火灾模拟实验（精选9篇）
火灾模拟实验 篇1
摘要：火灾调查中,经常会采用火灾再现性的实验——模拟火灾实验来分析和研究火灾事故。模拟火灾实验是在满足火灾发生时的环境气象条件、可燃物状况等基本要求的前提下,模拟火灾过程的实验。模拟实验具有很明确的目的性,它根据火灾现场勘查的需要,以实验的方法来验证或认定结论。
关键词：模拟火灾试验,火灾调查,运用
模拟实验可以为最后确定火灾原因提供科学依据，可以检验火场中物证的真伪，可以验证目击者或知情人证言的属实性。但其毕竟是在模拟的客观条件下，针对某一特定火灾进行的实验，而不是火灾的客观事实，同时火灾本身常常是许多因素偶然性的结果，因此，模拟火灾实验结果能否得到科学、准确地运用，对于证据链形成和火灾原因认定至关重要。
1 模拟实验的基本要求
A.在原来的起火地点或环境相似地点进行实验。
B.实验时的自然条件与起火时的要相同或接近。
C.实验时使用的起火物、起火源要用火灾原有的物品(选择未受火灾污染、水渍的)。如条件不具备要选择相似的物品(如同一批出厂的产品)、起火物、起火源，反复进行实验。
2 模拟实验的结论
在符合上述模拟实验基本要求的前提下，根据模拟实验的次数和结果，将结论分成两类，即必然性结论和偶然性结论。
2.1 必然性结论
如果模拟实验的结果与次数无关，由相对稳定模拟实验结果得出的模拟实验结论称为必然性结论。必然性结论有两种情况，一种全部模拟实验与假设或认定的火灾原因是一致的，另一种全部模拟实验与假设或认定的火灾原因是相斥的。但无论是哪种情况，实验的结果都是同一性的，都可以将模拟实验结论作为认定或验证火灾原因的重要依据。
案例:2012年12月30日下午5时许，某居民家中失火，一名老人被烧伤。环境勘查发现，距该居民家用8米、17米、26米三处电线连接线地方有单股电线熔断呈焦黑痕迹，另处一股线完好无损。现场勘查发现，进户线单股有两处短路熔断痕迹，另处一股线只有火烧痕且未熔断无结瘤现象。该户居民称熔断的单股线为零线，当天下午供电局的施工队正在此处进行电网改造。针对上述问题，火调人员勘查发现起火房间有一处插座外部引出单股电线，此电线正与室外熔断的那股线相搭接。该户居民称几年前由于该插座的零线有问题，使用时常造成照明灯忽明忽暗，就从进线处引入了共用零线，之后家中的供电就一直处于正常状态。据此，火调人员初步认定，火灾可能是由于供电局施工时，将火线、零线互换造成原零线短路引起。为验证初步认定结论，在按照原线路重新布设电线后，用一只保险开关控制线路，用一只台灯作为负荷，进行了模拟实验。根据模拟实验结果的同一性特点，得出了线路改造施工中将火线、零线互换，造成原零线短路后引燃其下方可燃物的结论。这虽然是一个简单的模拟实验，但由于模拟实验得出的必然性结论，让在场的各方心服口服，火调人员因此及时完成了调查任务。
2.2 偶然性结论
如果模拟实验的结果与次数有关，事件只在某一次(或几次)发生，根据事件的发生得出的模拟火灾实验结论称为偶然性结论。偶然性结论说明了事件发生是可能的，但不是必然的。对于任何一起火灾原因调查，从理论上而言，它的调查方向是排除所有不可能发生的事件，找出所有可能发生的事件。模拟实验作为一种“准”实践手段，是一个去伪求真的过程。在火灾原因调查的最后阶段，常常要面对这两种情形，一种是可能发生并发生的火灾原因，另一种是可能发生但没有发生的火灾原因。模拟实验的目的也就在于排除第二种情形，肯定第一种情形。偶然性结论表明，第一种情形得到了肯定。但无论是哪种可能，都还需要与其他证据相关联，不能单纯将模拟实验结论作为认定或验证火灾原因的唯一证据。
3 运用中应注意的事项
模拟实验是火灾调查中运用的比对性方法，实验是模拟火灾的过程不是事实本身，准确地说是“准”事实。虽然是“准”事实，但其发生、发展的条件是基本相同的，能够反映事实的基本情况，为火灾事故的调查提供有力的依据。但模拟实验结果在运用中决不能忽视一些程序或细节问题，否则会导致模拟实验结果被误用，证据链崩溃，最终得出的火灾原因等结论可能与事实不符甚至相反。因此，在运用中要注意:
A.模拟实验必须做好前期的准备工作，明确在场人员的分工，防止引起混乱。
B.注意通过模拟实验在火场寻找新的证据。
C.要正确、完整地记录实验的过程和结果，可以用笔录、绘图、拍照、录像等方法。
D.模拟实验的参加人员除应包括当事人外，还要有2名以上的证人，并在实验结论上签字。
E.在定论前，提醒参与者注意保守秘密。
火灾模拟实验 篇2
为增强井下现场作业人员的防灭火意识，提高对火灾事故的防范和应急处理能力，熟练掌握防灭火措施和避灾线路，强化我矿应对和防范火灾事故风险及事故灾难的能力，保证事故发生时迅速有序地开展应急救援工作控制或消除事故，加强安全生产组织。根据安全生产月活动内容中有一项“组织开展火灾救援演练”内容，我公司计划2016年6月15日进行一次火灾应急救援演练。为保证演练正常顺利进行，制定演练方案如下：
一、成立演练领导组
总 指 挥：郭建军（矿长）
副总指挥：刘永明（总工程师）曹世明（生产矿长）
裴伟龙（安全矿长）李 波（机电矿长）段建国（通风助理）
成 员：其它职能科室负责人。
防灭火演练指挥部设在矿调度室，负责防灭火演练期间信息传递、汇报、记录工作。职责分工：
总指挥：负责组织、安排、协调防灭火演练全面工作。
副总指挥：刘永明负责演练技术指导工作；曹世明负责人员、物资的组织，后勤保障及指挥协调工作；裴伟龙负责演习过程中安全监管及现场警戒、医疗救护工作；李波负责演习所需电气设备、监控设备、灭火器材的管理及停送电工作；段建国具体负责编制演练方案、演练流程、演练的组织、准备演练设施设备、指导现场救援及编制演练报告等工作。
二、演练的目的和意义
1.检验预案。通过开展应急演练，查找应急预案中存在的问题，进而完善应急预案，提高应急预案的实用性和可操作性。
2.完善准备。通过开展应急演练，检查应对突发事件所需应急队伍、物资、装备、技术等方面的准备情况，发现不足及时予以调整补充，做好应急准备工作。
3.锻炼队伍。通过开展应急演练，增强部门和人员对应急预案的熟悉程度，提高应急处置能力。4.磨合机制。通过开展应急演练，进一步明确相关单位和人员的职责任务，理顺工作关系，完善应急机制。
5.科普宣教。通过开展应急演练，普及应急知识，提高井下员工风险防范意识和自救互救等灾害应对能力。
6.检验井上下通讯及汇报流程，井下撤人时间、指挥部人员达到指挥时间、救护队到达时间、救护队到达事故地点时间。
7.检验应急指挥部及各应急小组的反应速度、应急处置、应急组织、应急指挥能力。8.检验救援物资保障情况、救援辅助保障能力。
9.通过开展应急演练，普及应急知识，提高作业人员风险防范意识和自救互救等灾害应对能力。
三、应急演练人员组织安排
（一）技术指导组 组长：王海杰
成员：王建元、关晋祥、李自斌
职责：负责事故现场勘查、调查取证，工程技术图纸、资料及井下抢险技术工作的统筹安排，对应急演练过程中遇到的技术难题及时给予技术指导工作及演练期间音像资料准备及录制工作。
(二)警戒组 组长：雷建峰
成员：赵志强、武杰、王文光
职责：负责组织应急演练场地范围设立警戒。
（三）调度值班协调组 组长：史连兔
成员：王虎义、孙海卫
职责：负责应急演练期间人员、物资的组织及指挥协调工作，记录汇报信息，传达总指挥指令，做好各组组长与总指挥之间信息传达。
（四）通风技术组 组长：陈忠兴
