风速对高层建筑火灾时环境中烟气分布的影响

1、第 7卷 第 8期 2011年 8月中 国 安 全 生 产 科 学 技 术Journal of Safety Science and TechnologyVol7No8 Aug2011文章编号 :1673193X (2011 08005307风速对高层建筑火灾时环境中烟气分布的影响 *侯龙飞 , 李 铭 , 崔武远 , 莫 横(武汉科技大学资源与环境工程学院 , 武汉 430081摘 要 :为了探究风速对高层建筑火灾时环境中温度 、 烟气浓度 、 CO 浓度分布状态的影响 , 以央视北配楼火灾为模型背景 , 应用火灾动力学软件 FDS , 对火灾进行模拟与分析 。 通过讨论不同风速下火源温度中

2、心 、 烟气浓度中心 、 CO 浓度中心离着火面距离与高度之间的关系 , 得到风速一定时各中心的位置与高度之间的变化规律 , 以及该变化规律与风速之间的关系 , 风速小于3m /s时各中心位置随风速变化较明显 ; 风速越大 , 温度 、 烟气浓度 、 CO 浓度越高 , 当风速小于2m /s时各值增量随风速增加明显 ; 与其他因素相比 , 温度对防火间距的影响最大 。关键词 :建筑火灾 ; 风速 ; 烟气分布 ; 大涡模拟中图分类号 :X932文献标识码 :AThe Influence of the wind speed on the soot distribution in thehigh-

3、rise building fire environmentHOU Long-fei , LI Ming , CUI Wu-yuan , MO Heng(College of Resources and Environmental Engineering , Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081, China Abstract :In order to explore the influence of wind speed on temperature , soot concentration and the conc

4、entration distribution of carbon monoxide in high-rise building fires , setting the CCTV North Building Fire as the model back-ground , the fire was simulated and analyzed via the software Fire Dynamics Simulator (FDS By discussing both the distance between the flame temperature center , flue gas le

5、vel center , carbon monoxide concentration center and the fire surface , and the distance between the above three and the horizontal plane under the different wind speed , the experiment puts forward the change law between the horizontal plane and the above three centers in a fixed wind , and the re

6、lationship between the wind and the change lawEach offset increment is obvious with the wind changes when it is less than 3meters per second ; Meanwhile , the greater the wind speed , the higher the tempera-ture and flue gas concentration as well as carbon monoxide concentration will be , and it is

7、more evident for each off-set increment to increase with the wind speed that is less than 2meters per second ; in addition , the effect of tem-perature , compared to the flue gas concentration and carbon monoxide concentration , is the greatest on the fire pre-vention spanKey words :construction fir

8、e ; wind speed ; flue gas distribution ; large eddy simulation收稿日期 :20110415*基金项目 :武汉科技大学科技创新研究项目 1引言随着我国经济的快速发展 , 高层建筑越来越多 的出现在城市建筑群中 , 它们给城市添上一道靓丽 的风景线的同时也带来了一些问题 。 近年来 , 重特大高层建筑火灾频发 :2008年 1月 , 乌鲁木齐德 汇国际广场发生火灾 , 共造成 3名消防队员和 2名 平民死亡 , 火灾直接财产损失 3亿元人民币 ; 2009年 2月 9日 , 央视北配楼发生火灾 , 直接经济损失 1. 6亿元据统计 1;

9、 2010年 11月 15日 , 上海静安 区胶州路一高层住宅发生火灾 , 58人遇难 , 70余 人受伤 。 高层建筑火灾发生后扑救难度大 , 由于灭 火装备施救高度有限 , 难以从外部实施有效的火灾 扑救 2。国内外学者对高层建筑火灾的研究主要集中在 建筑物内部的火灾蔓延 、 烟气流动和人员疏散等方 面 3-5, 对火灾中产生的高温烟气和有毒气体在周 围环境中的扩散讨论较少 。 目前 , 城市建设用地的 日趋紧张 , 特别是一些大城市 , 土地资源非常宝 贵 。 如何确定相邻建筑物之间的距离 , 使其不受火 灾中产生的高温烟气和毒气的影响 , 具有非常重要 的意义 6。 2009年 2月

