國家基金結(jié)題報告正文 xin

報告正文1、研究計劃要點及執(zhí)行情況概述本項目研究計劃要點：通過對三種基本單元組合得到多種建筑結(jié)構(gòu)模型，綜合可燃物性質(zhì)、通風(fēng)狀況及環(huán)境條件，對影響轟燃的各種因素的重要性進(jìn)行研究，以目標(biāo)物體接受到的熱輻射通量和固體可燃物熱解為基礎(chǔ)，對轟燃發(fā)生的臨界條件給出定量說明，建立轟燃發(fā)生的理論模型；關(guān)注的重點是轟燃和是否有細(xì)水霧或惰性氣體抑制燃燒以及通風(fēng)體條件對于煙氣生成和遷移的影響，提出基于燃燒狀態(tài)的煙氣生成和遷移的理論模型；建立綜合考慮基于煙氣生成和遷移模型計算出的建筑結(jié)構(gòu)中的煙氣不同成分的濃度分布、在建筑結(jié)構(gòu)中的人員的疏散路徑及在疏散過程中的人員呼吸率變化的煙氣危害性評價的動態(tài)模型；以煙氣中的氣體濃度在建筑火災(zāi)中的時空變化規(guī)律為依據(jù)，應(yīng)用危害性參數(shù)或毒性指數(shù)進(jìn)行分析，建立建筑結(jié)構(gòu)中各個位置在火災(zāi)全過程總體危害程度的靜態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)。本項目的研究始終按計劃進(jìn)行，執(zhí)行的結(jié)果主要反映在發(fā)表16篇論文，獲得7項國家專利，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生3名（已畢業(yè)1名），培養(yǎng)碩士研究生16名（已畢業(yè)4名），培養(yǎng)中青年學(xué)術(shù)帶頭人1名。2、研究主要工作進(jìn)展和所取得的成果（1）研究轟燃發(fā)生的臨界條件和數(shù)學(xué)模型在特定建筑結(jié)構(gòu)燃燒間中，以建筑火災(zāi)中常見的代表性可燃物質(zhì)為例，研究它們在建筑火災(zāi)發(fā)展過程中的熱解規(guī)律和揮發(fā)物中的成分及濃度的時空變化規(guī)律，以及室內(nèi)氧氣消耗和熱環(huán)境的時空變化規(guī)律。通過理論分析和實驗研究，建立上述諸規(guī)律相互作用條件下所決定的轟燃發(fā)生的臨界條件和數(shù)學(xué)物理模型。以安徽建筑工業(yè)學(xué)院的中等尺寸煙氣遷移實驗臺為基礎(chǔ)，運(yùn)用無量綱參數(shù)燃空比即GER分析了燃燒狀態(tài)的不同階段和煙氣生成量及向遠(yuǎn)距離處遷移量之間的關(guān)系，提出了基于燃燒狀態(tài)的煙氣生成和遷移的理論模型；根據(jù)實驗和理論數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)展和完善了轟燃發(fā)生的臨界參數(shù)判斷模型、煙氣生成和遷移的預(yù)測模型以及煙氣危害性評價的動態(tài)模型，建立綜合考慮基于煙氣生成和遷移模型計算出的建筑結(jié)構(gòu)中的煙氣不同成分的濃度分布和煙氣危害評價的動態(tài)模型。圖1中等尺寸煙氣遷移實驗臺圖2中等尺寸煙氣遷移實驗臺及燃燒箱的專利圖3部分火災(zāi)燃燒實驗數(shù)據(jù)組圖研究了在特定建筑結(jié)構(gòu)中，建筑火災(zāi)中常見的代表性可燃物在火災(zāi)發(fā)展過程中的熱解規(guī)律及揮發(fā)物的成分、濃度隨時間的變化規(guī)律，以及室內(nèi)氧氣消耗和熱環(huán)境的時空變化規(guī)律。