国家基金结题报告正文 xin

报告正文1、研究计划要点及执行情况概述本项目研究计划要点：通过对三种基本单元组合得到多种建筑结构模型，综合可燃物性质、通风状况及环境条件，对影响轰燃的各种因素的重要性进行研究，以目标物体接受到的热辐射通量和固体可燃物热解为基础，对轰燃发生的临界条件给出定量说明，建立轰燃发生的理论模型；关注的重点是轰燃和是否有细水雾或惰性气体抑制燃烧以及通风体条件对于烟气生成和迁移的影响，提出基于燃烧状态的烟气生成和迁移的理论模型；建立综合考虑基于烟气生成和迁移模型计算出的建筑结构中的烟气不同成分的浓度分布、在建筑结构中的人员的疏散路径及在疏散过程中的人员呼吸率变化的烟气危害性评价的动态模型；以烟气中的气体浓度在建筑火灾中的时空变化规律为依据，应用危害性参数或毒性指数进行分析，建立建筑结构中各个位置在火灾全过程总体危害程度的静态评价标准。本项目的研究始终按计划进行，执行的结果主要反映在发表16篇论文，获得7项国家专利，联合培养博士研究生3名（已毕业1名），培养硕士研究生16名（已毕业4名），培养中青年学术带头人1名。2、研究主要工作进展和所取得的成果（1）研究轰燃发生的临界条件和数学模型在特定建筑结构燃烧间中，以建筑火灾中常见的代表性可燃物质为例，研究它们在建筑火灾发展过程中的热解规律和挥发物中的成分及浓度的时空变化规律，以及室内氧气消耗和热环境的时空变化规律。通过理论分析和实验研究，建立上述诸规律相互作用条件下所决定的轰燃发生的临界条件和数学物理模型。以安徽建筑工业学院的中等尺寸烟气迁移实验台为基础，运用无量纲参数燃空比即GER分析了燃烧状态的不同阶段和烟气生成量及向远距离处迁移量之间的关系，提出了基于燃烧状态的烟气生成和迁移的理论模型；根据实验和理论数值模拟结果，发展和完善了轰燃发生的临界参数判断模型、烟气生成和迁移的预测模型以及烟气危害性评价的动态模型，建立综合考虑基于烟气生成和迁移模型计算出的建筑结构中的烟气不同成分的浓度分布和烟气危害评价的动态模型。图1中等尺寸烟气迁移实验台图2中等尺寸烟气迁移实验台及燃烧箱的专利图3部分火灾燃烧实验数据组图研究了在特定建筑结构中，建筑火灾中常见的代表性可燃物在火灾发展过程中的热解规律及挥发物的成分、浓度随时间的变化规律，以及室内氧气消耗和热环境的时空变化规律。通过理论分析和实验研究，建立上述诸规律相互作用条件下所决定的轰燃发生的临界条件和数学物理模型；三合板吊顶，燃烧室中测得的CO2浓度明显高于其余的吊顶材料，没有吊顶材料，CO2的浓度峰值处于这几种附加吊顶材料之间的状况，但是，如果用峰宽时间来衡量的话，处于相对高浓度的时间来看，三合板反而最短，PVC和矿棉板的情况相对较长，无附加吊顶材料的情况处于之间。对于木材无引火源辐射着火的着火临界热流()，在考虑到样件尺寸、密度、纹理方向、湿度及外加对流等各种因素的影响下，之前研究结果所给出的范围在25-46kW/m2，其中此前实验的辐射距离基本都在100mm之内（即锥形量热计一类小尺寸实验台）。然而，在更大尺度的热辐射模拟实验中，我们发现了一个有趣的实验现象：木材实验样件在辐射距离400mm处受热在入射热流=50kW/m2下并没有很快地着火，在长达5分钟的时间内都处于一个无焰炽热燃烧（glowingcombustion）的状态。而在锥形量热计下，相同的实验样件在入射热流=50kW/m2下的着火在1分钟以内即发生。显然由于辐射距离的改变，造成了在固体可燃物表面接受相同大小入射热流时的无引火源辐射着火特性的差异。我们通过精细的实验设计，基于可燃热解挥发份浓度稀释特性和气相温度场分布特性，对不同辐射距离下无引火源着火结果的差异进行了成功的分析与解释。