成员：王振强、高琪、续慧杰、职责：负责编制应急演练程序、演练总结分析评判报告，负责演练所需道具、设备、设施、器材的准备工作，布置现场指挥救灾，制作、悬挂横幅等。
（五）事故救援组（地面）组长： 武志伟
成员：史山正、郝东东、段宏强、朱凯军
职责：对事故现场情况进行认真分析研究，组织人员尽一切努力，严格按抢险救灾方案抢救遇险人员。
（六）救治伤员组（井下）组长：史建中
成员：阴旭东、董建明、王慧峰、王鹏 职责：负责应急演练期间护送伤员。
（七）救护医疗组（地面）组长：史晓东
成员：高亚丽、郭慧、席静 职责：负责现场伤员的急救。
（八）物资供应组 组长：王旭兵
成员：刘飞、芦彩栋、雷小明
职责：负责演练过程中，救援设备、装备的准备及发放工作。
（九）后勤保障组 组长：郭志宏
成员：杨志明、李鹏、董轶群
职责：负责上级救援人员的接待，接待安置受害职工家属，妥善做好善后工作，负责救护车辆的组织、安排工作。
四、应急演练前准备工作 1.培训员工
由通风副总工对演练人员进行应急救援预案和应急救援知识培训。重点掌握灾害时期行动原则、应急处置方法、避灾路线、自救器使用、自救互救基础知识。
2.开展桌面演练
由矿长口头或书面形式，部署假设井下9104运输顺槽掘进工作面皮带摩擦起火。参演人员根据应急预案及相关规定，讨论应采取的行动。在角色扮演式桌面演练中，由总指挥按照演练方案发出控制消息，参演人员接收到事件信息后，通过角色扮演，完成应急处置活动。
3.模拟场地准备
模拟场地定于地面工业广场涵硐
通风科负责制作悬挂“鑫运煤业火灾模拟应急救援演练”横幅，安装两台局部通风机，风筒吊挂40米，并用白涂料标注巷道，准备三个无盖空油桶及碎木材，延接消防水管至着火点，标注警戒线。
机电科负责灭火器材的准备及风机接线，停送电工作。监控室负责安设CO传感器及其它传感器。安全科准备避灾路线牌版。（附模拟场地图）
五、演练实施步骤 1.事故地点
9104运输顺槽掘进工作面（模拟地点：工业广场涵硐）2.事故时间
2016年6月15日9时00分 3.事故起因及事故类别
事故起因：9104运输顺槽掘进工作面皮带机头接线盒炸开引燃附近铁桶内棉纱。事故类别：掘进工作面火灾 4.事故波及区域
火灾事故导致9104运输顺槽掘进工作面及轨道大巷正头150米范围内火灾危及人身安全。5.事故波及区域人员分布情况
事故波及区域有一个掘进工作面和轨道大巷正头150米范围。
9104运输顺槽掘进工作面有10人作业。其中掘进队工人8名，安全员1名，专职瓦斯员1名。
六、演练程序 1.模拟事故发生
假设2016年6月15日9时30分，9104运输顺槽掘进工作面皮带机头接线盒炸开引燃附近铁桶内棉纱发生火灾。现场安全员打电话向调度室汇报。
2.现场人员应急处置 2.1及时汇报
9104运输顺槽掘进工作面皮带机头接线盒炸开引燃附近铁桶内棉纱，迅速组织灭火，安全员通过电话汇报。
2.2安全撤离
9104运输顺槽掘进工作面除现场救火人员外其他人员撤离到轨道大巷新鲜风流中，并安排人员设立警戒。
9104运输顺槽掘进工作面回风侧人员撤离，撤离期间佩带自救器。3.调度指挥人员应急处置
调度值班员接到火灾事故汇报后，快速了解情况并做出以下应急处置： 3.1通知现场人员利用现场消防器材，采取直接灭火。
3.2按照应急救援程序通知值班领导、矿长、各专业副矿长及相关科室领导。3.3通知救护队人员准备救援。4.应急响应
矿长接到事故报告后，迅速赶到调度室，向值班人员了解灾情。情况如下：
9104运输顺槽掘进工作面安全员 汇报：9104运输顺槽掘进工作面 皮带机头接线盒炸开引燃附近铁桶内棉纱发生火灾，班长组织3名作业人员和1名瓦斯员正在救火，副班长组织其它人员已经撤离，并设立警戒。
了解情况后，矿长立即启动《应急救援预案》，按照《应急救援预案》召集所有成员到达指挥部，成立救援指挥部。
4.开展救援
经应急演练领导组人员分析研究认为：
9104运输顺槽掘进工作面皮带机头接线盒炸开引燃附近铁桶内棉纱发生火灾，火势已得到控制，但巷道内烟雾弥漫，能见度降低。掘进队救火人员不是专业救援人员，受CO影响情况不清楚，现场仍存在安全隐患，安排救护队实施救援。
医护人员携带氧气及应急救援医疗器械在地面等待救援。（附演练流程）
七、安全措施
1.应急演练前副总指挥组织应急演练参演人员学习演练方案，明确演练职责演练程序及安全注意事项。
2.演练人员要佩戴安全帽、矿灯、自救器、手套等防护用品，现场瓦斯员携带光干涉甲烷检测仪、便携式CO监测仪、便携式硫化氢监测仪。
3.参与演练的所有人员必须遵守有关规章制度，严禁违章作业。
4.各参演队伍和人员在演练过程中必须听从现场领导的统一指挥，在指定的安全地点待命，不得阻断行人通道。
5.现场参演人员不得随意开动各种机电设备。
6.地面模拟场地准备设备设施时，搬运过程中要注意手脚安全，用机械搬运时，人员要站立在安全距离以外。
7.参演人员熟悉演练现场避灾路线，掌握消防设备、器材性能，并能熟悉使用。8.实施灭火作业时，人员要站在上风侧，灭火器不得对准人员。
9.演练过程中组织人员撤退时，有顺序的撤离，不得拥挤，防止踩踏事件的发生。10.现场救援人员不得摘下防护用具讲话。
11.当出现紧急情况时，参演人员要在现场领导的统一安排下迅速回到原处待命。附：参演人员通讯录
火灾模拟实验 篇3
关键词：建筑火灾,烟气扩散,数值模拟,FDS,SGS湍流燃烧模型
根据公安部消防局公布的2012年火灾统计年鉴可知,全国的住宅火灾共发生4.6万起,死亡622人,受伤250人。其中,住宅火灾起数占火灾总数的30%, 死亡和受伤人数分别占死伤总数的60.5%和43.5%;各类人员密集场所共发 生火灾2.8万起,死亡222人,受伤158人,分别占火灾总数的18.3%和21.6%。导致这两种火灾事故伤亡人数比例较高的主要原因是建筑火灾环境中烟气的蔓延和 扩散更容 易对人员 的生命造 成威胁。因此,更深入地研究建筑火灾烟气的扩散和流动规律,可以有效地指导防排烟设计具有重要意义。
很多学者已经对建筑物内火灾烟气运动规律以及自然排烟、机械排烟展开了实验或者数值模拟的研究。吴凤等人对地下商业街火灾烟气流动的规律进行了实验研究,确定了最优的机械排烟设计方式;王楷等人通过Fluent对大型建筑内火灾烟气的流动情况进行了数值仿真, 得到了火灾发生时的温度与烟气流场分布情况;徐亮等人对火灾过程中的热量释放、温度分布和烟气流动情况进行了研究。
由于建筑物实体火灾实验具有经济、环境方面的局限性,数值模拟的方法在火灾烟气扩散的研究中得到了重视。近年来,湍流大涡模拟的方法(LES)在建筑火灾的研究中得到了较多的应用。例如:袁书生等人采用大涡模拟方法对地下商场内火灾进行了仿真模拟,得到了机械排烟方式与烟气蔓延之间的关系;方廷勇等人采用LES方法与Smagorinsky亚格子尺度模型对某大学宿舍进行了实体建模,分析了火灾烟气迁移特性并讨论了相应的排烟设计方式。
但是,上述研究成果中很少有人将数值模拟与实验的方法相结合,数值模拟方法的准确性未得到验证。因此,针对这一情况笔者设计了某地下商场通道内的火灾实验,并采用SGS湍流燃烧模型与大涡模拟相结合的方法进行火灾烟气扩散仿真计算,验证数值计算结果的准确性。
1数值计算模型
1.1大涡模拟控制方程组
在大涡模拟(LES)中,湍流被简化为由很多大 尺度涡的运动和小尺度涡的运动组成。大涡对平均流动有直接的影响,小涡具有普遍的共性,通过非线性的作用对大尺度的运动产生影响。大尺度涡的运动可以直接通过求解N-S方程得出运动物理量,小尺度涡一般通过亚格子尺度模型建立与大尺度量的关系进行求解。针对建筑火灾中烟气的流动与扩散,可以采用盒式滤波器作为滤波函数,建立大涡模拟的控制方程组。在直角坐标系下, 控制方程组如式(1)~式(5)所示。
