基于信息传播系统的人员疏散模型探讨

基于信息传播系统的人员疏散模型探讨

1.基于信息传播系统的人员疏散模型探讨 篇一

1 某超市火灾过程的FDS模拟

超市尺寸为50m×30m×5m, 除了生活用品、家具用品、食品、生鲜品外, 在超市拐角处设立了烘烤区、蛋糕面包等快餐服务。由于烘烤区有电烤箱、油炸箱、烘烤机等电热器具, 若管理不善易造成火灾事故。超市内部存在大量可燃物, 若室内高温烟气没有及时排除, 火灾发展到一定阶段室内高温烟气积累到一定程度时热辐射足以引起轰燃。假设烘烤区的电器设备因故障而产生火花, 导致其周围的可燃物 (以木制材料为主) 起火, 火源与易燃玩具展台很近, 大火很快蔓延至玩具区, 产生的高温烟气也将迅速蔓延。

1.1 几何建模

超市共设有三扇门, 分别位于正前方、左侧方和后方, 其位置如图1所示。共划分13个区域, 分别是特价品区、家居生活用品区、日常生活用品区、冷藏食品区、生鲜冷冻食品区、水果区、烘烤熟食区、糖果食品区、数码产品区、玩具区、服务台区、外租区、收银台区, 其布局情况如图2所示。各部分的尺寸和材料如表1所示。

1.2 FDS模拟

初始室内外温度均设为20℃, 初始反应物为木材C3.4H6.2O2.5, 室内初始风速为0m/s。冷藏食品温度保持在5℃, 生鲜冷冻食品的温度保持在-15℃。计算域尺寸为50m×30m×5m, 网格单元体为0.5m×0.5m×0.5m的立方体, 总网格数为100×60×10=60 000个。在氧气不足的情况下, 木材的热释放速率为193～288kW/m2;考虑到氧气充足的条件, 假设单位面积热释放速率为500kW/m2, 起火面积为2m2, 总热释放速率为500×2=1 000kW, 火源位置设定在F区和J区之间。在超市内高度4.8m处设置自动喷淋装置, 喷头工作压力为130Pa (相对压力) , 激活温度为74℃。分别计算有、无自动喷淋装置的火灾过程, 如图3、图4所示, 分别提取120、300s的瞬时烟气/水蒸气的分布情况。

由图3、图4可见, 火灾从烘烤区与玩具货架之间燃起, 随后玩具货架上的易燃物被迅速点燃, 高温烟气蔓延很快。当安装自动喷淋装置时, 起火40s火焰正上方的自动喷淋装置被激活, 起火120s第二个自动喷淋装置被激活, 水滴吸收热量产生大量水蒸气, 减缓了高温烟气的蔓延, 大量烟气被水蒸气覆盖。当没有自动喷淋装置时, 高温烟气蔓延非常快, 迅速充满整个超市。

1.2.1 烟气温度分布

有自动喷淋装置的情况下, 20min内整个空间内烟气的最高温度为161℃, 平均温度为33.5℃;而无自动喷淋的情况下, 烟气最高温度达到232℃, 平均温度为60.3℃。自动喷淋装置对火灾高温起到抑制作用。

1.2.2 CO体积分数分布

有自动喷淋装置的情况下, 20min里CO体积分数达到172×10-6, 比无自动喷淋装置情况下166×10-6的CO体积分数高了6×10-6, 两种情况下的CO平均体积分数均接近39×10-6。火源附近在自动喷淋作用下产生大量水蒸气, 导致局部缺氧而发生不完全燃烧, 所以此处CO体积分数比无喷淋作用时大。CO体积分数最大值均在火源正上方。

1.2.3 烟气层高度

有自动喷淋装置的情况下, 火源附近烟气层高度分布不均匀;而无自动喷淋装置的情况下, 火源附近烟气层高度分布较均匀。有自动喷淋时的烟气沉降最低的地方在火源附近, 烟气层已降至1.37m, 低于人眼特征高度, 整个空间的平均烟层高度为2.45m;而无自动喷淋时烟气沉降最低处在超市左下侧角落, 烟气层降至1.26m, 整个空间的平均烟层高2.12m。

1.2.4 能见度

180s时, 自动喷淋作用下, 火源附近小范围内能见度降到5m以下, 而其他区域仍保持30m以上的能见度。无自动喷淋的情况下, 西侧的角落区域能见度下降至15m左右, 其他区域仍然保持30m以上的能见度。520s时, 自动喷淋情况下, 超市内除了3个出口附近能见度达到25m以上, 其他区域已降至15m左右, 能见度最差的地方仍然在火源附近;无自动喷淋的情况下, 能见度下降到10m以下, 能见度最差的位置为西侧角落处。780s时, 有自动喷淋情况下, 西北侧冷藏区域的能见度下降到8m左右, 出口附近较大区域能见度仍可保持15m左右;无自动喷淋情况下, 整个火场的能见度均不足5m。1 080s时, 即使自动喷淋作用, 能见度也降到5m以下, 但比无自动喷淋时的能见度高。

