,大约有三分之二(67%)的人是在离起火地点较远的地方死亡的。因此需要了解火灾发生时烟流在整个建筑中的流动规律以及采取控制后的效果,从而避免更大的人员伤亡和财产损失。

高层建筑防灭火以及人员疏散的正确决策,首先取决于灾变条件下对高层建筑中风流参数变化的正确预测,特别是对火灾初期以及采取一定的控制措施之后各通道内风量、风向、烟流蔓延范围、烟气浓度变化等参数的预测。这些都需要对火灾条件下的烟流流动规律进行研究,从而采取有效的措施来指导防灭火以及人员疏散。

高层建筑火灾模拟主要有场模拟、区域模拟以及网络模拟。网络模拟把建筑物中的一个受限空间作为一个单元体,假设每个单元体内部的状态参数(如气体温度、组分浓度等)是均匀的,火灾过程的发展表现为构成整个建筑物的各单位内部参数的变化。网络模型中每一个房间只需用一个均匀参数来表示,它适用于远离火源且混合已基本均匀的区域。高层建筑的全风网计算机动态模拟是把整个高层建筑物视为一个系统,将整个建筑简化为各个房间、厅室、走廊、竖井、管道等组成的一个通风网络,通过对火源燃烧行为、烟流蔓延规律的研究,建立相应的数学模型,利用计算机技术模拟火烟在整个建筑物内蔓延的规律(包括风流流量、风流温度、有害气体浓度、气体压力的动态分布等)。

目前国内外对网络模型的研究越来越多。根据理论分析及墙壁与风流传热模型的建立[2],在网络风流动态模拟的基础上,编制了适用于高层建筑火灾全风网计算机动态模拟软件HRBFS[3]High-Rise Building Fire Simulator)。模拟软件HRBFS是在矿井火灾模拟软件MFIRE[4]基础上发展的一种网络模型。模拟软件MFIRE与其它火灾模拟软件相比,在有循环风或风流逆转时的烟流跟踪、热传导等诸方面具有很多优势。国外专家将MFIRE应用于高层建筑火灾模拟,并将其它模型与软件MFIRE进行了比较[6],从比较的结果可以看出,该模拟软件用于高层建筑火灾模拟方面也具有一定的优势。HRBFS继承了MFIRE动态模拟技术,同其它模拟软件相比也具有同样的优势,同时HRBFS在火源燃烧特性曲线、烟流温度动态计算、结果的输入与输出等方面进行了修改和补充[3]HRBFS能够计算风流流量、风流温度、有害气体浓度、气体压力等随时间的变化,为模拟防排烟系统的效果和确定最佳疏散路线提供了基础数据。

2.基本原理和模拟方法

建筑火灾网络模拟是将建筑物视为具有一定通风阻力的通道相互连接而成的网络系统,其中通道汇合处被视为物理性质均匀的节点。网络模型对通道的空气流动采用一维流动假设,即在通道的同一横截面上风流的风量、浓度、组分等参数均匀一致。这一模型应用于高层建筑火灾通风模拟,比较接近火灾已达到稳定阶段或火源火势发展已趋稳定的情况。高层建筑火灾从发生到发展,往往在很短时间内达到准稳态阶段,建筑物内参数可认为已均匀分布,这时一维模拟的前提成立,可用网络模拟方法进行模拟。网络模拟的基本原理包括: 质量守恒、阻力定律、能量守恒以及节点处温度和烟流浓度的计算。

在火灾条件下还需加入火源参数、室内空气温度分布、高温烟气与周围壁面间的热量传递、组分分布等模型,这些模型连同正常条件下的计算模型一起构成火灾条件下的网络模型。

火灾时期风流状态动态模拟,就是应用计算机数值分析方法,解算通风网络各分支风量、风温、风压、有害气体浓度等参数在火灾影响下的动态变化及风流逆转的位置、时间及影响的一种技术。在模拟软件中,运用的是火灾风流稳态、非稳态、准稳态模拟的理论和方法。根据火灾的发展,模拟包括四个部分:烟流及有害物蔓延模拟、稳态模拟、准稳态模拟、非稳态模拟部分。

