地下车库火灾烟气蔓延模拟分析

奚翠萍，卢 平，李镇韬，杨 杨

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

由于地下车库位于地下，是一个大型的封闭空间，建筑结构复杂，自然通风条件差等特性，一旦发生火灾，车库内温度高，烟气无法快速散出导致地下车库能见度降低，人员疏散与救援十分困难，这将造成极大的人员伤亡与财产损失[1-4].因此，人们越来越注重对地下车库火灾防控和处理的研究.

近年来，国内外学者们对地下空间火灾烟气的研究取得了显著成就.Peter Weisenpacher等通过汽车仿真模型的模拟研究，模拟结果与全尺寸火灾试验结果相比较，得出仿真模拟是具有可靠性的[5].程远平等通过对一辆小汽车的燃烧试验，得到了火场温度、热释放速率等参数的变化规律，并得出了小汽车燃烧热时逃出火场的最佳时间[6].张淑慧利用FDS建立车库三维模型，通过设置不同的工况，得出在排烟系统与喷淋系统的作用下可以有效地降低火场温度和提高火场的能见度[7].张甫仁等采用FDS火灾模拟软件建立三维车库模型，设置不同工况分析排烟口的布置方式与排烟口风速大小对烟气层的发展和火灾控制的影响规律[8].

本文以某医院地下车库为研究对象，利用Pyrosim建立三维模型，通过模拟来分析在机械排烟系统与喷淋系统的作用下，地下车库发生火灾时的温度、能见度以及CO浓度的变化，从而得出火灾过程中烟气蔓延的规律.

1 数值模拟理论

Pyrosim是在FDS的基础上发展而来的，主要能够快捷地创建火灾模型，准确预测火灾的温度、烟气流动和有毒气体浓度，然后通过Smokeview将模拟结果可视化，可更加方便直观地看到火灾中烟气的蔓延过程[9].

火灾发展模型主要有经验模型、场模型、区域模型和网络模型.其中，场模型比较适合用于建筑火灾模拟分析，采用Navier-Stokes方程对烟气流动及传热过程进行计算，利用大涡模拟方法进行模拟求解.在计算过程中会考虑建筑物内整个过程的火场烟气蔓延及温度动态，其(N-S)基本控制方程有：

质量守恒方程为

(1)

式中：ρ为燃烧气体的密度；t为燃烧时间；为哈密顿算子；u为烟气速度.

动量守恒方程为

(2)

式中：p为气压值；f为外力；τ为粘性力.

能量守恒方程为

(3)

式中：h为热焓值；q为热释放速率；k为导热系数；D为气体扩散系数；dρ/dt为压力的随体导数.

组分输运方程为

(4)

2 案例分析

2.1 工程概况

已知某医院地下车库(如图1所示)，建筑面积18 440 m2，层高5.2 m,长206.8 m，宽108 m.该地下车库南面设有1个出口，1个入口，车库内共设有11个防烟分区，每个防烟分区用特级防火卷帘分隔.根据我国《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》规定，地下车库每个防烟分区的建筑面积不宜超过2 000 m2[10].

图1 地下车库整体布局

2.2 模型建立

本文取11个防烟分区中的E 防烟分区为对象建立三维模型，该分区面积1 985 m2，其中长82 m(Y方向)，宽24 m(X方向)，高5.2 m(Z方向),设有45个停车位，2条人员疏散楼梯以及1间排风机室和1间滤毒室，与两边的D和F防火分区用防火卷帘隔开，该防火分区上方布置有排烟风管与喷淋系统.根据实际工程概况进行建立模型，如图2所示.并在(X,Y,Z)=(6.5，13.8，2)处的楼梯间附近与火源点附近设置监测设备，在离地2 m(Z=2 m)处设置切片，用来测量温度、CO浓度以及能见度.

图2 三维模型

2.3 设置工况

以汽车表面为火源点，设置在两楼梯间之间，火源热释放速率设定为7 MW，统一汽车尺寸为4.4 m×1.8 m×1.5 m.网格尺寸采用0.4 m×0.4 m×0.4 m，模拟时间设置为500 s.

本文主要研究排烟系统与喷淋系统对地下车库的火灾烟气蔓延的影响，共设置了3个火灾场景进行模拟研究对比，如表1所示.