连续性方程:
动量方程:
能量方程:
组分输运方程:
状态方程:
式中:ρ为密度,kg/m3;v为速度矢量;vi、vj为分速度,m/ s;Yi为第i种组分的质量分数;Δm为单位体积内组分的质量生成率,kg/(m3·s);p为压力,Pa;g为重力加 速度,m/s2;ζ为Kronecker数;k为导热系数,W/(m·K); R为气体常数,J/(mol·K);T为温度,K;h为比焓,J/ kg;S为源项,J/m3。
1.2SGS湍流-燃烧模型
采用大涡模拟的思想对流体运动进行求解主要包括两方面的工作。首先是建立数学滤波函数,过滤掉低于某一设定值的小涡,建立模拟大涡流场的运动方程。数学滤波函数的建立相当于在一定区间内按某种方式对涡量进行加权平均,同时允许从大涡向小涡传递能量。其次,就是通过在大涡流场的运动方程中引入附加应力项来描述被滤掉的 小涡对湍 流的影响。数值计算 中采用Smagorinsky亚网格模型,流体运动的黏性系数计算,见式(6)。
式中:Cs为Smagorinsky系数,根据FDS 5.0指导手册提供的参考,可取0.7;defu为流体微团的变形率。
SGS燃烧模型为改进的分层火焰模型。该模型中火焰分为两个区域:燃料表面的燃烧区域和上面的可见火焰区域。此模型的燃烧反应可简单表示为式(7)。
式中:ξ为当量反应系数。
1.3辐射与烟气模型
辐射的计算采用FDS 5.0程序中默认的计算模型, 基于有限体积法进行求解。在这种模型中,烟气被认为是重要的辐射传输物质,烟气的辐射传热系数采用谱带模型计算。
2方法验证
2.1火灾场景设定
研究对象为某地下商场的一个长通道,该通道长86 m、宽5m、高4m,通道上方设有石膏天花板。根据规范的要求,走廊或者通道的长度超过60m时需设置机械排烟系统。该通道天花板上有两个可调节的HTF-1型消防排烟风机,最大排风量为3 500m3/h。实验过程中,采用尺寸为0.5m×0.5m的方形油池火模拟实际火源,燃料为柴油,油池深度0.05m,单个油盘在稳定燃烧时火源功率为0.75 MW。在实验过程中可以使用多个油盘, 以便于模拟不同功率的火灾。
实验设备主要包括烟感探测器和K型热电偶,主要用于检测烟气的运动分布情况和测量通道内的温度;还包括摄像机、数据采集系统等。火源位置设在通道地面的中心线上,与入口相距12m,两个排烟风机设置在天花板中心线上,与入口和出口距离都是25m;另设补风口,补风能力为2 400m3/h,实验系统布置如图1所示。 在数据记录或采集过程中,通道入口处设为起点位置,出口处为终点位置。
2.2数值模拟结果与分析
基于FDS 5.0软件进行数值计算。沿通道方向在天花板中线设置一条数据采集线,整个区域的计算网格数设置为100×50×50。火源设定为与实际情况比较接近的热释放速率快速 稳定模式,火源功率 设为1.50、2.25和3.00 MW。计算过程中,选择SGS模型模拟湍流燃烧过程,采用大涡模拟 的方法进 行求解,计算时间 设置为600s。所有模拟工况如表1所示。
根据表1列出的7种不同的工况建立计算模型,使用FDS进行计算。在对计算结果进行 处理的过 程中取火灾稳定阶段的数据作为烟气温度和蔓延深度的记录数 据。不同工况下的数值计算结果,如图2和图3所示。
图2记录了#1、#2、#3工况下温度分布和烟气蔓延情况。图2(a)比较了火源功率为1.50 MW时不同的机械排烟口位置及补风情况对温度分布的影响。可以看出,在自然补风的情况下,不设置机械排烟时通道内温度最高。这说明在自然对流情况下,高温烟气更容易在通道内聚集,导致通道内温度较高。最高温度在火源上方, 可达520K左右。入口处设置机械排烟时比出口处设置机械排烟时通道内温度稍低。这是因为火源与入口相距较近,入口处设置排烟装置更容易排出高温烟气。从图2 (b)可以看出,当火源功率较低时,入口处设置机械排烟烟气蔓延最快,出口处设置机械排烟烟气蔓延最慢。
图3(a)和图3(b)分别记录了#4、#5、#6、#7工况下温度分布和烟气蔓延情况。从图3(a)可以看出,当烟气运动达到稳定阶段后,4种工况下的温度 分布从入 口到出口先升高后下降,在35m后就趋于稳定。当火源功率为2.25 MW时,入口处设置机械排烟时比出口处设置机械排烟时通道内温度稍低;火源功率为3.00 MW时, 不设置机械排烟时通道内温度较高,这与图2的分析结论一致。另外,根据火源功率的变化情况看,火源功率越高,通道内烟气温度越高,烟气蔓延速度越快。在相同火源功率下,由于排烟通风量的增加,烟气温度和蔓延速度的变化更明显。
2.3实验验证与讨论
对数值计算案例中的#1、#3、#5、#7工况进行了实验。根据各种工况中设定的功率布置油盘个数,油盘位置与通道入口相距12m。通道上方的天花板上,从油盘正上方开始至通道出口方向每隔5m安装K型热电偶和烟感探测器各一个,共13组,以火源正上方的热电偶和烟感器开始依次用1~13作为编号。实验系统布置如图1所示。
油盘在燃烧过程中经历初始阶段、发展阶段、稳定燃烧阶段、熄灭阶段。在火灾发展初期,烟气从起火点(12 m处)向上升腾,到通道顶层天花板处开始向四周扩散, 撞到墙壁后沿墙壁向下蔓延,然后又返回天花板处。在自然排风情况下,火源功率为1.50 MW时,在稳定时期烟气前锋蔓延速度约为0.47m/s,离地1m以下的区域能见度较好;火源功率为2.25 MW时,在稳定时期烟气前锋蔓延速度约为0.57 m/s,整个通道 内可见度 较差。 火源功率为3.00 MW时,在稳定时期烟气前锋蔓延速度约为0.75m/s,整个通道内可见度很差。当入口设置机械排烟时烟气整体蔓延较慢,出口设置机械排烟时蔓延速度明显增加。
以油盘达到稳定燃烧状态时的温度记录数据作为数值计算结果的对比数据,以烟气探测器的响应时间作为烟气前锋到达该探测器位置的标记,根据响应时间与烟气探测器所在位置很容易得知烟气前锋蔓延深度与时间的关系。根据实验测得的结果与已经得出的数值计算结果进行对比,对比结果如图4、图5所示。实心符号代表计算值,空心符号代表实验值。
根据图4、图5的对比结果可以看出,数值计算的结果在整体趋势上 与实验结 果符合较 好。随着火灾 的发展,通道内烟气温度下降,直至通道出口,并逐渐趋于时均稳态,而烟气前锋蔓延深度增加,也逐渐趋于稳态。
3总结
(1)采用大涡模拟的数值计算方法与实验结果相近, 说明用这种方法计算建筑火灾烟气运动比较合理。
(2)烟气运动速度与火源功率、机械排风和补风情况有关。火源功率高,排烟补风量大,烟气运动速度快。
火灾模拟实验 篇4
隧道的消防设计应以保护人员的生命安全为首要目标,为此开发了隧道火灾时的人员疏散计算机模型Tunev (tunnel evacuation).该模型能计算隧道内不同火灾场景的人员疏散所需时间,可与计算危险来临时间的火灾数值模拟软件CFD-PHOENICS3.5相结合,经两种时间的对比,判断人员疏散的安全性.该模型包含了简单的火灾时人员行为反应数据库和隧道防火结构特征参数.通过定性和定量的分析和计算,其结果能直观地发现疏散设计中的`不足,以便采取针对性改进措施;该模型还可以作为辅助的消防演习工具.本文阐述了模型的有关概念,并对工程实例进行了疏散模拟,最后简述了Tunev模型的验证和应用.
