0 引言

楼梯井是建筑物里人员流通的重要通道，当在楼梯井内发生火灾时，火势的蔓延和发展非常迅速，给生命和财产带来巨大的损失，救援工作也非常难以开展。相比前人在楼梯井火灾的研究，本次研究使三辆电动车在楼梯口处发生火灾，在烟囱效应下，探究了楼梯井内温度变化和烟气运动的规律，并采用FDS软件模拟电动车在楼梯口处发生燃烧导致楼梯井的火灾，并与全尺寸的相关数据进行对比分析。当该类火灾发生时，为人员的疏散逃生，消防工作的开展提供有利的参考，尽可能使火灾造成的损失降到最低。

Strege和Ferreira[1]在冬季工况下对高层建筑的烟囱效应以及该效应下对楼梯井内外压差的影响进行了研究；Marshall[2]采用了一个1/5尺寸的5层楼房的楼梯井模型，探究了烟气在楼梯井内的流动以及空气卷吸量对楼梯井内火灾发展的影响。前人在楼梯井内火灾的研究，大多是基于烟囱效应下，竖井内压力中性面的研究，以及竖井内烟气的运动规律研究，但是在烟囱效应下，楼梯井内实物燃烧引起的火灾烟气针对温度变化以及火灾浓烟中有毒气体的浓度变化规律的探究相对较少，因此，通过实验与数值模拟对这两方面进行探究。

定植后要加强管理，检查人员要对定植苗以及植株之间的间距进行检查，查看是否太密或者太疏，影响茄子的生长。

1 数值模拟

1.1 模型的简化以及楼梯井模型的建立

模型的原型是一栋4层楼高的典型楼房。在建立模型的过程中，把楼房简化为4层楼的楼梯井和一些连接外接大气环境的窗口和门口。楼梯井的长l=3.0 m，宽w=3.0 m,高h=10.8 m，如图1，图2所示，在FDS软件中的模型如图3所示。实验现场中的楼房如图4所示。

高校服务地方非物质文化遗产保护传承工作实证研究——以百色学院为个案 …………………………………… 凌春辉（6/67）

  

图1 楼梯井水平切面图(米)Fig.1 Horizontal section of the stairwell (m)

  

图2 楼梯井竖切面图(米)Fig.2 Vertical section of the stairwell (m)

  

图3 FDS绘制的楼梯井的模型Fig.3 The model of the stairwell

  

图4 楼房的现场图Fig.4 The scene of building

1.2 模型的边界条件以及燃烧反应的设置

在烟囱效应下，底部火源中心处的空气密度小，温度高，压强小，在内外压差的作用下，底部形成一个抽力，把外界新鲜的空气不断吸入楼梯井内，加剧了燃烧。随着火灾的发展，底部一部分烟气沿着楼梯井中部垂直上升，另一部分沿着阶梯以螺旋的方式上升[4]，实验选取烟气沿楼梯井中轴线上升的轨迹作为探究高度与温度变化的对象，为了使得不同的火源热释放率，和不同情况下的燃烧环境都能够得到类似的温度随高度变化的规律，使结果更具普遍性，为此对温度和高度做了无量纲化：

 

(1)

火灾发展是一个复杂多变的湍流燃烧过程，涉及多种的化学燃烧反应，Dodd等[6]在阴燃和自燃过渡燃烧的计算研究中，发现聚亚安酯(Polyurethane)的燃烧过程主要由8个燃烧反应组成，其中主要由第3个到第7个反应产生CO，聚亚安酯(Polyurethane)的燃烧过程会产生大量的CO。而火灾烟气中含有CO,CO2,SO2等多种有害气体，特别是CO中毒，往往是导致火灾事故中人员伤亡的一个重要因素[7]。因此，本次研究选取电动车火灾中聚亚安酯燃烧反应产生的CO作为主要危害因素的研究对象。在试验过程中，使用Testo340来对CO进行采集，并对CO的浓度随时间的变化进行分析，最后在第四层楼楼梯口处测得CO最高浓度为772 ppm，在模拟过程中，CO浓度的模拟结果如图12所示。