2.1 烟流及有害物蔓延模拟

烟流和有害物浓度的模拟主要应用质量守恒定律。火源燃烧生成的烟流和有害物以一定浓度沿通道流动,在到达通道交汇处,即风网各节点时,与来自其它通道风流混合,形成新的浓度并由该节点的流出通道向下风侧继续流动,在新的节点处继续混合,以新的烟流和有害物浓度继续流动,直至排出建筑物。

为进行烟流和有害物流动的非稳态模拟,通道风流分为若干具有相同烟流和有害物浓度的控制体,控制体以与风流相同的速度流动。当控制体在通道交汇处相遇时即消失形成新的控制体。由于建筑风网中还有多个节点,在不同时间,同一节点交汇的来流通道的控制体烟流和有害物浓度不同。在同一时间,不同节点交汇的控制体浓度不同,这种时间和空间的变化增加了烟流和有害物模拟所需的控制体数量。

烟流及有害物计算程序的核心是一个三层嵌套的循环结构(如图1a所示),最里层循环改变控制体的状态和位置;中层循环选择适当的时间间隔;外层循环提供每一时间段的输出。这三层循环中,里层循环是最重要的部分(如图1b所示),它分析控制体的前移、消失或产生等现象。控制体消失或产生主要是在风网节点位置混合而引起的,所以应了解控制体达到各节点的正确顺序。

通道循环

输出循环

时间循环

控制体位置和状态变化

过渡到下一时间段

烟流和有害物浓度分布输出

输入

a

确定最优时间增量

 

1 烟流和有害物蔓延模拟的程序框图

Figure 1 the flowchart of spread simulation of smoke and harmful gas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2.2 准稳态风流状态模拟

火灾发展到一个新的平衡阶段,整个通风系统的通风动力与风流在相异于正常通风状态的新状态下达到平衡。火源燃烧状态变化一般不大,墙壁温度的增加速率趋缓,这时采用准稳态模拟技术。

准稳态模拟包括两部分:第一部分进行稳态风流模拟和风网中烟流温度、浓度分布模拟计算;第二部分包括风流与墙壁的非稳态热交换计算,上浮和节流作用动态影响以及风流逆转现象影响的风流温度和烟流浓度计算。计算的流程图如图2所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 准稳态风流模拟流程图

Figure 2 Flow chart of norm steady simulation of smoke

 

 


程序先进行正常状态下的风网解算,然后计算发热量、有害物的生成量;基于风网解算获得风量分配状况;风流与墙壁的热交换计算,获得通道中风流温度的变化;计算热风压在通风系统形成的上浮和节流作用并转回到风网解算部分分析热风压对风流流量分配的影响。重复上述计算,直到两次迭代计算的热风压变化很少时停止。这表示在热力干扰影响下的通风系统在新的状态下达到了准稳态平衡,形成一个基本稳定的风量、压力和温度分布状况。

准稳态风流模拟仅计算在某一时间区间末时刻的状态参数,不考虑计算在该时间区间内风流状态的动态变化过程,这是它与非稳态风流状态模拟的区别。

2.3 非稳态风流状态模拟

在火灾火势增大,处于发展阶段时,或者由于燃料不足而处于熄灭阶段时,通道的风量、风温和烟流浓度随时间而剧烈变化,基于正常状态风流分配所进行的稳态或准稳态模拟手段已不适应这个时期风流状态变化的模拟。由于火灾时期,风流状态参数随时间变化,所以采用时间间隔法进行模拟。

时间间隔法把模拟的整个时间段分为若干时间间隔,近似认为在每个时间段内,热风压和通风机产生的通风风压与风流运动的阻力处于平衡状态,各通道风流处于稳态,其状态变量在同一位置为常量。

在进行模拟时,将每条通道的风流分为若干称作控制体的气流段,在控制体内,同一时间间隔中,烟流浓度是常数。在下一段时间段的控制体风流参数按控制体位置前移—>温度变化—>热风压计算—>风网解算的顺序进行。

