航站楼火灾场景下的人员疏散仿真研究

2023-10-24刘明辉张龙财徐健平李祉良

科技和产业 2023年19期

刘明辉,张龙财,徐健平,刘斌,李祉良

(中国民用航空飞行学院机场学院,四川广汉 618307)

随着民航业的发展,我国民航运输机场的数量在逐年增加,《“十四五”民用航空发展规划》指出在2020—2025年,我国会续建34个机场,新开工建设39个机场,进行67个机场的前期准备工作。机场航站楼作为航空运输与陆路运输重要的节点,具有人流量大、建筑结构复杂、人员疏散困难等特点,消防问题应得到重视[1]。近年来,国内外机场航站楼火灾事故高达数十起。航站楼一旦发生火灾,不仅会造成人员伤亡,使航空运输中断,还会对社会带来严重的负面影响。所以,机场相关部门为航站楼火灾事故制定有效的应急预案十分重要。

国内外学者对人员在火灾场景下的疏散展开了相关研究。宋洋和姜红肖[2]对机场航站楼进行火灾模拟,分析了航站楼在有无喷淋系统的情况下的烟气弥漫情况。张立茂等[3]运用Pyrosim与Pathfinder软件分析地铁站的人流量容纳能力和火源功率容纳能力。梁永健和杨建鹏[4]以某大学学生宿舍为例,模拟了火灾情况下人员的疏散情况。刘芳等[5]模拟了古建筑不同火灾情况下的火灾发展过程。陈永鸿等[6]利用蚁群算法对古建筑群人员疏散的路径进行了规划分析。刘谦等[7]、闫卫东等[8]分别对车间与图书馆进行了火灾模拟与人员疏散的仿真研究。Watts[9]在1972年运用计算机模拟了航站楼发生火灾对人员疏散的影响。2012年,Mohammed和Alsulaiman[10]将Pyrosim软件与Pathfinder软件相结合,进行火灾模拟与人员疏散行为研究。

综上所述,航站的人流量大,建筑结构独特,国内现阶段的航站楼结构多为廊式结构,到岗旅客需要通过夹层通道前往到达厅,由于旅客对机场结构不熟悉,如若发生火灾事故极易对人员的生命财产安全造成威胁。目前对航站楼到达通道的研究比较少,因此,基于火灾动力学模型(fire dynamics simulator,FDS)建立以兰州中川国际机场T2航站楼到达厅与夹层通道区域的火灾与疏散模拟模型,全面分析到达通道在不同位置发生火灾时的火灾产物对人员疏散的影响,给出疏散方案的改进建议,为机场有关部门制定应急预案提供参考。

1 航站楼火灾模拟

1.1 火灾燃烧模型

火灾燃烧根据火源热释放速率(heat release rate,HRR)的不同发展规律,分为稳态和非稳态两种类型。本文选取非稳态类型中的t2火作为火源。火源热释放速率的发展分为初期增长、稳定燃烧和火势减弱3个阶段[11]。

t2火热释放速率表示[12]为

Q=αt2

(1)

式中：Q为火源热释放速率;α为火灾增长系数;t为火灾燃烧的时间。根据α的不同值,t2火可分为超快速、快速、中速和慢速4种类型[13]。如若火灾燃烧的初期增长阶段没有得到有效控制而使火源达到稳定燃烧阶段,此时的热释放速率将趋于平缓,这个稳定的值被称为最大火源功率。

1.2 火灾动力学模型(FDS)

火灾燃烧可看作流体的运动,质量守恒、动量守恒与能量守恒是火灾燃烧与烟气流动的基础,不同反应物的燃烧均遵循此规律[14]。

1.2.1 质量守恒方程

1.2.2 动量守恒方程

式中：p为压力;grad为x、y、z3个方向的分量;γ为流体的动力;Su、Sv、Sw为各自的驱动量在x、y、z方向上延伸的源。

1.2.3 能量守恒方程

式中：c为比热容;T为温度;k为传热系数;ST为微元体内的热源。

1.3 航站楼火灾模型

选取兰州中川国际机场T2航站楼为研究对象,建立该机场到达厅与夹层的3D模型,如图1所示。

图1 航站楼到达厅与夹层火灾模型

为研究到达区域不同位置发生火灾对人员疏散的影响,将火源设置在夹层通道、行李转盘和到达厅商铺3个位置,在到达厅与夹层中各到达口、出口及10个重要节点位置,分别放置烟气浓度传感器、热电偶、CO浓度探测器,高度分别为1.75、1.7、1.8 m,如图2所示。火源为t2快速火,模型运行时间为500 s。

图2 航站楼到达厅与夹层平面布置

1.4 火灾模拟结果分析

1.4.1 CO浓度

火灾燃烧过程中会产生CO等有毒物质,人体处在CO浓度为8×10-4mol/mol的环境中会出现呕吐等不适症状[15]。因此选取8×10-4mol/mol作为人员在疏散时所能承受的CO临界浓度。由图3可知,在火源1情况下,到达厅与夹层连接通道区域CO浓度上升最快,均超过0.006 mol/mol,严重威胁人员生命安全。夹层中位置8、到达口6与到达口12的CO浓度到均在300 s后开始发生明显变化,但均超过8×10-4mol/mol。位置3是到达厅左侧疏散通道,在310 s前CO浓度对人体影响较小。到达口3与到达口4是到达厅右侧疏散出口,CO浓度在345 s后会威胁人员生命安全;火源2情况下夹层通道中所有关键位置CO浓度均超过8×10-4mol/mol,相比火源1情况,夹层通道发生火灾时CO浓度上升速度较快;火源3情况下CO浓度超过临界值区域集中在到达厅前侧,到达厅行李转盘区域与夹层各危险位置的CO浓度未达到人体耐受极限。