通過理論分析和實驗研究，建立上述諸規(guī)律相互作用條件下所決定的轟燃發(fā)生的臨界條件和數(shù)學(xué)物理模型；三合板吊頂，燃燒室中測得的CO2濃度明顯高于其余的吊頂材料，沒有吊頂材料，CO2的濃度峰值處于這幾種附加吊頂材料之間的狀況，但是，如果用峰寬時間來衡量的話，處于相對高濃度的時間來看，三合板反而最短，PVC和礦棉板的情況相對較長，無附加吊頂材料的情況處于之間。對于木材無引火源輻射著火的著火臨界熱流()，在考慮到樣件尺寸、密度、紋理方向、濕度及外加對流等各種因素的影響下，之前研究結(jié)果所給出的范圍在25-46kW/m2，其中此前實驗的輻射距離基本都在100mm之內(nèi)（即錐形量熱計一類小尺寸實驗臺）。然而，在更大尺度的熱輻射模擬實驗中，我們發(fā)現(xiàn)了一個有趣的實驗現(xiàn)象：木材實驗樣件在輻射距離400mm處受熱在入射熱流=50kW/m2下并沒有很快地著火，在長達(dá)5分鐘的時間內(nèi)都處于一個無焰熾熱燃燒（glowingcombustion）的狀態(tài)。而在錐形量熱計下，相同的實驗樣件在入射熱流=50kW/m2下的著火在1分鐘以內(nèi)即發(fā)生。顯然由于輻射距離的改變，造成了在固體可燃物表面接受相同大小入射熱流時的無引火源輻射著火特性的差異。我們通過精細(xì)的實驗設(shè)計，基于可燃熱解揮發(fā)份濃度稀釋特性和氣相溫度場分布特性，對不同輻射距離下無引火源著火結(jié)果的差異進(jìn)行了成功的分析與解釋。圖4實驗工況及實驗設(shè)置示意圖圖5不同輻射距離下輻射源至樣件表面間的實測穩(wěn)態(tài)溫度場(=50kW/m2)圖6著火時刻初始火焰位置處氣相溫度(=50kW/m2)（2）研究不同燃燒階段和有無燃燒抑制措施的煙氣生成量和遷移規(guī)律分析觀察不同燃燒階段，尤其是轟燃階段前后，對于燃燒間中的煙氣生成量和向遠(yuǎn)距離處的遷移量的影響。通過提出無量綱參數(shù)燃空比，即GER和無量綱釋熱速率來反映室內(nèi)的不同燃燒階段并將GER和無量綱釋熱速率和煙氣的生成量和遷移量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。從而得出基于不同燃燒階段和是否有細(xì)水霧或惰性氣體抑制燃燒以及通風(fēng)條件變化的煙氣生成量和遷移量的預(yù)測模型。建立一個小尺寸中國傳統(tǒng)民居屋頂保溫系統(tǒng)實驗裝置，對不同寬度保溫材料EPS進(jìn)行燃燒特性實驗，通過攝像機(jī)監(jiān)測動態(tài)燃燒過程，分析保溫材料EPS開始熔融滴落的時刻以及在屋面燃燒總時間，研究保溫材料EPS火蔓延特性。圖7燃燒裝置示意圖（a）（b）（c）圖8保溫材料EPS燃燒火蔓延（a-case1b-case2c-case3）圖9不同寬度保溫材料EPS在屋面開始熔融滴落時刻和燃燒總時間圖10不同寬度保溫材料EPS在屋面燃燒總時間預(yù)測通過對中國傳統(tǒng)民居屋頂保溫體系進(jìn)行火蔓延實驗研究，得出時間和試件寬度之間的關(guān)系T=142-2.97D+0.136D2，保溫材料裂解，熔融，燃燒，不同寬度試件開始熔融滴落的時間基本一致，實驗錄像表明三種不同寬度試件在屋面燃燒總時間不呈線性增長關(guān)系，對寬度和燃燒總時間之間的關(guān)系進(jìn)行二次關(guān)系擬合，可以預(yù)測寬度在10-30cm之間的保溫材料EPS在屋頂燃燒的總時間。（3）研究分析煙氣生成和遷移規(guī)律并建立危害性動態(tài)和靜態(tài)評價模型研究分析在特定建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)中，如何以基于煙氣生成和遷移模型計算出的建筑結(jié)構(gòu)中的不同時間和空間煙氣不同成分的濃度分布、在建筑結(jié)構(gòu)中的人員的疏散路徑及在疏散過程中的人員呼吸率的變化為主要因素的煙氣危害性評價的動態(tài)模型；如何應(yīng)用危害性參數(shù)或毒性指數(shù)，以建筑結(jié)構(gòu)中的不同時間和空間煙氣不同成分的濃度變化為依據(jù)建立結(jié)構(gòu)中不同位置的總體危害性程度的靜態(tài)模型。