在非稳态模拟过程中,风流的风速、风温随时间而变化,使控制体前移以及状态参数的计算复杂化了。由于控制体的推进距离是时间间隔、风量、风温和通道断面的函数,要计算控制体前移距离,必须已知新时间段的平均风量以及控制体平均风温。但平均风量和风温又必须在已知控制体前移距离之后,经与墙壁热交换计算计算风温变化、热风压和风量分配变化之后才能获得,因此,就形成了一个两层嵌套的迭代计算,在内层循环计算中,按设定的风量和断面,经迭代获得较准确的控制体平均风温,在外层循环计算中,使以上一时间段风量分配作为该时间段的假设风量经迭代而逐步接近真值。

非稳态风流状态模拟程序框图如图3所示。非稳态风流状态模拟既可以进行风网解算,也可以计算火灾初期,火灾发展期间,准稳态平衡状态下的风量、风温、烟流浓度的变化。

3. 系统的结构

3 非稳定风流状态模拟的程序框图

Figure 3 Flowchart of non-steady simulation of smoke

模拟系统主要包括三个部分:文件操作、数据输入、火灾模拟。

3.1 文件操作

建立一个合理的数据库系统可把纷繁复杂的各种信息资料通过该系统进行便捷、有效、准确、规范化、文档化管理,可以节省大量的人力、物力、财力。数据库以ACCESS作为平台,在系统中有一个已经定义了结构的数据库,新建示例数据库等都在此结构上完成。主要的功能有可以打开实例数据库、新建示例数据库、将示例另存为、通道数据导入、节点数据导入等。如果有通道数据、节点数据等以文本形式存在,可以直接导入到数据库中。

3.2 数据输入

数据的输入采用时间表的方法,采用时间表可模拟火灾期间环境条件的影响,如火源数增加、火势变化、燃烧特性变化、模拟时间步长变化、采取控制措施等。同时,结合求解通道烟流温度动态变化方法,可以使模拟环境更接近实际火灾状况。数据输入简单、直观、界面友好,操作方便,输出结果直观,用户选择相应的菜单就可以进入相应的窗口进行数据设置。进行火灾模拟前需要输入数据并检查数据的正确性,输入的数据主要包括:

1)系统控制变量。包括定义网络大小(如网络分支数、节点数、风机数)、模拟时间、空气参考温度、参考密度、模拟时间步长、精度标准和警告信息标准等参数。

2)通道参数。对通道的属性进行设置,如通道号、通道始节点、通道末节点、通道类型、通道风阻、通道初始风量、通道磨擦系数、几何参数、热传导、热扩散率以及墙壁初始温度、通道中的人数、通道行走类型等等,其中通风空调系统的风管也作为通道的一部分。

3)风机参数。定义建筑火灾烟气模拟通风机的特性,如风机型号、风机所在的通道号、风机特性点、风机特性曲线拟合方法、风机曲线边界处理方法等。如果有通风空调系统也可以定义通风空调系统的风机以及防排烟系统的风机。

4)火源参数。定义火源燃烧特性曲线(发热量-时间曲线参数以及有害物浓度-时间曲线参数,燃烧曲线按照各个发展阶段以二次曲线的形式给出),同时也可以设置固定发热量的火源。火源设置由人为设定(可以在多处设置火源),从不同位置的火灾发生后的模拟结果来分析消防四大系统的设计、运行与校核提供理论依据。同时可以在同一地点设置不同大小的火源来考察火灾对通风系统的影响。

5)参数变化设置。设置在火灾发生后,某一时刻系统的参数变化,主要包括以下几个部分:风阻变化,由于用户采取的措施而造成通道风阻的变化,如开启防火门等;增加风机,在通道中原来没有设置风机,在火灾情况下启动了加压风机或者防排烟风机,可以通过增加风机窗口中的参数设置来模拟启动加压风机或者排烟风机对烟流流动的影响,如模拟消防部门在灭火时增加的排烟风机所造成的影响。再生火源设置,由于火灾可能引起别的房间引起火灾,这时可以在再生火源窗口中进行参数设置,模拟在这种情况下的烟流状况。关闭风机,在正常情况下启动了风机(如HAVC系统的风机),而在火灾时为了安全需要关闭风机,这时可以在关闭风机窗口中设置相应的参数。输出时间间隔改变,用户可以对数据的输出时间间隔进行设置。模拟时间步长的改变,用户可以对模拟的时间步长在某个时间变化进行设置。