作 者：杨高尚 安永林 彭立敏 彭建国 张进华 YANG Gao-shang AN Yong-lin PENG Li-min PENG Jian-guo ZHANG Jing-hua 作者单位：杨高尚,安永林,彭立敏,YANG Gao-shang,AN Yong-lin,PENG Li-min(中南大学,土木建筑学院,湖南,长沙,410075)
彭建国,张进华,PENG Jian-guo,ZHANG Jing-hua(湖南省交通规划勘察设计院,湖南,长沙,41008)
刊 名：灾害学 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF CATASTROPHOLOGY 年，卷(期)： 21(4) 分类号：X932 关键词：隧道火灾 人员疏散 数值模拟 疏散模型 安全性判据
池火灾事故后果模拟 篇5
1 Mudan模型特征参数
Mudan模型把池火焰看作是一个垂直或者倾斜的圆柱形辐射源,可用于估算无风或有风条件下被辐射目标物从池火焰接受的热辐射通量,通过改变视角系数区别上风向和下风向。
(1)根据燃烧面积确定池火直径。液体无阻碍扩展时可根据泄漏量按式(1)求得扩展面积;液体在限定区域燃烧时,燃烧面积由现场确定。确定面积后按式(2)得到池火直径。
式中:W———泄漏量,kg
ρ———油的密度,kg/m3
Hmin———最小油层厚度,与地和状态有关,可参考表1
表1 最小油层厚度Table 1 Minimum thickness of oil
(2)燃烧速度mf
液池中液体沸点高于周围环境温度时:
液池中液体沸点低于周围环境温度时
式中:———单位表面积燃烧速度,kg/(m2·s
Hc———液体燃烧热,k J/kg
Cp———液体的定压热容,k J/(kg·K)
Tb———液体的沸点,K
T0———环境温度,K
Hvap———液体的汽化热,k J/kg
式中:d———液体比重
(3)确定火焰高度
Thomas提出了有风情况下火焰高度公式[4]:
式中:h———火焰高度系数
ρ0———周围的空气密度,kg/m3
g———重力加速度,取9.8 m/s2
uw———10 m高处的风速,m/s
uc———特征风速,m/s,当uw<uc时,uw/uc取1
(4)火焰倾角
式中:θ———火焰倾角,°
f———空气的动粘度,m2/s,20℃时可取14.8×10-6m2/s
(5)火焰表面热辐射通量
式中:q0———火焰表面热辐射通量,k W/m2
fm———热辐射系数,可取fm=0.1
Hc———燃烧热,k J/kg
(6)视角系数[5]
视角因子是指辐射接受面从辐射表面接受到的辐射量占总辐射量的比率。Mudan推导出有风情况下的视角系数公式:
式中:Fv———目标(人或物)在垂直方向的几何视角系数
Fh———目标在水平方向的几何视角系数
Fv、Fh的计算如下:
式中:av=l/(D/2),bv=x/(D/2)
当目标在火焰阴影之外,即xD/2+Lsinθ时,l=L。
当目标在火焰阴影之内,即D/2<x<D/2+Lsinθ时,l=(x-D/2)/sinθ。其中,x为火焰中心线和地面目标(人员或设备)之间的水平距离(m)。
对应于:
在计算火焰下风向X距离处的视角因素时,θ取正;若是上风向取负。
(7)目标接受到的热辐射
式中:q(x)———目标受到的热辐射量,k W/m2
x———火焰中心线和地面目标(人员或设备)之间的水平距离,m
2 池火灾事故后果
本文从热辐射引起人员伤害、建筑物损坏和引起周围设备发生二次事故概率三个方面分析池火灾事故后果。
2.1 热辐射破坏阈值
热辐射对人员和设备的伤害程度与热辐射量和人员设备在火灾场景下的暴露时间有关,表2总结了不同的热辐射下观察到的伤亡和破坏情况[6,7]。
表2 热辐射强度与伤亡破坏情况Table 2 Heat flux and the damage
2.2 池火灾引起多米诺二次事故概率
火灾、爆炸是引起设备、储罐等发生二次事故的主要初始事件,池火灾引起多米诺效应的扩展因素是热辐射。Cozzani等提出了用于热辐射导致设备损坏的概率模型[8]:
式中:P———发生的损坏概率
Y———概率单位变量
x———积分变量
其中Y=12.54-1.847ln(t)(16)
常压容器:
高压容器:
式中:Y———初始场景扩大效应的概率单位
t———无故障时间,s
I———对目标物的辐射强度,k W/m2
V———目标设备容器体积,m3
对于油罐贮存区,某一油罐由于其他油罐发生火灾而引起多米诺效应的频率可用下式表示[9]:
式中:n———储罐周围毗邻的储罐数量,对于2万立罐组可取为5
Pi———周围储罐发生全表面火灾的基础概率,3×10-5次/(罐·年)
Pj———热辐射作用下储罐的失效概率
3 实例计算
某原油储罐组一储罐发生泄漏,泄漏量为200 t,防火堤所围池面积为2700 m2,环境温度为30℃。原油比重0.85~0.89;自燃点350℃;沸点300~325℃;火焰温度1100℃,热值4.4×104k J/kg。池火单位面积燃烧速率为0.08668 kg/(m2·s),ρ=850 kg/m3,g=9.8,uw=3.5 m/s。
3.1 池火灾基本情况
根据mudan模型得到燃烧基本情况见表3,图1和图2是上风向和下风向热通量与距离的关系。计算发现上风向热通量随着距离的增加,热通量下降的速度越来越慢,并趋于稳定。下风向考虑到火焰的倾斜,火焰内热通量随便距离增加而增加,在火焰表面达到最大,随后热通量随着距离的增加而减小。
表3 燃烧基本参数Table 3 Basic parameter of the fire
图1 上风向100 m范围内热通量Fig.1 Trend of target heat flux among 100 m upwind
图2 下风向100 m范围内热通量Fig.2 Trend of target heat flux among 100 m down the wind
3.2 伤害/破坏半径
储罐池火灾伤亡半径模拟根据火灾中人员、工艺、建筑伤害的热通量阈值,可以得到相对应的伤害半径(如表4)。
表4 热辐射量及对应半径Table 4 Thermal radiation and the corresponding radius
由表4可知,对于相同的阈值,上风向的伤害半径明显比下风向的伤害半径要小。热通量小于15 k W/m2时,在空旷环境下对应的距离会很大,mudan计算模型是偏保守的模型,在实际过程中,由于障碍物等对热辐射的吸收,对应的半径要小。
3.3 池火灾引起多米诺二次事故频率
有风情况下目标设备在下风向与在上风向接受到的热通量不同,表5比较了上风向和下风向距离火焰中心30 m,50 m,70 m,100 m处容积为5000 m3的常压圆柱形水平立式储罐受到的热辐射的大小,及其二次事故的概率及多米诺效应发生频率。
表5 热辐射及二次事故概率Table 5 Thermal radiation and the probability of domino effect
常压储罐的自身失效概率约为1×10-3/a~1×10-5,根据可接受风险MEM(Minimun endogenous mortality)原则,火灾多米诺效应的发生频率可接受范围为1×10-5/a~1×10-7[9],因此下风向30 m处的储罐受到的风险属于不可接受风向,应加以控制。上风向30 m处和下风向50 m处的火灾多米诺效应的发生频率属于可接受范围,其他的属于可忽略风险。
4 结论
本文总结归纳了池火灾mudan计算模型,模拟了mudan模型热辐射量随距离的变化趋势;对于相同的阈值,下风向的伤害/破坏半径明显比上风向的伤害/破坏半径要大,并根据多米诺二次事故概率计算模型,比较了上风向和下风向距离火焰中心相同距离的储罐受发生二次事故的概率,其中下风向30 m处的储罐发生失效的频率处于不可接受风险,应予以控制。
