防護工程非火源房間火災(zāi)煙氣特性研究

邢哲理 鄧非凡 龍洋波 吉少杰 房電偉 白 韌

防護工程非火源房間火災(zāi)煙氣特性研究

邢哲理1鄧非凡1龍洋波1吉少杰2房電偉1白 韌1

（1.軍事科學(xué)院國防工程研究院 北京 100036；2.中央軍委機關(guān)事務(wù)管理總局 北京 100120）

為討論防護工程火災(zāi)時非火源房間內(nèi)煙氣特性，根據(jù)相似原理搭建了模型與實體比例為1:4的單室-走廊-單室模型實驗臺，進行了2個工況的模型實驗，對比研究分析了煙氣擴散室內(nèi)和門口走廊中煙氣溫度、CO濃度、CO2濃度及O2濃度等煙氣特性。結(jié)果表明，火災(zāi)發(fā)展階段，擴散室內(nèi)的煙氣溫度比門外走廊處低，煙氣中CO、CO2和O2對人體的危害性比走廊處小，煙氣溫度和濃度變化滯后于走廊；火災(zāi)充分發(fā)展階段煙氣擴散室中煙氣溫度和濃度與走廊中幾乎相同?；馂?zāi)時，遠(yuǎn)火源端單室中煙氣危害更大。

火災(zāi)；防護工程；非火源房間；煙氣

0 引言

火災(zāi)煙氣是指火災(zāi)時產(chǎn)生的氣體和懸浮在其中的煙粒子的總稱，是人員傷亡的主要原因[1,2]，煙氣的高溫不僅會對人員安全造成威脅，還對設(shè)施設(shè)備、工程建筑結(jié)構(gòu)造成巨大損壞[3,4]。因此，不少學(xué)者針對防護工程、隧道等地下工程進行了研究[5-8]。

由于火災(zāi)的破壞性，模型實驗成為研究火災(zāi)的重要手段[9]，“單室-走廊”結(jié)構(gòu)是防護工程中非常典型的結(jié)構(gòu)樣式，美國弗吉尼亞大學(xué)的研究組搭建了“房間-走廊”結(jié)構(gòu)的模型實驗臺，研究了通風(fēng)受限情況下的煙氣遷移規(guī)律研究[10,11]，國內(nèi)火災(zāi)研究人員也搭建并改進了小尺度模型實驗臺進行了相關(guān)的研究[12,13]。前人的研究主要集中于火災(zāi)煙氣在走廊中的分布特性，本文根據(jù)相似原理搭建“火源單室-走廊-擴散單室”模型實驗臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究火源單室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，煙氣通過走廊進入擴散單室后，擴散單室內(nèi)和走廊處煙氣特性，為防護工程火災(zāi)人員逃生及消防救援工作提供參考。

1 實驗

1.1 實驗臺搭建

實驗選擇一個防護工程的防火分區(qū)為原型，該原型由一個火源房間、長通道和一個煙氣擴散房間組成。本文根據(jù)傳熱學(xué)相似理論和關(guān)鍵相似準(zhǔn)則[9]以1:4的幾何比例建立模型，依據(jù)模型率分析可得到模型與實體之間的溫度、煙氣濃度關(guān)系均為1:1，時間比例為1:2，熱釋放速率比例為1:32，火源熱值比例為1:64。模型實驗臺走廊尺寸為15m×0.5m×0.75m，火源房間尺寸為1.2m×0.75m×0.6m，房間開一個高0.75m、寬0.2m的門，沒有窗戶，煙氣擴散房間尺寸與火源房間相同。模型主體采用塑鋼材料，模塊化連接，可變換模型的寬度和高度，火源房間選用耐高溫鋼化玻璃材質(zhì)，以便于觀察火焰，火源房間頂部采用厚鐵皮，模塊之間連接處采用防火密封劑封堵以保證完全密封。搭建的實驗臺如圖1所示。

圖1 模型實驗臺示意圖

圖2 煙氣擴散室內(nèi)測點布置圖

1.2 火源及工況設(shè)置

工況1和工況2均采用直徑14.1cm的油池盛放200mL正庚烷燃料作為火源，火源位于火源單室中央，其中工況1時煙氣擴散室門口距走廊火源端6.62m，工況2時為12.72m，走廊遠(yuǎn)火源端封閉。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