图4实验工况及实验设置示意图图5不同辐射距离下辐射源至样件表面间的实测稳态温度场(=50kW/m2)图6着火时刻初始火焰位置处气相温度(=50kW/m2)（2）研究不同燃烧阶段和有无燃烧抑制措施的烟气生成量和迁移规律分析观察不同燃烧阶段，尤其是轰燃阶段前后，对于燃烧间中的烟气生成量和向远距离处的迁移量的影响。通过提出无量纲参数燃空比，即GER和无量纲释热速率来反映室内的不同燃烧阶段并将GER和无量纲释热速率和烟气的生成量和迁移量进行关联。从而得出基于不同燃烧阶段和是否有细水雾或惰性气体抑制燃烧以及通风条件变化的烟气生成量和迁移量的预测模型。建立一个小尺寸中国传统民居屋顶保温系统实验装置，对不同宽度保温材料EPS进行燃烧特性实验，通过摄像机监测动态燃烧过程，分析保温材料EPS开始熔融滴落的时刻以及在屋面燃烧总时间，研究保温材料EPS火蔓延特性。图7燃烧装置示意图（a）（b）（c）图8保温材料EPS燃烧火蔓延（a-case1b-case2c-case3）图9不同宽度保温材料EPS在屋面开始熔融滴落时刻和燃烧总时间图10不同宽度保温材料EPS在屋面燃烧总时间预测通过对中国传统民居屋顶保温体系进行火蔓延实验研究，得出时间和试件宽度之间的关系T=142-2.97D+0.136D2，保温材料裂解，熔融，燃烧，不同宽度试件开始熔融滴落的时间基本一致，实验录像表明三种不同宽度试件在屋面燃烧总时间不呈线性增长关系，对宽度和燃烧总时间之间的关系进行二次关系拟合，可以预测宽度在10-30cm之间的保温材料EPS在屋顶燃烧的总时间。（3）研究分析烟气生成和迁移规律并建立危害性动态和静态评价模型研究分析在特定建筑结构火灾中，如何以基于烟气生成和迁移模型计算出的建筑结构中的不同时间和空间烟气不同成分的浓度分布、在建筑结构中的人员的疏散路径及在疏散过程中的人员呼吸率的变化为主要因素的烟气危害性评价的动态模型；如何应用危害性参数或毒性指数，以建筑结构中的不同时间和空间烟气不同成分的浓度变化为依据建立结构中不同位置的总体危害性程度的静态模型。首先本项目基于文献调研和实地观察正常情况下学生人群的楼梯运动情况，我们概况总结了（超）高层建筑内楼梯人群疏散的四大典型特征：底部积聚效应、楼梯相向流、楼梯口人群汇流和疏散中止、底部积聚效应。底部积聚效应是指当进入楼梯内的人流量超过楼梯的最大通行能力时，未能及时疏散的人员就会在楼梯上积聚。因此，应该优化疏散策略，通过合理控制同时进入楼梯的人员数量，以保证人群运动的通畅。楼梯相向流是指向下运动的大规模人群和向上运动的消防队员相互阻碍的现象，楼梯相向流引起的冲突极易造成跌倒、踩踏事故。楼梯口人群汇流是指在每一楼层的楼梯口处，本楼层的人流和上层楼梯段上的人流会在楼梯口处发生汇流，楼梯口处等待人流易造成了局部的堵塞拥堵，影响人员进入楼梯的效率。图11教室疏散实验与模拟组图图12基于FDS+EVAC的‘FasterisSlower’现象的模拟验证其次本项目通过数值模拟的方法，分别研究了楼梯、出口、疏散通道转角、走廊、建筑平面形状等建筑结构对人员疏散的影响。研究发现，当总的楼梯宽度一定的条件下，楼梯平面位置的变化对总的疏散时间影响很大；出口对人员疏散的影响主要取决于出口的相对位置，在出口总宽度一定的条件下，当两出口同侧布置且距离取最小值0时，人员疏散效率最大，此时最有利于人员的疏散；根据不同的人员密度和步行速度，当疏散通道的两个转角之间的距离达到最优值时疏散效率最高；走廊宽度应设计成最佳宽度，且出口条件不同，最佳走廊宽度也不一样当走廊出口总宽度相同时，一个出口比两个出口更有利于人员疏散，而走廊角度的变化对人员疏散的影响规律受人员密度的影响，在条件允许的情况下，走廊尽量不要设置转角；人员密度较大时，如必须设置，转角宜越小越好，人员密度较小时，走廊设计成90°转角形式更有利于人员疏散；建筑平面形状方面，当人员总数较小，而出口宽度较大时，U型建筑更有利于人员的疏散，而出口宽度一定，而人员总数较大时，矩形建筑表现出对人员疏散的明显优势性。