10、9日 , 位于北京市东三环 的中央电视台北配楼由于擅自燃放烟花酿成火灾 , 火灾持续六个小时 , 对位于北配楼相距约 100m 的 央视主楼的安全受到了人们的广泛关注 7。笔者以央视北配楼火灾为背景 , 应用火灾动力 学软件 FDS , 对不同风速下高层建筑火灾进行模拟 分析 。 通过分析火灾过程中的温度场 、 烟气浓度分 布及 CO 浓度分布 , 为现实中相邻高层建筑的火灾 救援和不同地区不同气候条件下确定防火间距提供 理论依据 。2火灾模拟场景设定2. 1央视北配楼火灾介绍工程总建筑面积 103648m 2, 最高标高 159m , 建筑标准层高 4. 0m 。 央视新址北配楼着火后 ,

11、燃 烧主要集中在钛合金下面的保温层 , 具有表皮过火 的特点 。 火灾中保温材料燃烧导致火势沿屋面蔓 延 , 引起内部材料二次燃烧 。 大楼保温层使用的材 料是国家推荐使用的新型节能保温材料 , 这种材料 燃烧后过火极快 , 因此瞬间从北配楼顶部蔓延到整 个大楼 8。2. 2FDS 火灾模型介绍模拟实验重在分析火灾蔓延进入稳定阶段以后 温度和烟气分布状况 。 根据火灾表皮过火的特点建 立 FDS 火灾模型 (见图 1 。 模型过火表面主要使 用泡沫代替实际火灾中主要燃烧的保温材料 、 隔音 材料 、 装饰材料等 。 燃烧过程中很多玻璃破碎使过 火面呈现很多矩形的镂空 。 受到模拟软件的限制 ,

12、 将过火面近似为由水平距离为 2. 5m 、 垂直距离为 2m 的泡沫网 (图 2、 3 , 泡沫条宽为 1m , 厚度为 0. 5m 。 模型的主要支撑结构为混凝土 , 大楼尺寸 为长 宽 高 =50m 43m 100m , 模拟时间为 800s 。 在模型周围空气中探点水平距离为 1m , 垂 直距离为 2m 。 火源高度为 27m , 功率为 3MW 。 具体实验模型如下 : 图 3着火面泡沫网放大图在实验中探点的布置主要是分布在大楼外部 , 所以网格体积空间尺寸大于大楼的实际尺寸 。 受到 计算机的性能的限制 , 为保证计算的精度 , 实验中 将整个模拟空间划分为三个区域 (如图 1

13、。 靠近 着火面和布置有探头的区域内需要的计算精度大 , 网格大小为 1m 1m 1m :其它区域计算精度可以 稍微小一些 , 网格大小为 1m 1m 4m 。 实际网格 参数参见表 1。表 1各区域网格参数 区域序号轴 min max 网格尺寸 (m 网格数 1X 035135Y 450154Z161444322X 3590155Y 450154Z1614411283X 050150Y 050150Z16442. 3模拟风速设置模拟实验主要是为了得到在不同风速下空气温 度 、 烟气浓度 、 CO 浓度在环境中的分布状态变化 规律 。 由 于 国 内 大 部 分 地 区 年 平 均 风 速 不

14、 大 于 6m /s9, 所以实验中设置最小风速为 0m /s, 最大 风速为 6m /s, 每增加 1m 设置一组实验 , 共七组实 验 。3实验结果及分析3. 1火灾初期温度分析火焰从火源蔓延至楼顶 , 扩散速度可以高达34m /s。 实验测得 :在无风情况下 , 楼顶温度在 13s 时开始变化 , 从 13225s 空气温度一直保持在 100300 之间 , 225400s 空气温度由 300 上 升到 800 , 之后气体温度稳定在 800900 ; 当 风速为 6m /s时 , 楼顶温度在 11s 时开始变化 , 升 高到 140 后又迅速下降到接近环境温度 , 然后不 断上升 ,