火災(zāi)模型實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括煙氣成分濃度采集系統(tǒng)、火源質(zhì)量損失速率采集系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)，本文分析只涉及溫度采集系統(tǒng)和煙氣成分濃度采集系統(tǒng)。溫度測量采用直徑0.5mm的K型熱電偶制作熱電偶樹探測不同高度溫度值，熱電偶測量范圍為0～1300℃，測量精度為0.4%，響應(yīng)時間為10s。經(jīng)過溫度采集模塊R-8018BL處理后通過RS-485通信總線將數(shù)據(jù)顯示在采集軟件上，數(shù)據(jù)采集軟件由VIASUAL BAISC編寫，能夠?qū)崟r的采集、觀察和儲存各測點處的溫度情況。

通過TESTO 310煙氣分析儀進行一氧化碳、二氧化碳及氧氣濃度三個物理量的同時測量，氧氣的測量精度為0.2%，響應(yīng)時間為30s，CO和CO2的響應(yīng)時間為60s，CO的測量精度為20ppm（0-400ppm），5%（401-2000ppm），10%（2001-4000ppm）。

1.4 測點布置

在煙氣擴散單室內(nèi)設(shè)置一個煙氣測點S2和一組熱電偶樹T2，平面布置如圖2所示。在走廊中煙氣擴散室門口處設(shè)置煙氣測點S1和一組熱電偶樹T1，工況1時，S1和T1距火源單室6.62m，工況2時時S1和T1距火源單室12.72m。煙氣擴散單室內(nèi)T2處熱電偶樹由下至上為1#~8#熱電偶探頭，8#熱電偶和1#熱電偶分別距單室頂棚和地面2cm，相鄰的兩個熱電偶之間的距離為8cm。走廊中T1處的熱電偶樹上包含6個探頭，從下往上分別是1#～6#測點，其中6 #測點與走廊頂棚距離為1cm，1#熱電偶與地面距離為4cm，每相鄰的兩個探頭之間相距14cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度特性分析

觀察圖3發(fā)現(xiàn)，工況1時，煙氣擴散室外的走廊處溫度與擴散室內(nèi)溫度差別較大，走廊中T1處5 #和6 #探頭的最高溫度別達(dá)到了55℃和90℃，煙氣擴散室內(nèi)最大值為41℃，這是由于工況1時煙氣擴散室位于走廊中部，煙氣還沒有大量沉降至門上沿高度以下。

圖3 工況1時溫度隨時間變化

Fig.3 Temperature changes with time under case 1

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，工況2時，門口外的走廊中T1處最高溫度將近46℃，擴散室內(nèi)T2處最高溫度將近43℃，這是由于煙氣擴散至走廊末端時溫度衰減幅度較大，煙氣的沉降比較明顯，導(dǎo)致進入擴散室內(nèi)煙氣的溫度與走廊中溫度差別不大。并且由于煙氣的沉降，走廊和擴散室內(nèi)的煙氣基本完全混合，不存在典型的煙氣和冷空氣的雙區(qū)域分層現(xiàn)象。以上說明，對于距火源較遠(yuǎn)的非火源房間，由于房間和走廊中溫度差別不大，并且煙氣擴散室內(nèi)煙氣分層條件惡劣，人員在其中避難有可能會加速人員的傷亡。因此，火災(zāi)發(fā)生后人員應(yīng)避免在距離火源較遠(yuǎn)的房間內(nèi)停留避險，盡快找就近的出口疏散。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 計量資料采用±s)表示，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，多組間均數(shù)比較采用單因素的方差分析，各組和對照組比較采用 LSD檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖4 工況2時溫度隨時間變化 Fig.4 Temperature changes with time under case2

2.2 煙氣濃度分析

一般情況下，當(dāng)氧氣濃度為10%～17%時人員會感覺疲憊、活動能力下降，設(shè)人員火災(zāi)逃生中氧氣的濃度危險值為17%；當(dāng)一氧化碳濃度為600ppm～700ppm時人員會感覺頭疼、呼吸不暢，設(shè)人員火災(zāi)逃生中一氧化碳濃度危險值為600ppm；二氧化碳濃度為2%時人員會呼吸困難和頭暈，設(shè)人員火災(zāi)逃生中二氧化碳濃度危險值為2%。