Qin等[3]研究表明，楼梯井火灾存在一个烟气分层的现象，即阶梯间存在一个分界面，上层为烟气，下层为空气，下层的空气在正烟囱效应下，不断被吸入到楼梯井内，火灾烟气在楼梯井内向上流动。该模拟主要研究在这种热驱动下，楼层温度随着楼层高度增加的变化情况。如图7～图9所示。从温度云图中我们可以看出：当时间t=315 s时，火灾发展到轰燃阶段，火源附近的温度最高，平均温度在370 ℃左右，最高温度达到了1 003 ℃；虽然各楼层温度云图的分布并非均匀，但是随着楼层高度的增加，各楼层的平均温度是逐渐降低的；从整体来看，楼梯井发生火灾时，井内的平均温度是350 ℃，远高于井外平均温度；此外，从图中可以看出，近墙体附近的温度要高于远墙体附近的温度，图中显示，靠近阶梯底部墙体附近空间的温度云图的颜色比远离该墙体的温度云图的颜色要深，这是因为火源靠近墙壁或墙角时，则外壁对空气卷吸的限制将对火羽流产生重要的影响，这种影响将加强火焰在垂直壁面上的扩展和蔓延，因此火焰将向壁面偏斜，这是因为空气只能从火羽流的另一侧进入；在烟气流动形成涡的影响下，楼梯井内部空间的温度变化也并非均匀。

 

表1 通风口的位置以及尺寸Table 1 The position and size of vents

  

通风口中心坐标尺寸/m通风口中心坐标尺寸/m窗1 (3.05,1.50,3.75)0.60 m×0.85 m窗2(3.05,1.50,5.95)0.60 m×0.85 m窗3(3.05,1.50,8.35)0.60 m×0.85 m门1(3.05,1.50,0.975)1.50 m×1.95 m门2(0.50,3.05,7.00)1.00 m×2.00 m门3(0.50,0.50,7.00)1.00 m×2.00 m门4(0.50,0.50,9.40)1.00 m×2.00 m门5(0.50,2.50,9.40)1.00 m×2.00 m

 

表2 主要材料的设置Table 2 Material setting

  

部件材料密度ρ(kg/m3)比热容c(kJ/(kg×K))导热率λ(W/(m×K))发射率ε体积量(%)车架STEEL7 8500.4645.80.9515.11轮胎OAK4500.70.170.9040.21车体PVC1 3801.590.1340.9530.93座椅FOAM281.70.050.9013.75

2 模拟结果

2.1 楼梯井内电动车燃烧发展过程

其中，Ti代表每一个模拟测点的温度，单位℃；Ta为大气环境温度；θ为无量纲温度；hi为对应的模拟测点高度，单位m；h为楼梯井总高，距离步长Δz=0.3 m，h0=0.01 m，L为无量纲高度，如图11所示，曲线代表不同时间段楼梯井中轴线上模拟测点θ的变化，其中L在0.0～0.2之间为火源的特征尺寸，该区域为持续火焰区和间歇火焰区[5]，该区域的θ随着L的增加而增加，在0.2处出现峰值，火羽流以上部分的θ则是随着L的增加而逐渐减小。图11中的三条曲线分别代表三个时间段的θ随L的变化，100 s，300 s，500 s分别对应火灾的发展阶段，轰燃阶段，熄灭阶段，其中发展阶段的曲线表现得比较平缓，而轰燃阶段的θ随L的变化最为明显。

2.2 数值模拟温度云图

  

图5 t=300 s时的模拟燃烧图Fig.5 Combustion simulation (t=300 s)

  

图6 t=300 s时的试验燃烧图Fig.6 Experimental combustion (t=300 s)

根据电动车的构成，模拟过程中采用了FDS数据库中FOAM,OAK,STEEL,PVC一共4种材料，市面电动车，其车架一般采用的是低碳钢，在模型中，采用STEEL来作为电动车模型的车架；轮胎的材料以橡胶为主，相应地，在模型中采用OAK作为电动车模型的车轮；对车身结构，基本上是塑料覆盖，所以采用PVC材料作为主要的车体模型；电动车的坐垫一般是由木制材料和一些橡胶，塑料构成，对于这部分的模型，则是采用了FOAM作为材料，具体设置如表2所示。聚亚安酯(Polyurethane)是由乙烷有机单元链聚合而成的物质，是一种新兴的有机高分子材料，其产品广泛应用领域涉及轻工，化工，电子，纺织，医疗，建筑，建材，汽车，国防，航天航空等，有诸多的优良特性，其分类中的PU软泡Flexible PU是一种非常理想的垫材材料；PU硬泡Rigid PU一般用来做冷冻冷藏设备的绝热材料，建筑材料，以及交通运输业方面，如：车辆塑模。而电动车车身和坐垫的材料基本来源于聚亚安酯，因此，电动车的燃烧选择FDS反应设置中的POLYURETHANE反应。