首先本項目基于文獻(xiàn)調(diào)研和實地觀察正常情況下學(xué)生人群的樓梯運(yùn)動情況，我們概況總結(jié)了（超）高層建筑內(nèi)樓梯人群疏散的四大典型特征：底部積聚效應(yīng)、樓梯相向流、樓梯口人群匯流和疏散中止、底部積聚效應(yīng)。底部積聚效應(yīng)是指當(dāng)進(jìn)入樓梯內(nèi)的人流量超過樓梯的最大通行能力時，未能及時疏散的人員就會在樓梯上積聚。因此，應(yīng)該優(yōu)化疏散策略，通過合理控制同時進(jìn)入樓梯的人員數(shù)量，以保證人群運(yùn)動的通暢。樓梯相向流是指向下運(yùn)動的大規(guī)模人群和向上運(yùn)動的消防隊員相互阻礙的現(xiàn)象，樓梯相向流引起的沖突極易造成跌倒、踩踏事故。樓梯口人群匯流是指在每一樓層的樓梯口處，本樓層的人流和上層樓梯段上的人流會在樓梯口處發(fā)生匯流，樓梯口處等待人流易造成了局部的堵塞擁堵，影響人員進(jìn)入樓梯的效率。圖11教室疏散實驗與模擬組圖圖12基于FDS+EVAC的‘FasterisSlower’現(xiàn)象的模擬驗證其次本項目通過數(shù)值模擬的方法，分別研究了樓梯、出口、疏散通道轉(zhuǎn)角、走廊、建筑平面形狀等建筑結(jié)構(gòu)對人員疏散的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)總的樓梯寬度一定的條件下，樓梯平面位置的變化對總的疏散時間影響很大；出口對人員疏散的影響主要取決于出口的相對位置，在出口總寬度一定的條件下，當(dāng)兩出口同側(cè)布置且距離取最小值0時，人員疏散效率最大，此時最有利于人員的疏散；根據(jù)不同的人員密度和步行速度，當(dāng)疏散通道的兩個轉(zhuǎn)角之間的距離達(dá)到最優(yōu)值時疏散效率最高；走廊寬度應(yīng)設(shè)計成最佳寬度，且出口條件不同，最佳走廊寬度也不一樣當(dāng)走廊出口總寬度相同時，一個出口比兩個出口更有利于人員疏散，而走廊角度的變化對人員疏散的影響規(guī)律受人員密度的影響，在條件允許的情況下，走廊盡量不要設(shè)置轉(zhuǎn)角；人員密度較大時，如必須設(shè)置，轉(zhuǎn)角宜越小越好，人員密度較小時，走廊設(shè)計成90°轉(zhuǎn)角形式更有利于人員疏散；建筑平面形狀方面，當(dāng)人員總數(shù)較小，而出口寬度較大時，U型建筑更有利于人員的疏散，而出口寬度一定，而人員總數(shù)較大時，矩形建筑表現(xiàn)出對人員疏散的明顯優(yōu)勢性。研究成果對建筑物樓梯、出口位置、疏散通道、走廊、建筑平面等建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和人員的安全疏散具有一定的指導(dǎo)作用。圖13基于Pathfinder軟件數(shù)值模擬模型組圖圖14不同工況下疏散效率對比組圖（4）研究建立結(jié)合N氣體模型的危害性動態(tài)評價模型研究如何在煙氣危害性動態(tài)評價模型中，綜合考慮多種煙氣成分對于疏散人員的生理和心理影響，如何將美國NIST提出的煙氣危害性靜態(tài)評價的N氣體模型和本項目提出的動態(tài)模型進(jìn)行結(jié)合，使得煙氣危害性評價更符合實際火災(zāi)場景，為建筑防火的性能化設(shè)計和人員的安全疏散提供重要的技術(shù)支撐。