圖5和圖6所示為工況1和工況2時走廊中S1處和煙氣擴散室中S2處的CO濃度隨時間變化。觀察發(fā)現(xiàn)，走廊中CO濃度總體上大于單室內(nèi)，火災(zāi)發(fā)展階段走廊中CO濃度遠(yuǎn)大于單室內(nèi)，火災(zāi)進入充分發(fā)展階段后單室和走廊中的CO濃度幾乎相同。工況1時，走廊中S1處CO濃度在320s達(dá)到危險值，擴散室內(nèi)S2為380s；工況2時，S1處CO濃度在250s達(dá)到危險值，擴散室內(nèi)S2處為310s，并且由于煙氣沉降作用，走廊遠(yuǎn)端的CO濃度值遠(yuǎn)大于近火源端。以上說明在走廊遠(yuǎn)火源端CO濃度更早達(dá)到危險值，擴散室內(nèi)CO濃度達(dá)到危險值的時間只比走廊中慢了約1分鐘，且擴散室內(nèi)CO濃度在火災(zāi)后期與走廊中幾乎相同，在煙氣擴散室內(nèi)不能有效躲避一氧化碳?xì)怏w。

圖5 工況1時CO濃度變化 Fig.5 Comparison of CO concentration under case 1

圖6 工況2時CO濃度變化 Fig.6 Comparison of CO concentration under case 2

圖7和圖8所示為工況1和工況2時S1、S2處的CO2濃度隨時間變化。對比發(fā)現(xiàn)，無論擴散單室在走廊中部還是遠(yuǎn)火源端，CO2濃度的最大值差別不大，CO2濃度隨時間變化與CO類似。

圖7 工況1時CO2濃度變化 Fig.7 Comparison of CO2concentration under case 1

圖8 工況2時CO2濃度變化 Fig.8 Comparison of CO2 concentration under case 2

圖9和圖10所示為工況1和工況2時S1和S2處的O2濃度隨時間變化。觀察發(fā)現(xiàn)，走廊中O2濃度的變化速率在火災(zāi)初期大于煙氣擴散室內(nèi)的變化速率，走廊中氧氣濃度先達(dá)到危險值（17%），煙氣擴散室內(nèi)氧氣濃度在一分鐘內(nèi)也降低至危險值，并且在火災(zāi)發(fā)生400s以后，走廊和煙氣擴散室內(nèi)的氧氣濃度基本一致，均小于17%。煙氣擴散室距火源較遠(yuǎn)時，擴散室內(nèi)氧氣濃度比距離火源較近時更早達(dá)到危險值，并且氧氣濃度的最小值也比距離火源較近的擴散室內(nèi)更低。

圖9 工況1時O2濃度變化 Fig.9 Comparison of O2 concentration under case 1

圖10 工況2時O2濃度變化 Fig.10 Comparison of O2 concentration under case 2

3 結(jié)論

煙氣在擴散過程中不斷換熱和沉降，擴散室內(nèi)的煙氣溫度比門外走廊處低，與火源距離越近它們之間的差別越大，擴散室內(nèi)煙氣的熱傷害作用減弱。煙氣擴散室內(nèi)一氧化碳、氧氣和二氧化碳等氣體濃度開始變化的時間比走廊晚，但擴散室內(nèi)煙氣濃度在走廊中煙氣濃度達(dá)到危險值1分鐘內(nèi)也達(dá)到了危險值，煙氣擴散室內(nèi)的煙氣與空氣充分混合后，擴散室內(nèi)煙氣濃度幾乎與門外走廊處相同。因此，防護工程火災(zāi)時，對于開著門的非火源房間，煙氣層高度降低至門上沿之前，人員在房間內(nèi)可能比較安全，隨著火災(zāi)發(fā)展，單室對煙氣聚積，人員在單室內(nèi)會非常危險，尤其遠(yuǎn)火源端的單室危險性更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃銳,楊立中,方偉峰,等火災(zāi)煙氣危害性研究及其進展[J].中國工程科學(xué),2002,4(7):80-85.