15、在 203s 时空气温度已经达到了 800 , 之后空气温度稳定在 800 左右 (图 4 。 在无风时 , 火源处燃烧产生的高温烟气几乎贴近墙面垂直升 高 , 到达楼顶 , 共用时间 13s , 上升高度为 72m , 上升速度 5. 5m /s。 在接下来的 212s 内 , 墙面物质 还没有开始燃烧 , 空气温度没有明显升高 , 受到下 面已经开始燃烧的物质产生的高温气体上升造成的 影响 , 温度在一个范围内波动 。 有风时受到空气水 平方向流动的影响 , 下面已经燃烧的物质产生的高 温气体倾斜上升 , 因此在一段时间内楼顶温度接近 环境温度 ; 由于火势向上蔓延 , 探点温度逐渐升 高

16、 , 较无风时相比 , 空气温度没有出现在一段时间 内稳定波动的现象 。 最后探点的温度都趋于稳定 , 但是从图 4中可以看出风速为 6m /s比无风状态下 提前约 200s 进入稳定状态 , 这说明有风时火灾蔓 延的速度快 。图 4高度 99m , 离着火面距离 1m 处的温度随时间变化图3. 2火灾稳定期空气温度分析3. 2. 1物质燃烧的基本过程模拟实验中可燃物都是固体 , 燃烧过程是 :受 热后首先分解 , 析出气态或液态产物 , 然后气态产 物和液态产物的蒸气发生氧化后着火燃烧 。 燃烧的 火焰属于扩散火焰 , 可燃气与空气边混合边燃烧 , 由于燃烧不充分会产生碳粒 , 碳粒在高温下

17、辐射出黄色光而使整个火焰呈黄色 10。 3. 2. 2火焰位置分析火焰温度中心在空间的具体位置和中心温度的 高低直接影响到周围建筑物接收到的热辐射和热对 流的强度 , 因此了解风速对火焰温度中心位置和温 度高低的影响就很有必要 。实验模拟中 , 不同风速下火灾在 400s 以后都 进入稳定阶段 , 选取 700800s 这段时间内的温度 作为分析对象 。 对每个探点温度进行统计 , 每隔 0. 8s 记录一次 , 每个探点共记录数据 126个 。 取 同一平面上平均温度最高的探点将其连接 , 所绘图 形可以认为是从楼顶到 143m 之间火苗温度中心的 位置 , 火灾稳定后不同风速下的火焰中心位

18、置曲线 如图 5所示 。 图 6是风速为 0m /s状态下时间在 800s 时的实际火焰侧视图 , 与图 5中风速为 0m /s的火焰中心位置曲线基本吻合 。图 5不同风速下的火焰中心位置曲线图 5显示 , 不同风速下火苗的位置并没有发生 很大的变化 。 在风速小于 3m /s时 , 风速的变化对 火苗温度中心的偏移有比较明显影响 ; 当风速大于 3m /s时 , 继续增加风速 , 温度中心偏移的量并不 明显 。 图中风速在 36m /s之间的火焰中心位置 曲线比较集中 , 很多部分出现了重合 。 每条曲线的图 6无风 、 800s 时火焰侧视图变化过程基本相同 , 可以依据温度中心随高度变化

19、 的水平偏移量 , 将曲线分为三个部分 。 温度中心随 高度变化的水平偏移量计算方法如下 :=D /h (1式中 : 温度中心随高度变化的水平偏移量 ;d 水平方向的偏移增量 , m ;h 垂直方向的高度增量 , m 。第一部分由于离着火面很近 , 最高温度都在离 着火面水平距离 4m 的范围内 , 值通常比较小 , 实验中得到 00. 25, 位置在离着火面水平距 离区间在 14m 范围内 。 风速越大这部分曲线越 短 , 当风速为 5m /s时 , 这部分曲线几乎消失 。 第 二部分温度中心偏移量是整条曲线中最大的 , 实验 中得到的 值都在 2左右 , 位置在离着火面水平距 离区间在 4

20、10m 范围内 , 曲线长短随风速的增加 而增加 。 每条曲线的第三部分变化趋势基本上相 同 , 实验测得 0. 30. 4, 位置离着火面水平距 离区间在 1024m 范围内 。 由于计算机性能有限 , 实验中并没有将火焰整个部分都设置探点 , 因此图 5中的曲线是不完整的 , 笔者认为曲线应该还存在 第四部分 , 这部分曲线 0. 3, 并且将随着距离 的增加而减小 , 最终趋近于 0。探点所在区域网格大小为 1m 1m 1m , 探点 间水平方向距离为 1m , 垂直方向距离为 2m 。 笔者 认为这些距离都偏大 , 对曲线的精确度有较大影 响 , 在网格大小和探点间距都合适的情况下 ,