当自动喷淋作用时, 尽管在火源区域存在不完全燃烧现象, 在局部小范围区域能见度急剧下降, 但大大延缓了整个火场能见度下降的速度;无自动喷淋时, 能见度从火源对面的拐角处开始下降, 逐渐蔓延至整个区域, 下降的速度远比有自动喷淋作用时快。无论有无自动喷淋, 能见度最小的地方都在火源附近, 有自动喷淋时此处能见度要比无自动喷淋时更差, 但从整体看, 有自动喷淋的平均能见度为18.5m, 明显比无自动喷淋的平均能见度14.2m高。

2 基于FDS的可用安全疏散时间分析

2.1 可用安全疏散时间

在整个超市平面内, 选取具有代表性的8个点:根据超市四周角落处最危险的原则, 选取5个有代表性的点;根据人流量最密集的原则, 在主通道上选取3个有代表性的点。其具体位置如图5所示。用8个点的烟气温度、CO体积分数、能见度和烟气层高度的平均值反映超市的火灾发展情况, 确定达到危险的时间, 确定可用安全疏散时间 (ASET) 。

2.2 有自动喷淋装置的ASET

有自动喷淋装置时, 从火灾发生到150s左右, 温度从20℃上升至35℃;由于受到自动喷淋装置的作用, 烟气平均温度维持在33℃左右。由于火灾以木制材料燃烧为主, 材料性质决定该火灾过程不会产生大量有毒气体, CO体积分数在火灾发生20 min内没有超过65×10-6, 不足以对人员造成危害。喷淋产生的水蒸气对烟气有稀释作用, 烟气层高度在200s以后维持在2m左右;250s时能见度在30m左右, 之后迅速下降;742s时能见度首次降到10m以下, 即在自动喷淋作用下, 火灾对人员构成危险的时间 (ASET) 为742s (12.4min) 。

2.3 无自动喷淋装置的ASET

无自动喷淋装置时, 烟气的最高温度约为62℃, 此温度并不足以对人员造成伤害。CO体积分数稳步上升, 火灾发生20min内没有超过57×10-6, 不足以对人员造成危害。200s时烟气层高度保持在1.5m左右, 已经达到人眼特征高度。在没有喷淋装置的情况下, 从起火到200s能见度下降速度不快, 从30m下降到25m, 之后迅速下降;452s后, 能见度首次降到10m以下。即在没有自动喷淋装置时, 火灾对人员构成危险的时间 (ASET) 为452s (7.53min) 。

由以上分析看出, 有无自动喷淋装置对ASET影响很大, 有自动喷淋装置比无自动喷淋装置多出了近5min的可用安全疏散时间。

3 超市人员疏散的CA模拟

在平时情况下, 超市内的人员密度在十几年前的调查结果为0.6～1.0人/m2, 而目前降低到0.16～0.23人/m2, 推荐取0.28～0.38人/m2。在节假日或特殊情况下, 超市非常拥挤时的人员密度可超过1.5人/m2。运用研发的二维元胞自动机随机模型 (Cellular Automaton) 进行不同人员密度条件下的人员疏散模拟。模型中的每个格点代表真实尺寸0.5m×0.5m, 则该超市共有100×60=6 000格, 其中障碍物占据2 196格。可以被人员占据的空间为3 804格, 即951m2。考虑人员拥挤和平时两种情况, 人员密度分别为1.657人/m2和0.38人/m2, 总人数分别为1 576人和362人。初始时刻随机分布, 如图6所示。

由于模型引入了随机慢化的规则, 疏散时间的取值为计算20次的期望值。两种情况下的疏散时间分别为557.0TS和155.6TS (TS即Time Step) 。国外研究资料表明, 人员密度小于0.54人/m2时, 人群在水平地面上的行进速度可达1.2 m/s;人员密度超过3.8人/m2时, 人群将几乎无法移动。国内外学者对人员密度与步行速度的关系展开了相关研究, 建立了多种函数关系。一般认为, 人员密度在0.1～2.2人/m2时步行速度范围在1.3～0.7m/s。模拟的两种人员密度条件下对应的步行速度分别取0.8m/s和1.2m/s。因此, 密度为1.657人/m2时, 1TS代表的真实时间为0.5/0.8=0.625s;密度为0.38人/m2时, 1TS代表的真实时间为0.5/1.2≈0.417s。两种情况下的疏散时间分别为348s和65s。由前面分析得知该超市无自动喷淋作用时的可用安全疏散时间ASET为452s。因此, 若疏散前的预疏散时间控制在104s以下, 则基本能满足在人员较拥挤的条件下RSET

若考虑仅Dr3出口开启而其他两个出口 (Dr1, Dr2) 关闭的情况, 疏散时间分别为657.3TS (411s) 和192.2TS (80s) 。一般超市场合的报警时间和预动作时间可达120s (甚至更多) , 则仅Dr3开启时拥挤条件下的RSET为411+120=531s, 该数值大于无自动喷淋条件下的ASET (452s) 。因此, 大型超市安装自动喷淋系统将为人员安全疏散提供保障。

4 结论

计算建筑内有代表性的8个点的烟气温度、CO体积分数、能见度和烟气层高度的平均值, 分析和确定达到危险的时间。在算例中, 有自动喷淋装置条件下的ASET比无自动喷淋时多了近5min。通过对该超市人员疏散过程的元胞自动机模拟得到RSET。人员较拥挤 (人员密度1.657人/m2) 时, 装有自动喷淋系统能满足ASET>RSET;而没有自动喷淋装置时, 由于存在一定的预疏散时间, 会对人员安全疏散造成威胁。

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