  

图7 Y=0.2 m楼梯井温度云图Fig.7 T(℃) of stairwell (Y=0.2 m)

  

图8 Y=2.0 m楼梯井温度云图Fig.8 T(℃) of stairwell (Y=2.0 m)

  

图9 Y=2.8 m楼梯井温度云图Fig.9 T(℃) of stairwell (Y=2.8 m)

2.3 最高温度实验测点数据与模拟测点数据对比

该模拟主要是研究楼梯井内火灾烟气的温度变化，从而找出楼道内火灾在现实中的发展规律，所以选取最高的温度实验测点与模拟对应的模拟测点所测的数据进行比较，绘制成图表，能够更直观地反映出模拟与实验研究所得出来的关系，如图10所示，图中CHCPA2表示实验热电偶A2所测的温度变化曲线，最高温度达到了1 078 ℃，THCPA2表示数值模拟热电偶A2所测的温度变化曲线图，最高温度达到了1 003 ℃。由图可知，火灾发展到了230 s～300 s时，模拟的结果与实验的结果比较接近，这是因为火灾发展到了轰然阶段时，火灾由局部燃烧瞬间向全面燃烧的转变，温度变化梯度较大，此时可燃物剧烈地燃烧，放出大量的热，是火灾发展的主要因素，模型在燃烧条件上做得与实际情况比较相似，所以该部分的模拟数据比较接近实验数据。在烟囱效应下，火源近地面处不断得到外界空气的补充，使得火灾进一步发展；在火灾衰减和熄灭的阶段，模拟过程的最高温度变化曲线相对实验而言，稍有提前，但是温度的变化梯度相差不大，且变化的趋势相对一致。

2.4 楼梯井中心线上高度与数值模拟温度的变化关系

  

图10 最高的实验温度测点和模拟温度测点变化对照图Fig.10 Tmax of experiment and Tmax of simulation

根据现场实测的数据，大气环境的温度Ta=20 ℃，大气压Pa=101.5 KPa，楼梯井墙体表面的门窗作为井内燃烧时的通风口，通风量的计算公式如下：

 

(2)

 

(3)

实验使用100 mL的METHANOL作为引燃物，主要把引燃物放置在中间位置电动车的皮座椅上，以此来引燃旁边两辆相互停靠的电动车。在数值模拟过程中，根据电动车的几何形状和几何位置，进行了等比例的网格划分，网格尺寸大小为7 m×7 m×12 m，网格数量划分为70×70×120，网格总数一共是588 000个，除了底面的网格，其余5个面的网格设置为开放边界，即与大气环境相通。火灾烟气的运动流场是属于紊流流场，燃烧过程属于紊流燃烧，该流场起主导作用的是大尺寸的漩涡，对火灾温度与烟气运动规律分布的研究，采用大涡流模拟(LES)，通过FDS的后处理器Smagorinsky来进行求解，并与实际的燃烧情况作比较，如图5，图6所示。

  

图11 不同时间段楼梯井中轴线模拟测点的无量纲温度变化图Fig.11 Dimensionless temperatures of the central axis

2.5 火灾烟气数值模拟的变化规律

其中，Q为总的通风量，单位为m3/s;v代表空气的平均流通速度，单位m/s;Ai代表各个通风口的迎风面积，而门窗的尺寸和坐标位置见表1。

勘探布置1孔，孔深15m。闸基高程5.8～6.8m主要为第②1层粉土，构成地基主要持力层，具中等压缩性，中等透水性，渗透稳定性较差。高程1.7～5.8m为第②层壤土、第③壤土，具中等压缩性，微弱透水性，强度较高。高程1.7m以下主要为第③1黏土层、第③壤土层，具中高压缩性，微弱透水性，工程地质相对较差。

台风期间鹿城藤桥、瑞安陶山等城镇受淹极其严重，积水最深达4 m，水满二楼。出现险情后，各级部门第一时间组织抢险，仅温州军分区和武警部队就成功解救受洪水围困群众534人；灾情发生后，各级党委、政府第一时间部署落实抗灾救灾工作，提出了“五确保”的明确要求，不到 50小时，全市水、电、路、通信等关系国计民生的基础设施就基本抢通。正是由于抢险救灾工作迅速及时、有力有序有效，最大限度地减少了人员伤亡和灾害损失，最短时间内恢复了生产生活秩序，让广大群众看到了各级党委、政府为抢险救灾做出的努力，赢得了社会各界和广大媒体的普遍赞誉。