摘要：池火灾是可燃液体储罐区易发生的主要火灾类型。本文总结了mudan池火灾计算模型,结合人员、设备等的热辐射受损模型和多米诺二次事故概率模型,模拟了有风情况下池火灾的事故后果,分别得到了上风向和下风向池火灾热通量关系图,伤害/破坏半径以及多米诺二次事故频率。
关键词：池火灾,mudan模型,伤害/破坏半径,多米诺二次事故频率
参考文献
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火灾模拟实验 篇6
1 火灾事故发生经过
2004年12月30日14时许, 位于广州市东山区八旗二马路42号的广州城建开发伟城实业有限公司城总大楼发生火灾, 14时14分, 广州市消防支队119指挥中心接到报警后, 先后调集4个大队、15个中队共35台消防车赶赴现场增援, 经过13个小时战斗, 31日凌晨3时许大火基本扑灭。由于此次火灾蔓延迅速, 烧毁了城总大楼第二层、第三层、第九层、第十层部分办公室及其他各层围绕中庭的走道, 其它楼层基本完好。
2 城总大楼基本情况
该城总大楼东面是9层的人寿保险公司大楼, 西面是30层的广东航运大厦, 南面是八旗二马路, 北面是居民住宅。城总大楼高35 m, 地上10层 (包括夹层) , 总建筑面积6 492 m2, 钢筋混凝土结构。首层为大堂和车库, 夹层、二层至十层为办公室及仓库, 夹层至十层设置中庭。
起火部位的208室是工业传动皮带仓库, 位于建筑二层东北角。208室长6.4 m、宽3.6 m、高2.4 m, 门宽0.8 m, 高2.0 m。在208室的北侧及东侧外墙有高为1.2 m的长度贯通 (承重梁位置无) 的铝合金窗户, 窗宽0.6 m。室内存放角钢货架上铺有氯丁橡胶传动带, 货架从底层开始, 每间隔0.6 m为一层, 共3层, 高为1.8 m。
3“12·30”重大火灾事故原因
经过现场勘查, 人员调查取证, 起火部位残留物中检测出有汽油成分等情况, 综合分析, 本次火灾起火部位为208室, 起火原因为放火, 即泼洒并被点燃液体助燃剂 (汽油) 引燃橡胶工业传动带导致的大火。
4 火灾过程的数值模拟验证
随着计算机科学技术的不断发展, 计算机模拟和可视化技术在火灾科学研究的各个方面都得到了广泛的应用。包括在建筑物消防工程安全设计及评价, 建筑火灾事故过程的模拟及分析, 尤其是在进行真实全尺寸实验条件受到限制的情况下, 可以利用计算机模拟和可视化技术进行数值实验, 直观的再现真实火灾某些层次或某些方面的属性, 并与实验室尺度下以及真实火灾现场得到的数据进行相互补充和验证。这些新技术的应用为推进火灾安全科学的发展和提高人类抗御火灾等灾害的能力起到了非常重要的作用。
4.1 数值模拟实验概述
数值模拟实验是指利用计算机软件对复杂火灾现象进行数值模拟, 得到直观、仿真的结果, 实现对真实火灾场景某些层次或某些方面属性的模拟或复现。通过数值实验可以在一定程度上代替全尺度实验, 或者与实验室条件进行的小尺度或中等尺度实验相互补充, 从而对火灾安全工程计算和实验结果真实表现, 为安全工程设计、规划及验证提供直观依据, 使事故分析评价、安全管理决策具备充分的理论支持。
进行数值实验关键是使用合适的火灾模拟工具, 考虑工作环境、硬件条件及实际场景需要, 有目的的解决实际问题。调查表明, 有36种火灾模型已发展到较成熟的程度。其中, 20种可计算火灾产生的环境, 主要是温度随时间的变化;10种可计算火灾中的烟气运动;6种可计算火灾的发展速率;4种可计算材料的耐火性;4种涉及到火灾探测器和水喷淋器;2种可计算火灾中人员疏散的时间。多数火灾模型是根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律建立的。为了形成可使用的模拟工具, 还需进行一些必要的简化和假设, 或使用不甚准确的测量数据。因此, 数值模拟实验的结果只能是实际火灾的一定程度的近似。在区域模拟中, 通常把房间分成两个控制体, 即上部烟气层与下部冷空气层。这与真实实验的观察非常近似, 这样的近似可以认为非常接近真实情况, 但无法给出研究对象某些局部的状况变化。网络模型把整个建筑物作为一个系统, 而其中的每个房间作为一个控制体, 计算结果也比较粗糙。场模拟则把一个房间划为几百甚至上千个控制体, 因而可以给出对象比较细致的变化情况。而对建筑火灾烟气流动规律的数值实验, 基本上都是采用CFD软件, 这些主要是基于场模拟的思想, 如FDS、CFAX, Phoenics、Fluent等。
笔者采用的是美国NIST开发的FDS软件。模型的重点在于火灾引起的烟气和热量的传输, 因此从低速、热动力流动的Navier-Stokes方程出发, 得到方程的数值解。并利用与之相应的可视化工具Smokeview直观显示FDS的模拟结果。目前最高版本为FDS4.0。FDS从气相流动的基本方程出发, 建立低马赫数条件下的质量、组分、动量和能量守恒方程。
低马赫数条件下的质量、组分、动量和能量守恒方程式见式 (1) ～式 (4) 。
式中:d、u、Z和T分别为密度、速度矢量、混合组分和温度;D为扩散率;p为摄动压力;f为粘性应力;k为导热系数。q和-5·qR分别为与化学反应和热辐射有关的源项。再加上状态方程作为补充, 见式 (5) 。
式中:压力用一个平均压力p0作为代替;R为理想气体常数;Yi和Mi分别为组分浓度和摩尔质量。模型中最重要的近似是动量方程代替, 见式 (6) 。
流场的湍流效应利用大涡模拟计算。燃烧模型基于燃烧混合控制这一假设。辐射传热利用分离坐标法模拟。
4.2 利用FDS对“12·30”重大火灾的数值模拟
4.2.1 火灾场景的设置
为了科学的分析总结“12·30”重大火灾事故的原因以及火灾发生发展蔓延的过程, 除了进行燃烧特性数据的搜集以外, 还必须通过必要的数值模拟手段, 设定符合现场情况的火灾场景, 进行火灾的模拟重现, 这样才能结合数值模拟和火场调查的结果, 对物流中心仓库火灾的灾害过程进行详细的分析, 找出导致本次火灾燃烧猛烈和扑救时间较长的科学原因。
根据火灾现场的调查可得到发生火灾前城总大楼的建筑情况及208、209室等具体尺寸的情况。作为对事故本质的分析, 并不失普遍性, 可以近似的按照单室火灾和楼层火灾的普遍特点, 并结合城总大楼的一些基本情况, 设定本次数值实验模拟的基本场景。并根据城总大楼的空间尺寸, 共划分383 904个网格。
根据火灾原因调查与火灾过程分析表明起火原因系液体助燃剂引燃仓库货架的橡胶传动带所致。该起火灾的起火点位于208室仓库南部第一通道北侧东西向摆放的东侧金属货架处。所以, 本文数值模拟中起火点的设定与实际场景中起火点一致。
4.2.2 火灾增长过程
对火灾的增长过程进行数值模拟可得 (见图1) , 此次火灾事故的燃烧始于208室仓库南部第一通道北侧东西向摆放的东侧金属货架处, 火灾也是从此处开始蔓延的, 由于存在易燃的汽油, 数值模拟表明到15 s时, 208室内火苗已经沿着被点燃的货架蔓延到室内其他货架床上, 此后火灾迅速蔓延, 到20 s时, 已经蔓延到与208室相同的209室, 到35 s时火灾已经蔓延至二楼仓库的外面了, 沿着城总大楼内部回廊向其他楼层蔓延。从火灾增长的过程可以大致看出火势蔓延的方向, 主要是从起火点沿东西向在208室内蔓延, 沿北南方向向209室蔓延, 从仓库内向仓库外蔓延, 从起火点楼层向其他楼层蔓延, 这与事后火灾现场调查的结果基本符合。
由可燃物燃烧速率 (见图2) 可以看出仓库内可燃物燃烧速率的分布随时间变化, 火灾刚发生时, 主要的燃烧集中在208室内靠东南方向的第一个货架上的液体燃料和橡胶传动带上;随着火灾的蔓延, 到16 s时, 相邻两个货架的可燃物的燃烧速率也增大, 最后到28s时, 几乎整个208室的货架都在燃烧, 随后火灾向209室蔓延, 到48 s时, 209室北部的大部分货架的燃烧速率也大大增加, 表明这个仓库内的货架也开始燃烧, 这与实际情况相符。