圖15錐形量熱儀示意圖圖16鋁面-聚氨酯建筑保溫材料實驗示意圖圖17材料著火時間與外界輻射熱流的關(guān)系圖18不同輻射熱流下材料的熱釋放速率平均值與峰值圖19材料燃燒過程組圖為了更好的研究分析危害性氣體在燃燒總過程中的危害性大小，我們提出一個峰寬時間的參量Peakwidthtime。峰寬時間，是燃燒煙氣中危害性氣體濃度曲線各部分中維持高于積分中值濃度的持續(xù)時間之和。利用這個指標(biāo)能夠評估高濃度煙氣在實驗中持續(xù)的時間，從而可以統(tǒng)一衡量煙氣的危害性。圖20輻射強(qiáng)度為45kW/m2時材料A與B燃燒產(chǎn)生CO濃度圖21材料A與B燃燒危害性分析模型對比圖22材料A與B燃燒危害性HNF模型基于時間和濃度整體作用的概念，提出一個新的參數(shù)，即危害性指數(shù)HI，用峰寬時間和濃度中值的乘積獲得。實驗發(fā)現(xiàn)HI模型的計算數(shù)據(jù)與既有的火災(zāi)煙氣危害性分析模型N-gas、FED模型基本吻合，運(yùn)用二維插值與加權(quán)平均計算提出總體的危害性分析模型HNF用來分析材料火災(zāi)危害性。圖23建筑模型FDS計算網(wǎng)格劃分與火源功率的模型驗證分析為研究高層建筑外墻保溫體系燃燒特性，現(xiàn)運(yùn)用FDS建立一個典型的6層建筑外墻保溫體系，進(jìn)行一系列的風(fēng)速、隔離帶等因素變化下外墻體系燃燒模擬研究。以建筑的一個立面為研究對象，建筑總高度為18m，每層3m，房間寬為3m，窗戶假定均全封閉，尺寸為1.4×2.0m，居中設(shè)置，距地面距離為0.8m，設(shè)定外墻厚度為0.1m，外保溫體系厚度為0.2m。模擬計算網(wǎng)格區(qū)間為18×0.6×24m，網(wǎng)格數(shù)為90×6×120=64800個（&MESHID='Mesh',IJK=90,6,120,XB=-3.0,15.0,-0.4,0.2,0.0,24.0/）。圖24不同風(fēng)速下的火災(zāi)煙氣運(yùn)動速度圖25保溫材料燃燒全過程模擬有機(jī)保溫材料廣泛應(yīng)用于高層建筑外墻保溫體系的同時也可能增加高層建筑的火災(zāi)風(fēng)險，本課題通過計算機(jī)模擬著重研究了保溫材料之一的聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）火蔓延速率、失重速率及溫度場分布等特性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)外保溫材料發(fā)生火災(zāi)后，可以在很短的時間內(nèi)自下而上蔓延至整個材料表面并有表皮著火的特征。在火焰到達(dá)材料頂部之前，向上火蔓延占主導(dǎo)地位，材料中部區(qū)域明顯燃燒脫落，火焰在材料兩端上部繼續(xù)燃燒，有向下加速蔓延的趨勢，之后火焰沿著材料中部內(nèi)側(cè)向下劇烈燃燒，材料成V字型燃燒直至熄滅。而高層建筑外墻外保溫材料火蔓延中不同著火點情況下的燃燒速率隨時間的變化趨勢相似，且會形成兩個波峰。3、國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流合作與人才培養(yǎng)情況在本項目的大力支持下，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生在讀2名，畢業(yè)1名，培養(yǎng)碩士研究生在讀12名，畢業(yè)4名。課題組參加國際學(xué)術(shù)會議3次，國內(nèi)學(xué)術(shù)會議3次，其中出國參加國際學(xué)術(shù)會議1次。培養(yǎng)1名中青年學(xué)術(shù)帶頭人。研究生受本項目研究資助的畢業(yè)論文如下表所示：研究生姓名研究方向論文題目導(dǎo)師姓名答辯時間喻菊芬人員疏散建筑物不同結(jié)構(gòu)形式下人員疏散特性研究方廷勇20