  

图12 各楼层CO浓度随时间的变化Fig.12 The variation of concentration of CO with time

图12中one floor表示一楼门口处CO浓度的模拟测点，four floor表示四楼楼梯口处CO浓度的模拟测点。模拟结果显示，四楼楼梯口处CO最高浓度为415 ppm，一楼CO的最高浓度为394 ppm，研究表明一个正常的成年人处于100 ppm环境持续8小时会有头晕，眩晕的感觉，在500 ppm～1 000 ppm之间的环境持续停留1个小时，会有意识不清醒，呕吐，直至死亡的情况出现，在火灾事故中，50%～80%人员的伤亡是由烟气侵害造成的。另外，图12显示，在t=630 s处，CO的浓度有所增加，并出现二次峰值，这是由于，在进行喷淋灭火时，虽然在一定程度上减小了火势的发展，但是由于部分可燃物在充分燃烧时，喷淋灭火使其转为不充分的燃烧，从而导致CO等有毒气体的产量增加。

2.6 热释放速率变化

根据现场实验电动车燃烧在较平稳阶段火焰的特征尺寸估计[8],火源设置的大小为2 240 kW/m3。在全尺寸的实验过程中，火灾在发展到了630 s后，楼梯间进行了喷淋灭火，持续了120 s。所以在数值模拟过程中，在630 s也进行了喷淋灭火，该段时间以后，火源的热释放速率有所降低 ，火源HRR所测结果如图13所示，因为火源的热释放率是一个关于温度变化的函数，虽然温度的变化是HRR其中的一个自变量，但是从图13中可以看出，HRR随时间的变化趋势基本与温度变化的趋势相同，火灾发展在大约300 s时，实验和数值模拟都出现了最高温度，模拟结果显示，火灾在发展到303 s时，火源处最高的热释放率HRR达到了3 940 kW，因此，在一定程度上说明温度变化率是火源HRR变化率的主导因素。

3 总结

通过模拟楼梯井内火灾的发展，探究了楼梯井内火灾烟气温度和浓度的变化情况。楼梯井内火灾的火焰和热烟在卷吸效应下，遇到边界壁面或者顶棚时，会在壁面蔓延或形成顶棚射流，导致该区域的温度较高，且温度变化梯度较大。在仅考虑一楼楼梯口处的电动车为燃烧物的情况下，火焰特征尺寸上方，楼梯井竖直方向上的温度随高度增加而衰减，且温度变化也随高度的增加而减小，如果楼层高度足够，则最后的曲线将会平稳在某个值附近。电动车聚亚安酯(Polyurethane)的热解反应复杂，在第3阶段到第7阶段产生大量以CO为主的有毒气体，且燃烧熄灭阶段，在喷淋的作用下，CO浓度出现二次较小幅度增加， 随后又出现衰减。

  

图13 引燃物热释放率HRR随时间的变化Fig.13 The variation of HRR of combustion source with time

参考文献

[1] Strege S, Ferreira M.Characterization of stack effect in high-rise building under winter conditions，including the impact of stairwell pressurization[J].Fire Technology, 2017, 53(1): 211-226.

[2] Marshall NR.The behaviour of hot gases flowing within a staircase[J].Fire Safety Journal, 1985, 9(3): 245-255.

[3] Qin TX, Guo YC, Chan CK, Lau KS, Lin WY.Numerical simulation of fire-induced flow through a stairwell[J].Building and Environment, 2005, 40(2): 183-194.

[4] 孙晓乾.火灾烟气在高层建筑竖向通道内的流动及控制研究[D].合肥: 中国科学技术大学, 2009, 43-65.

[5] 和丽秋, 李海江.消防燃烧学[M].北京: 机械工业出版社, 2015, 61-78.

[6] Dodd AB, Lautenberger C, Fernandez-Pello C.Computational modeling of smolder combustion and spontaneous transition to flaming[J].Combustion and Flame, 2012, 159(1): 448-461.

[7] 冯均伟, 梁栋, 莫善军.“三合一”场所火灾风险计算分析研究[J].科技通报, 2016, 32(5): 211-214.

[8] 吴雪娇.基于火焰尺寸特征的热释放速率估测研究[D].合肥: 中国科学技术大学, 2012, 51-66.