火灾调查的结果可知, 仓库外的门和墙壁烧毁严重。因此, 本次数值模拟也模拟了208室南侧靠大楼内部回廊方向一侧墙和门的壁面温度 (见图3) 。
由模拟实验可以看出, 随着火势的蔓延208室南侧墙壁和门的温度也是自东向西逐渐升高。到56 s时门框上部出现了局部高温, 72 s时208室南墙上部也出现了局部高温, 而且这些高温分布还有一个特点就是维持时间较长, 至600 s仍然保持着局部高温, 这主要的原因是, 208室外南墙和门靠近中庭回廊, 这个位置即使208室内燃烧所需氧气的必经之路, 同时又是208室火灾向外蔓延首先经过的地方, 所以此处燃烧比较剧烈, 温度也较高, 这与火灾后发现仓库的双扇木制门扇和门框从上向下完全烧失, 仓库南墙东侧墙皮局部被烧向外膨胀脱离的现象是相符的。
综合208室外墙壁及门温度变化可以看出从208室内南侧第一个货架出现明火到二楼仓库货架上传动带其其他可燃物都发生燃烧, 只需要120 s左右时间, 火灾最初只在208室内局部货架附近燃烧, 随着时间的推移才逐渐向周围货架和仓库蔓延, 但发现在60 s以前, 燃烧主要集中208室及209室中部, 从燃烧速率分布图也可以得出同样的结论。到80 s时, 实际上208室及209室的大部分可燃物品已经烧完, 所以可燃物的燃烧速率较低, 此后实际上火灾已向室外和其他楼层蔓延了, 这可以从下面的烟气填充过程发现同样的结果。
4.2.3 物流中心火灾烟气蔓延的数值模拟
仓库内可燃物燃烧产生的烟气对人体是非常有害的, 为了得到烟气在室内的变化规律, 利用FDS对物流中心火灾烟气蔓延过程进行了数值模拟 (见图4) 。
从楼内烟气填充变化分别显示了208室、209室以及城总大楼内部的烟气填充过程。从图可以看出, 由于发生燃烧的是橡胶类工业用传动带, 发烟量巨大。因此208室内和209室内的烟气填充特别快, 40 s内烟气充满整个仓库空间。幸运的是由于两个房间是存储物资的仓库, 而不是有人的写字间, 否则将会造成重大的人员伤亡。
在建筑火灾中, 烟气可以由起火区向非着火区蔓延, 与起火区相连的走廊, 楼梯等处都将会充入烟气, 这将严重妨碍人员逃生和灭火。从楼内烟气填充变化的数值模拟可以看出, 在模拟至70 s时, 城总大楼烟气填充已满, 造成烟气迅速填充的原因主要有两个, 首先是发生火灾的二楼仓库内橡胶传动带是高发烟性物品, 燃烧能够产生大量黑烟, 而且由于城总大楼特殊的中庭回廊结构, 其结构内的空气密度大于发生火灾的各个仓库内的空气密度, 由此产生的烟囱效应, 使得从仓库蔓延出的烟气沿中庭回廊的上升运动十分显著, 导致大量黑烟蔓延到楼内其他层, 提高了消防队员灭火的难度。
5 结论
(1) 通过计算机模拟重现火灾过程中火灾蔓延和烟气运动现象, 直观深入地研究物流中心仓库火灾的特点。同时, 对火灾事故原因的认定提供了科学依据。
地铁隧道火灾人员疏散模拟研究 篇7
1 建立模型
模拟研究对象为南京地铁过江隧道。隧道采用的是单洞双线的设计方案, 隧道直径11.3m, 全长3 600m, 水下部分2 700m, 隧道每隔600m有一个紧急逃生门。模型如图1所示。
列车采用6节A型车厢编组, 车厢长22m, 宽3m, 高3.8m, 底板面距离道床高度为1.1m, 客室净高2.1m, 横截面积为11.4m2。模拟的具体部分为两个逃生门之间的隧道, 总长600m, 火灾网格设置为0.5m×0.2m×0.2m, 疏散网格设置为0.2m×0.2m×2m。
2 模拟方案
在一般情况下, 当地铁行驶在隧道中发生火灾时, 列车司机可以选择进站疏散或者就地疏散。模拟地铁在隧道中央发生火灾时分别采取进站疏散和就地疏散两种方案的情况, 通过最终疏散完成情况的对比, 分析在不同情况下采取何种疏散措施才能最大限度地保障人员安全。
模拟位于列车前端的电气设备发生火灾, 燃烧物的主要成分是电缆线的绝缘层, 火源材料为PVC, 火源功率为7.5MW, 快速火, 到达峰值时间为206s。通过分别模拟进站疏散与就地疏散的情况分析对比两种情况下列车内CO和CO2浓度及温度对车内乘客的影响, 判定不同疏散方式安全性的高低。
3 模拟计算
3.1 进站疏散的模拟
进站后的紧急制动距离200m, 视为匀减速运动, 则总行驶距离1 800m, 总时长为120s。由于列车进站之后, 满载情况下进站疏散要0.61min, 模拟人员数量为满载的55%, 所以20s足以疏散完毕。因此, 此种情况下模拟时长为140s。
在90s时车内烟气前沿已经抵达车厢尾部, 虽然温度上升速度较快, 但是距离206s的峰值时间尚早, 总体温度并不高。此时车内火源上方温度最高约为400℃, 顶层区域烟气约为300℃。人员所处的区域显示多为背景温度。因此, 90s时车内人员不会受高温伤害。在列车到站的时刻, 即120s时车厢内温度情况, 如图2所示。
在列车进站停靠并开始疏散时车厢内平均温度接近100℃。通过对比90s和120s时的烟气分布可以发现, 由于火源产生的烟气温度较高, 气体密度低, 烟气因浮力作用会首先沿着车厢顶棚向车厢尾部扩散。在第120s的图中可以发现, 烟气前沿到达车厢尾部后会在车厢尾部聚集, 使车厢尾部逐渐充满烟气, 由此可以发现地铁火灾的重要特点, 在车厢密闭情况下烟气会首先充满离火源较远的位置。由于人的退避心理, 往往当火灾发生时会远离火源, 人员将聚集在车厢尾部烟气浓度较高的区域, 将会遭受更严重的伤害。90~120s的时间内整个列车的后半部分均处于高温烟气的包围中。由温度的分布图可知, 在列车带火行驶的120s内, 车内人员虽然会在接近120s时处于温度相对较高环境中, 但由于时间短暂, 不会造成严重伤害。因此, 车厢内温度不会对人员安全构成严重的威胁。
在有毒气体分析方面, 由于CO相较CO2毒性大, 首先分析CO的含量变化。到120s时, 车厢内只有火源位置上方有较高含量的CO。由于人体对CO极其敏感, 车厢中部人员聚集区域的CO含量及变化情况的分析是非常有必要的。如图3所示。
由图3可知, 在车厢中部距离车厢内底板高度1 m处, 在前110s内几乎无可探测的CO存在, 在110s时质量浓度开始迅速上升, 但是在120s时也只有1.3×10-9kg/m3, 远达不到造成伤害的水平。在1.5m的高度上, 浓度开始上升的时间在50s左右, 截至120s时的最终质量浓度约为1.3×10-9kg/m3。在2 m高度处CO的质量浓度从50s开始急速上升, 是因为运动的高温烟气裹挟着CO运动到探测器的位置。在50s之后质量浓度基本稳定在1.3×10-9kg/m3的水平, 直到120s。由CO的质量浓度切片以及探测器的数据分析可知, 在整个火灾发生过程中CO的含量都维持在一个较低的水平, 不会对人员造成较大的伤害。
分析CO2在火灾过程中的变化情况, 各时间段的含量变化情况, 如图4所示。
由图4 (a) 可知, 在60s时车厢内的较高浓度CO2已经从第一节车厢扩散至第四节车厢, 但是整体含量水平尚未达到能构成伤害的最低水平。在图4 (b) 中, 线条部分是3%等浓度线。由此可知, 列车第六节车厢和列车上部空间的CO2可能造成头晕、头痛、眩晕以及心悸等情况。与此同时, 高温高浓度烟气充满了人员集中的车厢尾部区域, 将会引发乘员严重的恐慌心理, 这可能会导致车厢内乘客的不理性行为, 如强行打破车窗翻出车外或拉开车门应急旋钮等等严重影响安全疏散的行为。
由温度切片可知, 此时CO2体积分数超过3%的区域平均空气温度也已超过100℃。由于疏散尚需20s, 即最后一个乘客离开车厢要在140s时, 并且120s之前车厢尾部的乘客已经处于高浓度CO2以及高温烟气的包围之中, 人员全部安全疏散的可能性大大降低。
3.2 就地疏散的模拟
