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973项目“城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究”简介
日期:2016年06月30日 来源:上海long8国际(www.ccpue.com.cn)

 

    慧聪消防网讯    2016中国消防安全产业大会(CFIC2016)注册报名    消防十大品牌、卓越消防产品和杰出领袖角逐 

    项目编号:2012CB719700

    项目名称:城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究

    首席科学家:孙金华教授

    起止年月:2012.1-2016.8

    依托部门:中国科学院、公安部

    第一承担单位:中国科学技术大学

    本项目面向国家重大需求,研究城市高层建筑重大火灾致灾机理和综合防控中的关键基础问题。高层建筑火灾防治是世界性的难题。首先,可燃和易燃外墙保温材料的大量使用,使得由建筑外立面火蔓延诱发的重特大火灾事故频繁发生;其次,高层建筑内一旦发生火灾,不仅火与烟气蔓延非常迅速,还会通过外立面燃烧形成内-外-内相互蔓延的大规模立体火灾,扑救十分困难,甚至导致结构失效;再次,目前高层建筑火灾时楼梯是人群的唯一疏散通道,人员(特别是高龄和残障者)疏散困难、效率低下,易导致群死群伤。高层建筑火灾表现出许多新的特点,诸多动力学行为与特征规律尚未被科学认知,有针对性的火灾防控技术缺乏。为此,本项目紧紧围绕提升高层建筑对火灾的“自防自救”能力这一目标,科学认识高层建筑火灾的演化规律,以及火灾对承灾载体(建筑、人)的影响与作用机制,揭示高层建筑火灾的致灾机理,在此基础上,发展高层建筑火与烟气蔓延的阻控技术与结构抗火方法,以及火灾环境下人群的多模式协同疏散和优化疏导方法,以提升高层建筑自身对火灾的防控能力。为此,本项目拟解决如下三个关键科学问题:

    一、建筑外墙保温材料的火灾特性及安全设计

    二、高层建筑的立体火蔓延及其对建筑结构的损伤机制

    三、高层建筑多作用力耦合驱动的火灾烟气输运及多模式协同的人群疏散

    主要研究内容及目标:科学认识常用外墙保温材料的火灾特性,建立外墙保温材料的火灾安全评价方法和标准;揭示高层建筑火灾立体蔓延的行为规律,发展相应的阻控方法;揭示火灾环境下高层建筑关键构件和节点的损伤机制,发展其失效预测模型与综合抗火能力评价方法;揭示高层建筑复杂空间内多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律,发展多技术协同的烟气控制方法,以及耦合烟气控制的高层建筑人群多模式协同疏散技术及优化疏导方法。提升高层建筑自身对重大火灾的防控能力。

    围绕项目的目标设置5个课题:

    1.建筑外墙保温材料的火灾特性与安全设计

    2.高层建筑立体火蔓延行为及其阻控机制

    3.火灾作用下高层建筑关键构件和节点的损伤机制与防护

    4.多作用力耦合驱动下高层建筑火灾的烟气输运规律与控制

    5.高层建筑火灾中人群的多模式协同疏散及优化疏导

    课题1:建筑外墙保温材料的火灾特性与安全设计

    课题1:建筑外墙保温材料的火灾特性与安全设计 

    课题承担单位:中国科学技术大学、天津消防研究所、四川消防研究所

    课题负责人:胡源

    主要学术骨干:张和平、张清林、齐飞、李风、谢启源

    一、课题总体实施情况

    在常用外墙保温材料的燃烧行为与火灾危险性的研究方面,初步开展了热塑性材料向下火焰蔓延的蒙特卡罗模拟;初步开展了单面受限侧墙窗口火对外墙保温系统火蔓延的影响的全尺寸研究。在外墙保温材料的火灾危险性评价方法与标准的研究方面,完成了湿热环境、高低温交变环境和自然环境对典型有机外保温材料燃烧性能的影响研究;完成了含典型有机保温材料的外墙外保温薄抹灰系统的大型耐候性试验。在外墙保温材料的安全设计方法的研究方面,设计合成了具有阻燃和抑烟减毒功能的层状金属化合物、介孔材料和复合金属氧化物纳米粒子,利用自主研发的综合毒性测试分析平台,初步开展了其对聚氨酯硬泡燃烧烟气的毒性测试和分析研究,初步研究了其对于有毒有害烟气的抑制作用机制。

    本年度研究成果:目前共发表论文26篇,其中SCI收录24篇,高影响区13篇;授权发明专利8项;培养博士和出站博士后共11人。

    二、课题在人工加速模拟环境老化条件对外保温材料燃烧性能影响方面取得突出进展

    利用湿热环境试验箱,在湿度为75%,温度分别为60℃、70℃和80℃下,开展了典型外保温材料(EPS、XPS和PIRPU)的湿热环境试验;利用高低温交变环境试验箱,在-20~50℃温度下,进行典型外保温材料的高低温交变环境试验。利用单体燃烧试验装置,分别研究了湿热环境条件和高低温交变循环次数对典型外保温材料的中尺度燃烧特性进行了系统研究。研究表明:XPS、EPS和PIRPU随试验时间的延长,其燃烧性能明显变差,其中XPS受环境因素的影响最大,湿热环境对保温材料的燃烧性能影响比高低温交变环境明显。