21、 测得 的火焰中心位置曲线可能是一条抛物线 。 3. 2. 3火焰温度分析空气水平方向的流动影响了火焰中心的偏移 , 同时带来的新鲜空气中所含的大量氧气增强了燃烧 的剧烈程度 。 实验中测得无风时火焰最高温度为·65·中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷831 , 风速 为 6m /s时 火 焰 最 高 温 度 为 1126 , 高出无风条件下 295 。 根据斯忒藩 波尔兹曼 定律 :E b =b T 4(2式中 :E b 物体热辐射能流密度 , 单位为 W /m; 发射率 , 与材料有关 , 黑体的 =1; b 斯忒藩 玻耳兹曼常数 , b =567 108

22、W /(m ;T 4 物体的绝对温度 。通过计算 , 在相同条件下 , 风速 6m /s的 E b (6是无风时 E b (0 的 2. 58倍 , 这说明在同一位置风速 为 6m /s时受到的热辐射强度是无风的 2. 58倍 。 可 见环境风速对火灾危害的影响是很明显的 。通过不同风速下 , 高度与火焰中心温度关系曲 线 (见图 7 , 可以发现火焰温度整体上随着垂直 高度的增加而上升 , 但是在局部也有温度先上升 , 再下降 , 再上升 , 再下降这个过程 。 在无风时这个 过程表现的最明显 , 在 9597m 这个区间内温度 迅速上升 ; 在 97m 以后温度成下降趋势 , 在 107m

23、 处达到最低 ; 之后温度缓慢上升 , 在大概 141m 处 达到最高 , 之后温度曲线开始下降 。 受到条件的限 制 , 实验中没有得到下降部分的完整曲线 。 曲线中 先下降再上升这个过程随着风速的增加 , 表现的越 来越不明显 。 从风速为 3m /s开始 , 就没有明显的 下降过程 , 但是还是受到一定的影响 。 风速为 2m /s 的曲线温度升高幅度最大 , 高度为 95m 处的温度 为 671 , 在 高 度 为 141m 处 温 度 达 到 最 高 值 1034 。 风速在 12m /s范围内 , 对温度的影响 最明显 , 风速虽然只增加了 1m /s, 但是最高温度 增加了 14

24、5 。 从无风到风速为 1m /s 这个范围内图 7高度与火焰中心温度关系曲线最高温度增加了 58 。 风速从 2m /s增加到 6m /s最高温度只增加了 97 。风速对同一高度平面上的空气温度分布也会造 成影响 , 图 8是时间为 700800s , 高度为 141m 处 , 风速分别为 0m /s、 2m /s、 6m /s的平均温度与 离着火面水平距离变化曲线 。 当无风时高温气体以 温度中心为轴对称分布 , 有风时轴对称分布受到影 响 , 风速越大迎风面温度升高越平缓 , 背风面温度 下降越快 , 但是受影响范围增加 。 实验测得 :风速 6m /s时 , 在离着火面 46m 处 空

25、 气 温 度 仍 然 高 达 66 ; 当风速为 2m /s时在离着火面 35m 处空气温 度为 64 , 离着火面 46m 处空气温度是 22. 5 。图 8平均温度与离着火面水平距离变化曲线3. 3火灾稳定期烟气分析 3. 3. 1火灾中烟气的形成和组成火灾中烟气主要是由可燃物在空气中的燃烧和 热分解反应形成的 。 受到 FDS 软件的限制 , 实验 中测得的烟气主要是指燃烧产生的碳粒 。 3. 3. 2烟气位置分析烟气是伴随着燃烧产生的 , 但是烟气浓度中心 位置与火焰温度中心位置并不完全相同 。 图 9是统 计得到的不同风速下的烟气浓度中心位置曲线 , 与 图 5相比 , 在高度达到