首先分析列车内的温度变化情况。同样, 在时间到达120s时车内烟气已经充满整个车厢, 并且已经抵达末端从紧急出口处扩散进入隧道。而此时的疏散情况显示后三节车厢内仍然有大量乘客, 但根据温度切片分析, 末端顶板最高处气温不超过60℃, 且烟气层聚集在车厢上方, 并未沉降到人员所在高度, 因此威胁较小。与进站疏散对比, 温度分布情况如图5所示。
由图5可以看出, 当火灾发生140s时, 列车内车厢顶部的烟气层平均温度约为140℃, 尾部紧急出口处的烟气温度最低处为100℃, 最高处约为150℃。尾部紧急出口已经被烟气覆盖, 且整个出口处温度均高于100℃。平均温度超过95℃时, 皮肤忍受时间便急剧下降, 在120℃时可忍受15min, 145℃时5min就无法忍受, 在175℃时不到1min皮肤便会出现不可逆的灼伤。第四、五节车厢上部温度超过200℃, 第六节车厢顶部的平均温度约为140℃。根据模拟结果, 列车内人员全部离开需要300s的时间。在计算完成后, 通过Smokeview可以观察到, 由于在227~280s时第一节车厢两侧的玻璃因高温陆续破碎, 车内烟气由车窗向隧道中扩散, 降低了列车尾部温度升高的速度。这与车厢密闭时的情况恰好相反, 此时火源处温度高且烟气分布集中, 在远离火源的车厢尾部烟气浓度相对较低。这样有利于车厢尾部应急出口处人员的疏散。图中线条部分是200℃等温线, 可以看出等温线已经处在接近乘客座椅的高度, 说明整个车厢客室的温度基本超过了200℃。
在起火60s时, 车内CO2含量极低, 远远达不到对人体造成伤害的浓度。在第120、140s时车内CO2分布情况, 如图6所示。
在120s时, 车内顶部烟气聚集区域内CO2平均体积分数约为2%。根据表1可知, CO2体积分数为2%时只会让人感到不适。在列车起火140s时, 烟气层最低处CO2体积分数已超过2%, 最高处达3%, 但是仍未达到造成伤害的程度, 因此CO2并不是主要的危险因素。
CO分布情况如图7所示。由图7可知, CO的分布区域与60s时相比仅稍微向车厢中部扩大了一些, CO扩散的速度远小于CO2扩散的速度。此时车内CO质量浓度总体仍处于很低的水平, 且CO分布区域远离乘客聚集区。因此, 120s时CO不会对乘客造成伤害。
在临界时间点上, 即140s时CO的分布情况如图7 (b) 所示。对比图7 (a) 可以发现, 140s时CO分布情况与120s时分布情况相似。在140s时CO仍只聚集在车头火源上方处, 其余区域CO浓度极低, 为安全区域。因此, CO在140s的临界时间内不会对人员造成伤害。
4 结论
(1) 在模拟中, 地铁在2 700m长的隧道中发生火灾时, 进站疏散的方式相对于就地疏散的方式所需的总时间更短, 车厢内CO、CO2及温度等因素对人体的伤害均更小, 这种情况下选择进站疏散要优于就地疏散。
(2) 影响疏散结果的最主要因素是从发现火灾到开始疏散的疏散反应时间以及从疏散开始到完成的疏散动作时间。在两种疏散方式中, 就地疏散大大缩减了反应时间, 但是由于疏散方式的限制, 延长了疏散动作时间, 需要更长的总的疏散时间来完成疏散。进站疏散过程中, 反应时间被延长, 但由于使用车门疏散, 疏散通道远远多于就地疏散的两个出口, 疏散动作时间相对就地疏散大大缩短, 效果明显好于就地疏散。
(3) 通过模拟分析可知, 随着隧道长度的变化, 列车人员疏散所需的反应时间以及可用的疏散动作时间比例会不断变化。因此, 在不同的火灾情况下, 要根据隧道实际长度和列车所处位置来选择最佳的疏散方案, 而不能不考虑具体情况, 只选定一种方案。
游艺类小室火灾排烟数值模拟 篇8
1项目概况
项目共由7个游览空间组成,建筑面积为3 194m2, 建筑高度为8.8m,平面示意图见图1所示,每个空间的建筑面积见表1,室内净高为7.2m,无外窗。建筑内为览车参观模式,参观顺序为场景1至场景7。
火灾发生后,按照既定的疏散策略,游客只能等待工作人员疏导撤离,经计算,各场景最长安全疏散时间为8 min。室内按照消防相关标准规范,设置了自动火灾报警系统及消防喷淋系统,其中感烟探测器选用高灵敏度的探测器。
通过分析,考虑若将每个场景独立分割,由于每个场景的面积、空间体积相对较小,火灾开始后,储烟能力有限,为避免烟气的快速沉降对人员逃生造成威胁,故对7个场景综合考虑,将场馆划分为两个防烟分区,如图2所示。场景1、2、3为防烟分区1,场景4、5、6、7为防烟分区2,每个防烟分区内,在场景之间部分布景墙上设置若干1.0m×1.0m(长×高)的洞口。如此,火灾时将整个场馆设置成上部连 通的两个 空间,从而扩大 了储烟空 间。 火灾发生后,当烟气密度达到感烟探测器烟气密度阈值时,发出火灾报警,连接各场景的排烟口、门、洞同时联动开启,考虑各执行器的预备动作时间,设定在10s后全部打开,同时位于场景3、5的疏散门打开进行疏散。随着火灾的增长,当室内顶部温度达到喷头的动作温度时,喷淋系统开启。
2人员安全疏散判定标准
烟气控制系统的性能化设计目标是保证危险来临时间大于人员安全疏散时间,根据文献[7],笔者设定以下安全判据:
(1)上部烟气层的温度不超过180 ℃;
(2)危险高度以下空间能见度不低于5m;
(3)危险高度以下,对于充满饱和水蒸气的空气的耐受温度不超过60 ℃;
(4)危险高度 以下空间 内的CO体积分数 不超过0.05%。
基于以上标准,对建筑的消防系统进行综合评价,若不满足,则需对设计方案进行调整。
3火灾规模的确定
设计火灾规模Q的大小在一定程度上体现了对火灾风险的预估,是结合建筑、结构、室内装饰等做出的综合预估结果。常用火灾规模的确定方法有:(1)按规范确定的火灾规模,(2)参考同类项目确定的火灾规模,(3)根据场景内的材料评估火灾荷载,(4)自动喷水灭火系统控制的火灾。笔者综合方法2、4,按照文献[3]布置快速响应喷头,并监视喷淋打开的时间,即喷头处 的温度达 到68 ℃所需的时间,见图3所示。一定数量的喷头打开后,认为火灾功率将保持稳定,火灾功率的增长方式如图4所示。本场馆7个场景,空间大小不同,喷淋开启的时间不同,火灾规模也不同,并考虑1.5的安全系数。同时,参考美国、中国香港等地类似项目,具体火灾功率见表2。
4排烟方式的选择
场馆内的排烟方式有自然排烟和机械排烟。自然排烟方式要求顶部开窗面积不 小于室内 建筑面积 的2%。 由于该建筑消防安全的特殊性,在分析室内消防措施的有效性之前,首先需明确排烟方式。笔者研究了最不利场景———场景4自然排烟时的火灾发展情况。
FDS火灾模型如图5所示。模拟结束后,FDS输出的烟气粒子运动结果显示:场景4发生火灾后,由于其建筑空间体积较小,产生的轴对称型烟缕很快上升至顶部, 55s后达到烟感阈值,连接各场景之间的排烟口、门、洞同时联动开启,10s后全部打开,同时位于场景3、5的疏散门打开进行疏散。
300s时火源竖向切面烟气粒子蔓延、火源竖向切面温度、能见度、2m高处烟气能见度,如图6~图9所示。
由模拟结果发现,火灾发生后,烟气逐渐扩散至场景3、5,随后扩散至场景2。140s后建筑顶部温度达到68 ℃,喷淋逐个开启。200s后场景4中2m高度处的能见度已低于5m,严重威胁人员疏散。可见,由于自然排烟并不能及时有效地将室内烟气排出,导致室内形成热堆积,烟气层沉降较快,人员不能安全疏散。故本馆采用机械排烟方式。
5机械排烟有效性分析
由于该建筑具有装饰的特殊要求,如何合理安排排烟口是另一难点。场馆利用建筑已有条件,场景2、3空间较大,游览线路较长,疏散时间相应增加,而场景1为最先游览场地,且其入口为主要自然补风口,防烟分区1机械排烟口设于场景2、3;同理,防烟分区2中,场景4空间体积较小,储烟能力弱,场景5、6空间大、线路长,且场景7的出口为主要自然补风口,故在场景4、5、6各设一个排烟口,排烟口的断面尺寸均为2m×1m。场景3、5中的疏散口兼做自然补风口。设置情况如图10所示。