[2] 楊立中,方偉峰火災(zāi)中的煙氣毒性研究[J].火災(zāi)科學(xué), 2001,10(1):29-33.

[3] 李忠友,劉元雪,劉樹林,等.火災(zāi)作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形理論分析模型[J].巖土力學(xué),2012,33(2):307-310.

[4] 林志,郭軍,李強.公路隧道襯砌混凝土火災(zāi)高溫下的物理力學(xué)損傷規(guī)律[J].公路交通技術(shù),2012,(6):92-96.

[5] 郭輝.集中防煙模式下特長鐵路隧道救援站火災(zāi)煙氣控制數(shù)值模擬分析[J].制冷與空調(diào),2015,(1):87-93.

[6] 王松,王子云,梁園,等.基于FDS的公路隧道火災(zāi)溫度分布和煙氣回流分析[J].制冷與空調(diào),2015,(5):601-605.

[7] 付召,王子云.隧道火災(zāi)羽流質(zhì)量流量計算公式的研究[J].制冷與空調(diào),2018,(3):231-234.

[8] 茅靳豐,邢哲理,黃玉良,等.防護工程密閉空間火災(zāi)熱分配試驗研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2014,24(5):44-50.

[9] 姚亦君.城市隧道自然通風(fēng)模型實驗研究[D].南京:解放軍理工大學(xué),2008.

[10] Wieczorek C J, Vandsburger, et al. The Applicability of Correlations Between the Species Formation and the Global Equivalence Ratio in a 1/2 Scaled IS0 Compartment with Nongaseous Fuel[M]. Proceedings of the Sixth international Symposium on Fire Safety Science. Boston：International Association for Fire Safety Science, 2000:965-976.

[11] Lattimer B Y, Vandsburger U, Roby R J. Carbon Monoxide Levels in Structure Fires: Effects of Wood in the Upper Layer of a Post-Flashover Compartment Fire[J]. Fire Technology, 1998,34(4):325-355.

[12] 楊立中,方廷勇,馮文興,等.遠(yuǎn)離火源位置點煙氣濃度變化規(guī)律的實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報,2004,25(4): 717-719.

[13] 方廷勇,楊立中,馮文興,等.典型建筑結(jié)構(gòu)中煙氣毒物遷移的實驗及數(shù)值分析[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2005,11(1): 62-67.

Study on Fire Smoke Characteristics of Non-fire Source Room in Protective Engineering

Xing Zheli1 Deng Feifan1 Long Yangbo1 Ji Shaojie2 Fang Dianwei1 Bai Ren1

( 1.Defense Engineering Institute of PLA Academy of Military Sciences, Beijing, 100036; 2.General Administration of Organs Affairs of the Central Military Commission, Beijing, 100120 )

【Abstract】 In order to discuss smoke characteristics of Non-fire source room when fire happened in Protective Engineering, a room-corridor-room model test-bench with a ratio of 1:4 between model and entity was built according to the similarity principle, and model experiments were carried out under two working conditions. The smoke temperature, CO concentration, CO2 concentration and O2 concentration in smoke diffusion room and doorway corridor were compared and analyzed. The results show that in the stage of fire development, the smoke temperature in the diffusion room is lower than that in the corridor outside the door, the harmfulness of CO, CO2 and O2 in the diffusion room to human body is less than that in the corridor, and the change of smoke temperature and concentration lags behind that in the corridor; in the stage of full development of fire, the smoke temperature and concentration in the diffusion room are almost the same as that in the corridor. In the case of fire, the smoke hazard in the diffusion room at the far fire source is greater.

【Keywords】 fire; Protective Engineering; Non-fire source room; smoke

文章編號：1671-6612（2019）06-669-05

中圖分類號 X936

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

作者簡介：邢哲理（1986.9-），男，博士，工程師，E-mail：zheli86@sina.com

通訊作者：鄧非凡（1987.7-），男，博士，工程師，E-mail：dengfeifanstudy@sina.com

收稿日期：2019-03-05