表1 工况条件设置

3 模拟结果分析

3.1 不同工况下温度分布数值变化

3.1.1Z=2 m处

离地面2 m处的温度变化云图如图3所示，可以看出：当火灾燃烧时间达到300 s时，工况1条件下车库的整体温度在45 ℃以上，火源点附近最高温度达到了70 ℃，由于热烟羽流上升到了顶棚遇阻后向四周扩散下沉，导致车库两侧温度较高，达到了60 ℃以上；工况2在燃烧时间达到300 s时，火源点附近温度达到了105 ℃，但车库其他位置温度在50 ℃左右(这是因为机械排烟带走了部分热烟，使得车库整体温度比工况1低，但同时也带进了空气，充足的氧气使得火燃烧更加旺盛，导致火源附近温度很高)；工况3因为机械排烟与喷淋的相互作用，车库整体温度在35 ℃左右.

(a) 工况1

3.1.2X=6.5 m处

在X=6.5 m的楼梯口处3种不同工况下的温度变化曲线如图4所示，可以看出：3种工况在燃烧时间达到140 s火灾燃烧初期，楼梯口处的温度基本相同，这是因为起火初期温度上升速率较慢，除火源点位置温度较高外，车库内整体温度都在20 ℃左右；在140 s之后，温度开始整体上升，工况1的温度明显高于其他2个工况，其最高温度达到75 ℃以上，工况2的最高温在65 ℃左右，而工况3在机械排烟与喷淋系统都开启的情况下，整个车库温度一直维持在35 ℃左右.

图4 不同工况下X=6.5 m处的温度变化曲线

人只可以短暂忍受一定的温度，但在超过65 ℃的环境中，将会造成无法恢复的创伤.3种工况下，工况1的受困人员必须在火灾发生后220 s左右的时间段从这个楼梯口逃出去，否则会有伤亡危险.

3.2 不同工况下能见度分布数值变化

3.2.1Z=2 m处

不同工况下Z=2 m处的能见度云图如图5所示，分析可得：工况1下整个车库的能见度不高，只有局部能达到15 m左右；工况2与工况3下，车库的整体能见度相对来说要比工况1好，局部最高能见度能达到30 m 左右，在机械排烟与喷淋系统的作用下，大大提高了地下车库的能见度.在3种工况下，都是车库墙边拐角区域能见度非常低，说明一些半封闭的区域烟气流通性差.

(a) 工况1

3.2.2X=6.5 m处

在不同工况条件下，左侧楼梯口附近X=6.5 m处的变化曲线如图6所示，分析可得：在燃烧时间达到100 s之前，3种工况的能见度均在30 m，因为火灾发生初期，烟气上升还未蔓延到楼梯附近2 m处；在燃烧时间达到100 s之后发生明显变化，工况1的能见度直线下降，在燃烧时间达到150 s后能见度低于5 m，这使得逃生与救援工作受到很大的阻碍；工况3条件下，在燃烧时间达到150 s以后能见度下降到10 m以下，也不利于受困人员从该楼梯逃生；工况2下，地下车库的能见度是最高的，始终保持在10 m左右，说明排烟系统的开启能很大程度提高楼梯出口附近的能见度，当喷淋系统开启时，烟气冷却下沉，使排烟有所阻碍，从而导致能见度降低.

图6 不同工况下X=6.5 m处的能见度变化曲线

3.3 不同工况下CO浓度分布数值变化分析

图7是3种工况下X=6.5 m左侧楼梯口附近的CO浓度变化曲线，可以看出：工况1在机械排烟系统与喷淋系统都不开启的情况下，CO浓度明显高于其他2个工况，其CO浓度最高达到565 mg/m3；工况2的CO浓度基本在250 mg/m3以下；工况3的CO浓度达到了375 mg/m3.表明机械排烟能将烟气排出，有效地降低了火场的CO浓度，而喷淋的开启抑制了火源的燃烧，使火处于阴燃状态，燃烧不充分，从而导致CO浓度增加.

图7 不同工况下X=6.5 m处的CO浓度变化曲线

人长时间在CO浓度为125 mg/m3的环境中，会出现头痛，恶心，在250 mg/m3的环境中会产生头痛、呕吐甚至昏迷.所以在3种工况中，工况1的受困人员需在220 s之前从该楼梯逃生，否则会有安全隐患.

4 结论

1) 在自然通风条件下，烟气蔓延的速度较快，很快蔓延到整个地下车库且不能及时排出，导致地下车库温度、能见度以及CO浓度相对较高，有的甚至超过安全界限.

2) 机械排烟系统打开，可以直接将车库内大量烟气排除，降低烟气浓度，提高了能见度；同时，能很好地降低逃生楼梯附近的CO 浓度.因此，应在地下车库合理位置设计排烟系统.

3) 喷淋系统的开启降低了车库内的温度，但是单独使用可能会使烟气层降低，导致能见度降低，CO浓度升高；与机械排烟系统联合作用，会更好地控制火场的各项参数，为逃生救援工作提供了有利条件.