进一步计算,各防烟分区排烟量为50 000m3/h。由于文献[4]提供的计算方法为火灾初期的排烟量,而本场馆疏散策略特殊,疏散时间长,考虑一定的安全系数,最终排烟量为75 000m3/h。
排烟量及排烟口设置的有效性需要进一步论证。模拟过程中发现,防烟分区1中对于场景1由于将入口作为主要自然补风口,在火灾发生后,气流在补风口与场景门之间运动,形成“穿堂风”,对于火灾的增长有助燃的作用,烟气运动较快,使场景内的温度增长较快。而场景2、 3则没有此类现象。进一步的模拟分析可知:场景1发生火灾时,15s内相继有5个喷头打开。500s时场景1内上部烟气温度、2m高度处的能见度、温度,如图11~13所示。
由图可以看出:场景1发生火灾时,由于场景中设有自然补风口(即场馆入口),对火灾增长的促进作用明显, 火源处温度扩散较快,当喷淋打开后,竖向切面的温度有所降低,500s时火源竖 向切片平 面内温度 均低于180 ℃;2m高度处能见度均大于5m,除火源上方及周围少部靠墙区域外,其他区域的温度均未高于60 ℃,除火源上方外,2m高处的CO体积分数均小于0.05%,满足人员逃生要求。
对于防烟分区2,由于场景4体量较小,安全疏散时间较长。因此,对场景4机械排烟方式下的火灾发展及人员疏散进行模拟。结果发现,场景4发生火灾后,产生的墙型烟缕逐渐上升至顶部,36s之后达到烟感阈值,连接各场景之间的排烟口、门、洞同时联动开启,10s后全部打开,同时位于场景3、5的疏散门打开进行疏散。150 s之后建筑顶部温度达到68 ℃,喷头逐个开启。进一步研究发现,由于场景4的空间较 小,且在顶部 设有排烟 口,故烟气运动较快,10s内相继有5个喷头打开。由于场景4空间较小,800s内其空间温度较高,而游览车轨道所在的空间温度较低。初步分析,这是由于场景3到场景4的门起到补风的作用,同时排烟机诱使空气向门所在局部空间运动,故场景4中,人员通行的空间上部烟气温度低于180 ℃,2m高度处的能见度、温度、CO均满足安全疏散的要求。
6结论
(1)火灾规模的确定对模拟结果至关重要,笔者在分析国内外几种火灾规模的确定方法基础上,确定了小室火灾规模按照自动喷水灭火系统控制火灾的方法,当一定数量喷头开启时,认为火灾达到稳定状态。该方法对于小室室内火灾规模的确定有现实意义,为今后小室火灾模拟提供了参考。
(2)由于游艺场 所小室室 内空间较 小,储烟能力 有限,因此对于疏散要求特殊的空间,处方式的自然排烟方式并不能及时有效地排除室内烟气,热堆积现象明显,难以满足其安全疏散的要求。
(3)补风口的设置影响小室室内火灾的发展,场景1的模拟结果发现:气流在室内形成“穿堂风”后,火灾呈增长趋势,增加了人员逃生的难度。因此,对于小室火灾, 需认真考虑补风口的设置方式及位置,避免直接补充火源燃烧的空气。
(4)消防安全与 疏散方式 相关,尤其对于 游艺类场 所 。不难理解,对于火源所在的场景,其能见度、温度分布、有毒气体的浓度分布都比其他场景恶劣。因此,营救策略需根据模拟结果中的可用疏散时间科学安排。
由于篇幅限制,本文只给出了场景1和4的火灾模拟结果,对于其他场景,由于空间布局、结构各异,其模拟结果不尽相同。在确定排烟量与排烟口时,需考虑各个空间内的火灾发展情况,合理设置。
摘要：以上海某游乐园一场馆为例,利用FDS分析对于特殊小室空间场所火灾规模的确定方法,模拟不同排烟方式下的火灾发展情况,确定排烟方式,给出场景内的温度、能见度、CO分布。模拟结果表明:排烟方式、排烟口与补风口的设置、火灾控制综合影响游艺类场所内的火灾发展。结果可指导安全疏散策略的制定,为该类建筑的消防设计提供参考。
模拟火灾逃生系统设计的应用 篇9
1、系统设计原理
一座采用防火隔板建造的迷宫式建筑组成系统的火灾仿真场景, 内部由曲折的通道、多个房间、入口和出口各两个构成。观众由其中一个入口进入时, 计算机采集到信号后启动其中一套预设的火灾逃生方案, 设定为起火区域的烟雾机启动喷烟, 火焰灯点亮, 并发出火灾警报声, 系统发出语音提示:“这里发生火灾, 请观众马上选择消防逃生器材和正确的逃生路线逃生”。观众在标明逃生器材的位置, 自选两种自己认为合适的器材, 将代表此种器材的选择按键按下, 系统语音提示观众所选择器材正确与否, 如果错误会提示观众重新进行选择。在逃生路上, 通道上有多个安全通道的方向标识, 有的安全通道可能也已经起火, 只有一两个安全通道可以真正撤离, 遇到有着火点的地方 (红色火焰灯亮) , 只能回头, 选择其他道路绕行, 观众在逃生过程中还会遇上如:电梯、未起火楼梯、窗外有升降云梯的未起火房间、浓烟的楼道等逃生出口。系统通过光电开关检测观众的逃生路线, 语音会提示观众选择路线的正确与否, 如果选择错误, 系统语音会提示观众应该选择哪些正确的逃生口和逃生通道逃生。观众到达系统的其中一个出口时, 将会得到语音提示:“恭喜您, 您已经正确的完成模拟火灾逃生演练”。
2、系统硬件组成
系统的硬件结构框图如图一所示:
2.1 计算机部分
由于PC机具有广阔的硬件支持厂商, 软件类型也多种多样。所以本系统采用普通PC机作为操作平台, 工作环境要求高的可选用工业PC机。配置阿尔泰的PCI2310数字32路光隔离开关量输入输出卡。PCI2310是一块光电隔离输入输出板, 具有32路开关量隔离输入和32路开关量隔离输出。输入输出电压为5V~24V, 可直接驱动继电器端子板, 并提供支持VC、VB、C++Builder、Delphi、Labview、LabWindows/CVI、组态软件等语言的平台驱动。
2.2 信号检测部分
采用对射式光电开关安装在需要检测的通道、逃生口的两边, 根据检测是否有观众通过, 输出相应的开关信号。在入口处代表消防逃生器材的标志下方安装相应的按键开关, 观众选定逃生器材后, 按下代表该器材的按键, 输出开关信号。光电开关和按键开关通过输入端子板与PCI2310输入输出卡的输入接口连接。
2.3 烟雾灯光部分
烟雾机采用舞台专用烟雾机, 使用的专用烟雾油为水质, 具有易挥发、无残留、对人体无害等特点。在代表着火点的通道或房间上方吊装可产生逼真火焰效果的60W火焰灯。烟雾机和火焰灯分别连接在继电器端子板上, 由输出的开关信号进行控制。
2.4 语音播放部分
在迷宫式建筑内部均匀分布一定数量的有源音箱, 计算机声卡输出的火灾现场音效及语音提示信号经音频信号线传送到各个有源音箱进行播放。
3、软件设计
3.1 系统应用的软件
操作系统:windows 2000/XP;编程工具:Microsoft Visual C++6.0
3.2 软件的功能及流程
系统软件的功能为:采集各个光电开关与按键的信号, 并对采集到的数据进行处理后, 输出相应的开关信号对烟雾机和火焰灯进行控制, 同时输出相应的现场音效和语音提示。
通过编程软件对不同位置的光电开关和按键开关进行信号采集和控制不同位置的烟雾机和火焰灯, 并调整相应的现场音效与语音提示, 可设置不同的火灾逃生方案。本系统设有两套火灾逃生方案, 根据观众从不同的入口进入, 系统自动选择运行其中设定的一套逃生方案。系统的软件流程图如图2所示:
4、结语
模拟火灾逃生系统集成了计算机技术, 自动控制技术及语音技术, 通过迷宫式的仿真环境, 产生烟雾和火焰效果, 让观众置身于一个逼真而无危险的火灾场景中演练火灾逃生, 在游戏中学习到正确的火灾逃生知识, 大大的提高了观众参与的兴趣, 丰富了开展火灾逃生知识教育的手段。同时, 本系统可根据实际情况的需要通过编程软件设置不同的火灾逃生方案, 也体现了系统设计的灵活性和实用性。
参考文献
[1]于海生.计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[2]姚立波.工业控制技术及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2010.