1.4.2 减光系数

在人员疏散过程中,疏散的速度会随着烟气减光系数的增加而减小。当减光系数超过50%/时,人员的行进速度会降到0.3 m/s,相当于盲人的状态[16]。所以选取50%/为减光系数的临界值。由图4可知,在火源1情况下,火灾初期烟气会使夹层与到达厅连接通道的减光系数增加。位置3与位置4处通道变窄,烟气会受墙壁阻挡造成回流,所以到达厅两侧区域与到达口的减光系数存在波动。烟气可从到达口排出导致到达口3与到达口4在400 s后存在下降趋势;火源2情况下由于夹层通道层高低,纵深长,烟气会迅速在夹层蔓延开,夹层的5个关键位置与7个到达口的减光系数均以较快速度超过临界值;火源3情况下,烟气到达位置1与位置2时存在墙壁阻挡,导致烟气聚集,所以位置1与位置2减光系数上升较快。到达厅前侧通往室外的出口较宽导致减光系数存在较大波动。

图4 不同火源情况危险位置减光系数变化

1.4.3 温度

由于航站楼相对比较封闭,火灾产生的热羽流会使环境温度升高,当环境温度达到60 ℃时,人体会出现头晕眼花等不良反应[17]。所以选取60 ℃作为人员疏散时的临界温度。火源3情况下各位置探测器温度均未达到临界值,火源1与火源2各危险位置温度变化情况如图5所示。由于烟气温度超过60 ℃的区域集中在火源附近,所以火灾烟气温度对人员疏散的影响较小。

图5 不同火源情况危险位置烟气温度变化

1.5 可用安全疏散时间

经上述分析,当行李转盘区发生火灾时,烟气会弥漫到夹层,影响范围较大;夹层通道发生火灾时烟气会弥漫整个夹层通道,人员疏散易发生危险;到达厅商铺发生火灾的影响区域在到达厅前侧。对比3种火源情况各个位置的CO浓度、减光系数与温度到达临界值的时间,取最短时间作为该位置的可用安全疏散时间(available safe egress time,AEST)。3种火源情况下各超过临界值位置AEST见表1。

表1 不同火源情况下各危险位置的可用安全疏散时间

2 航站楼疏散模拟

2.1 人员疏散理论

必须安全疏散时间(required safe egress time,REST)是指火灾发生时,人员疏散到安全地点所需要的时间。为保证人员安全疏散,应满足REST

REST=tp+tr+tm

(9)

式中：tp为火灾探测系统探测到火灾发生并报警所需要的时间;tr为人员接收到报警信息并疏散的准备时间;tm为人员从开始疏散至疏散完成的时间。现阶段火灾探测系统可探测的火灾规模为100 kW,所以火源1、火源2与火源3的火灾探测时间均为33.5 s。根据《火灾报警控制器通用技术条件》(GB 4717—1993)的相关规定,tp为40 s。航站楼具实时事故广播的条件,其中的人员属于清醒状态,对建筑内部构造不熟悉,所以tr取120 s[18]。tm由软件仿真得出。

2.2 疏散模型构建

通过Pathfinder软件建立人员疏散模型,到达厅一层出口全部开启、到达口2、到达口4开启,到达口1与到达口4关闭;夹层中到达口6、到达口8、到达口10、到达口13开启,到达口5、到达口7、到达口9与到达口12关闭。到达口可作为疏散出口进行疏散。疏散人数选取T2航站楼最大高峰小时到港的旅客人数1 000人[19],随机分布在到达厅与夹层中。假设到达旅客中未成年人占10%,成年男性40%,成年女性占40%,老年人占10%。参照《中国成年人人体尺寸》(GB/T 10000—1988)、《中国未成年人人体尺寸》(GB/T 26158—2010)中的数据,疏散人员的肩宽、身高、移动速度的设定见表2。选取Steering模式进行疏散模拟。

表2 疏散人员属性

2.3 疏散结果分析

火源1情况与火源3情况的tm为210.3 s。火源2情况下人员开始疏散时,位置6、位置9与位置8的危险因素均超过临界值,超过临界值,所以两区域在疏散过程中禁止人员通行,重新仿真后得出火源2的tm为266.8 s。人员未通过的位置与关闭的到达口的REST为0 s。各位置的必须安全疏散时间见表3。火源1与火源2情况存在没有实现安全疏散的位置,因此,航站楼到达厅左侧行李转盘处发生火灾时,应重点防范夹层左侧通道人流交汇位置与到达厅右侧到达口通道;夹层通道发生火灾时应重点防范夹层两侧通道人流交汇位置;到达厅商铺发生火灾时可以实现安全疏散。

表3 不同火源情况各危险位置的必须安全疏散时间

2.4 疏散方案改进尝试

为实现安全疏散,提高疏散效率。在航站楼现有建筑布局的情况下,对火源1与火源2情况的疏散方案进行改进。在火灾报警后,各个到达口联动开启后均可作为疏散通道,再次仿真后结果见表4。

表4 到达口联动开启后各危险位置的必须安全疏散时间

火源1与火源2情况改进后的必须安全疏散时间分别为293.8 s与309.3 s,疏散时间相比到达口未联动开启情况减少了20.7%和31.7%。由表4可见,火源1情况所有危险位置已经实现安全疏散,火源2情况夹层中位置5与位置7未实现安全疏散。所以,到达口联动开启可以有效缩短人员疏散时间,减小人员在火灾时发生危险的概率。