研究成果对建筑物楼梯、出口位置、疏散通道、走廊、建筑平面等建筑结构的设计和人员的安全疏散具有一定的指导作用。图13基于Pathfinder软件数值模拟模型组图图14不同工况下疏散效率对比组图（4）研究建立结合N气体模型的危害性动态评价模型研究如何在烟气危害性动态评价模型中，综合考虑多种烟气成分对于疏散人员的生理和心理影响，如何将美国NIST提出的烟气危害性静态评价的N气体模型和本项目提出的动态模型进行结合，使得烟气危害性评价更符合实际火灾场景，为建筑防火的性能化设计和人员的安全疏散提供重要的技术支撑。图15锥形量热仪示意图图16铝面-聚氨酯建筑保温材料实验示意图图17材料着火时间与外界辐射热流的关系图18不同辐射热流下材料的热释放速率平均值与峰值图19材料燃烧过程组图为了更好的研究分析危害性气体在燃烧总过程中的危害性大小，我们提出一个峰宽时间的参量Peakwidthtime。峰宽时间，是燃烧烟气中危害性气体浓度曲线各部分中维持高于积分中值浓度的持续时间之和。利用这个指标能够评估高浓度烟气在实验中持续的时间，从而可以统一衡量烟气的危害性。图20辐射强度为45kW/m2时材料A与B燃烧产生CO浓度图21材料A与B燃烧危害性分析模型对比图22材料A与B燃烧危害性HNF模型基于时间和浓度整体作用的概念，提出一个新的参数，即危害性指数HI，用峰宽时间和浓度中值的乘积获得。实验发现HI模型的计算数据与既有的火灾烟气危害性分析模型N-gas、FED模型基本吻合，运用二维插值与加权平均计算提出总体的危害性分析模型HNF用来分析材料火灾危害性。图23建筑模型FDS计算网格划分与火源功率的模型验证分析为研究高层建筑外墙保温体系燃烧特性，现运用FDS建立一个典型的6层建筑外墙保温体系，进行一系列的风速、隔离带等因素变化下外墙体系燃烧模拟研究。以建筑的一个立面为研究对象，建筑总高度为18m，每层3m，房间宽为3m，窗户假定均全封闭，尺寸为1.4×2.0m，居中设置，距地面距离为0.8m，设定外墙厚度为0.1m，外保温体系厚度为0.2m。模拟计算网格区间为18×0.6×24m，网格数为90×6×120=64800个（&MESHID='Mesh',IJK=90,6,120,XB=-3.0,15.0,-0.4,0.2,0.0,24.0/）。图24不同风速下的火灾烟气运动速度图25保温材料燃烧全过程模拟有机保温材料广泛应用于高层建筑外墙保温体系的同时也可能增加高层建筑的火灾风险，本课题通过计算机模拟着重研究了保温材料之一的聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）火蔓延速率、失重速率及温度场分布等特性。研究结果发现外保温材料发生火灾后，可以在很短的时间内自下而上蔓延至整个材料表面并有表皮着火的特征。在火焰到达材料顶部之前，向上火蔓延占主导地位，材料中部区域明显燃烧脱落，火焰在材料两端上部继续燃烧，有向下加速蔓延的趋势，之后火焰沿着材料中部内侧向下剧烈燃烧，材料成V字型燃烧直至熄灭。而高层建筑外墙外保温材料火蔓延中不同着火点情况下的燃烧速率随时间的变化趋势相似，且会形成两个波峰。3、国内外学术交流合作与人才培养情况在本项目的大力支持下，联合培养博士研究生在读2名，毕业1名，培养硕士研究生在读12名，毕业4名。课题组参加国际学术会议3次，国内学术会议3次，其中出国参加国际学术会议1次。培养1名中青年学术带头人。研究生受本项目研究资助的毕业论文如下表所示：研究生姓名研究方向论文题目导师姓名答辩时间喻菊芬人员疏散建筑物不同结构形式下人员疏散特性研究方廷勇20