用户设置完必要的数据后,系统将结果存入数据库表中。数据的准确性是关系到火灾烟气模拟是否成功的关键,该软件具有数据检查功能,在运行的过程中,提供了丰富的警告信息,并将录入的错误信息写入文件,保证了火灾烟气模拟的正常进行。

3.3 火灾模拟

此模块是软件的核心,根据用户所输入的数据进行高层建筑火灾模拟计算,最后将模拟结果从模拟结果数据库显示给用户。模拟的结果主要包括:

1)通道参数随时间的变化,如风量变化、风速、平均温度、有害物浓度(以C0浓度给出)、压降等。

2)某一个时间烟流所流到的分支以及该分支的参数,如温度和有害物浓度。

3)通道反向,可以知道在某一时间,风流反向的通道以及参数。

数据模拟出来后进行分析是最主要的,如对同一位置不同大小的火灾所造成的影响,以及不同的风机产生的防排烟效果等都是建立在对结果分析的基础上的,这要求用户对多种情况进行模拟,然后进行分析。

4.结论

防排烟系统的工程设计人员能应用这种网络模型评价其设计的效果,帮助修改设计,提供一些设计方案选择,确定最优设计。模型可以用来对开启HAVC系统的条件进行验证并可以模拟开启HAVC系统对防排烟的效果。模型还能用于建筑火灾烟气危险性分析,以发现潜在的疏散设计问题和评价预定的疏散计划。可以根据模拟的烟流浓度,结合人员密度,确定最佳疏散路线,并在此基础上,计算、分析所需的疏散时间和建筑物内人员滞留的情况,可以为应急疏散和建筑物防灾设计提供依据。模型可以模拟出高层建筑火灾时,各种参数的变化,分析这些参数可以为建筑设计者提供一些参考数据,从而为消防四大系统更好地服务。

笔者对一栋综合大楼进行了网络化,并对火灾、防排烟系统、HAVC系统进行了模拟,经过模拟结果可以看出,网络模拟可以较好地应用于建筑火灾。但对于建筑中的中庭问题,还需要进行进一步的研究。

 

参考文献:

[1]Brian Y. Lammiter & Uri Vandsburger, the Transport of High Concentrations of Carbo Monoxide to Locations Remote from the Burning Compartment, Building and Fire Research Laboratory, 1997.4

[2]周心权、谢旭阳、刘国法.火灾烟流在建筑通道中流动温度变化的规律[J].中国矿业大学学报,2002.33.

[3]谢旭阳.高层建筑火灾全风网计算机动态模拟技术[J].中国矿业大学北京校区,2002.4.

[4]Xinquan Zhou & Rudolf E.Greuer, Specialized FORTRAN Computer Programming and Analysis services to Upgrade Capability of MFIRE Program, Department of Mining Engineering Michigan Technological University,1991.

[5]U.S.Bureau of MinesMFIRE User’s Manual1994.3.

[6]Zhou Xinquan & Wu Bing, the Application of Mine Fire Simulator MFIRE on Smoke Control During Building Fire, the FORUM for International Cooperation on Fire Research, 1997.10.

 

The Network Simulation of High-rise Building Fire

Xie Xuyang  Deng Yunfeng

Institute of Public Safety, China Academy of Safety Science & Technology

Zhou Xinquan

Institute of Resource and Safety, China University of Mining TechnologyBeijing, China

Ren Aizhu

Institute of Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Tsinghua UniversityChina

 

Abstract:       The right decision of fire prevention and suppression, personnel evacuation in high-rise building fire depends on the right forecast of smoke parameters’ variation in building, especially some parameters’ (airflow quantity, airflow direction, smoke spread area and the variation smoke concentration) forecast in corridors at fire’s early stages and after smoke control measures was taken. The paper introduces the basic theory, component, character, framework and necessary data of HRBFS. The simulator is a powerful tool for design and validity verification of fire system, decision-making for fire protection, fire accident analysis.

Keywords:     High-Rise Building Fire Network simulation

              Steady simulation                 non-steady simulation

 



 作者简介谢旭阳,男,清华大学博士,中国安全生产科学研究院公共安全研究所。

paper   2007-08-10 15:34:54 评论:0   阅读:848   引用:0

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