26、131m 以后曲线的位置及走 势基本相同 , 而高度在 95103m 这个范围内的曲 线形状却是完全不同 。 在靠近楼顶的这个范围内 , 不同 风 速 下 的 烟 气 浓 度 中 心 位 置 基 本 相 同 。 从 9599m 的范围内烟气浓度中心是贴近着火面的 , 这种现象说明着火表面的烟气浓度最高 。 从 99103m 的范围内烟气浓度中心都出现了大幅度偏移 ,并且风速越大 , 偏移幅度越大 , 无风时偏移了 5m , 风速为 6m /s时偏移了 7m 。 103143m 的范围内偏·75·第 8期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术· 58·

27、中国安全生产科学技术 第7 卷 移量随着风速的增加而增加， 在 0 3m / s 的区间 内风速的变化对偏移量的影响是很明显的 ，但是在 3 6m / s 的区间内风速的变化对偏移量的影响就减 弱了，图 9 中 3 6m / s 的四条曲线在同一高度上距 离均不超过 1m。 离着火面水平距离变化曲线，与平均温度离着火面 水平距离变化曲线 （ 图 8 ） 变化规律基本相同。 风 速越大，空气中烟气浓度越高。 当风速为 6m / s 时 3 在离着火面 46m 处烟气浓度为 12. 05mg / m ， 是风 速为 2m / s 时该处烟气浓度的 26 倍。 图 11 平均烟气浓度与离着火面水平距

28、离变化曲线 3. 4 图9 不同风速下的烟气浓度中心位置曲线 3. 3. 3 烟气浓度分析 火灾稳定期 CO 浓度分析 不同风速下的 CO 中心位置和浓度 （ 见图 12 、 图 13 ） 与 烟 气 中 心 位 置 和 浓 度 随 高 度 变 化 关 系 （ 见图 9 、图 10 ） 基本相同， 但是 CO 浓度要远远 高于同一位置的烟气浓度。 风速小于 2m / s 时 CO 中心浓度受到风速的影响明显， 在风速为 2 6m / s 时 CO 中心浓度受风速影响较小， 图 13 中该区域 曲线比较密集。 烟气中心浓度随高度增加先升高 ，再降低。有 风时， 在 95 99m 范围内， 浓度随

29、高度增加而上 升，在 99m 处达到最大，在 99 103m 处变化浓度 快速下 降， 从 103m 开 始 高 度 增 加 浓 度 缓 慢 下 降 （ 如图 10 ） ，其中风速小于 2m / s 时浓度下降幅度较 大。在同一水平面上，浓度随风速增加升高。在风 速小于 2m / s 时浓度受风速的影响较为明显， 在风 速为 2 6m / s 时浓度受风速影响较小。 这与中心 温度受风速的影响规律基本相同 。 图 12 图 10 高度与烟气中心浓度关系曲线 不同风速下 CO 浓度中心位置曲线 火灾中风速越大，周围环境中的 CO 浓度越高。 图 14 是时间为 700 800s，高度为 141m

30、 处，风速分 别为 0m / s、2m / s、6m / s 的平均 CO 浓度与离着火面 水平距离变化曲线，风速为 6m / s 时 CO 浓度比无风 图 11 是时间为 700 800s， 高度为 141m 处， 风速分别为 0m / s、2m / s、6m / s 的平均烟气浓度与 第8 期 中国安全生产科学技术 · 59· 风速变化较明显。 （ 3 ） 风速越大同一位置温度、 烟气浓度、 CO 浓度值越大。当风速小于 2m / s 时各值增量随风速 增加明显。 （ 4 ） 温度较其他因数对防火间距的影响更大 。 致谢： 特别感谢指导本次实验的吴建星教授 。 参考文献

31、 1 图 13 高度与 CO 中心浓度关系曲线 消防科学与技术， 司戈 中国高层建筑火灾 J 2010 ，29 （ 10 ） ： 863870 SI Ge China s highrise buildings fire J Fire Sci870 ence and Technology，2010 ，29 （ 10 ） ： 863 2 齐鹏 高层建筑的火灾特性与防控对策研究 J 48 科技创新导报，2009 ，（ 34 ） ： 48QI Peng The fire characteristics and the prevention and J Scicontrol measures about

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