    三、课题在外保温材料抑烟减毒研究方面取得突出进展

    采用共沉淀法制备了CeMnOx-MoS2和CeFeOx-MoS2两种杂化材料,分别研究两种杂化材料对聚氨酯复合材料的热稳定性、燃烧性能以及气相燃烧产物的影响,并初步探讨了相关的抑烟减毒机理。研究结果表明,CeMnOx-MoS2和CeFeOx-MoS2两种杂化材料均较好地分散于聚氨酯基体中,无明显的团聚;杂化材料的加入均会导致复合材料初始降解温度和最大分解温度提前,但可以明显提高成炭量,同时降低复合材料的热分解速率;杂化材料的加入可以显著降低复合材料的热释放速率峰值和总热释放量,从而提高其阻燃性能;两种杂化材料的加入可以降低复合材料燃烧过程中产生的烟密度、可燃性气体以及CO等毒性气体的释放量,表现出更高的火灾安全性;其主要归结于CeMnOx-MoS2和CeFeOx-MoS2杂化材料对CO的催化氧化作用、MoS2纳米片层的片层阻隔效应及其自身的抑烟作用和杂化材料的催化成炭作用。

    课题2:高层建筑立体火蔓延行为及其阻隔机制  

    课题2:高层建筑立体火蔓延行为及其阻隔机制

    课题承担单位:中国科学技术大学、中国建筑科学研究院

    课题负责人:孙金华

    主要学术骨干:刘乃安、李引擎、张永明、胡隆华、陈海翔

    一、课题总体实施情况

    本年度主要研究内容:

    1.研究常用外墙保温材料在不同环境条件下热解、着火和火蔓延特性。

    2.研究受限条件下的建筑火灾开口火溢流燃烧特性。

    本年度考核目标:

    1.揭示保温材料在不同环境条件下的着火及火蔓延规律,分析保温材料热解的动力学和热力学规律。

    2.揭示受限条件下的建筑火灾开口火溢流的热力学规律。

    进展及指标完成情况:

    本课题建立了揭示了不同环境条件下常用保温材料热解的动力学和热力学规律,以及分子链(键)断裂与热解产物之间的规律;分析探讨了单因素、多因素对外立面保温材料火蔓延特征的影响机制,建立了保温材料火蔓延的理论模型;揭示了保温材料火蔓延过程中的传热主控机制,发现了材料宽度、环境压力等因素对传热主控机理的影响规律;揭示了斜坡受限条件下的建筑火灾开口火溢流的燃烧室内温度情况、溢出火焰高度及外壁面热流分布等参数随斜坡角度的变化规律,建立了不同角度斜坡限制条件下火焰高度及外壁面热流分布演化模型。

    目前已发表论文135篇,其中SCI/EI论文119篇,SCI论文74篇;其中领域顶级或SCI高影响区期刊论文47篇;其中包括CombustandFlame11篇;ProceedingsoftheCombustionInstitute2篇;InternationalJournalofHeatandMassTransfer9篇;申请发明专利7项;主持编写住房和城乡建设部工程建设行业标准1部;工程案例1项;培养博士研究生20人;硕士研究生8人。各关键研究内容的主要进展包括:

    (1)调研统计了焊花、烟火等高温颗粒的典型构成成分和热物性参数,揭示了高温颗粒在不同环境条件下飞行过程中的温度变化特征;建立了高温颗粒飞行过程中的温度演化和飞行轨迹计算方法。依据热点燃理论,提出了高温颗粒的安全飞行距离的计算方法。揭示了EPS、XPS、PU等典型保温材料的热解失重规律和热量释放特征等热解动力学规律,给出了材料被高温颗粒点燃的临界判据。实验研究了不同温度、尺寸的高温颗粒点燃不同保温材料的临界条件,开发了相应数值计算模型,与实验数据进行了比较分析。建立了考虑接触热阻效应的热颗粒点燃理论。

    (2)实验研究了不同开口条件和火源功率情况下,受限空间火灾的室内温度场演化规律,建立了受限空间火灾室内温升与开口条件的无量纲耦合关系;揭示了受限空间外壁面开口火溢流的间歇性火焰溢出行为,提出了受限空间开口火焰间歇性溢出行为的阐释机制,建立了受限空间开口火焰溢出临界条件的数学模型;通过实验,揭示了开口火溢流的火焰高度、火羽流在竖向及径向的二维温度场分布特性,并分析了其卷吸特性与演化规律,建立了火焰高度与温度分布的无量纲物理模型;揭示了竖直挡墙、侧墙等外部限制边界条件以及高原低压低氧特殊环境条件对开口火溢流行为的影响;揭示了斜坡受限条件下的建筑火灾开口火溢流的燃烧室内温度情况、溢出火焰高度及外壁面热流分布等参数随斜坡角度的变化规律,建立了不同角度斜坡限制条件下火焰高度及外壁面热流分布演化模型。

    (3)揭示了环境风作用下双开口腔室两侧开口中性面高度的不对称分布效应,建立了耦合不同风速的中性面高度和火溢流初始速度关系式;推导出耦合不同风速的火溢流特征长度因子表达式;实验测量了不同风速下火溢流初始热流、温度及火焰高度分布,建立了基于新特征长度因子的无量纲温度分布模型;揭示了环境风对于火溢流近场卷吸的加强效应,结合实验数据阐释了由该效应产生的线性羽流向半对称羽流的加速转变现象,并初步获得了无量纲定量判据。

    (4)系统研究了常用外墙保温材料在不同环境条件下的热解、着火及火蔓延特性,揭示了不同环境条件下常用保温材料热解的动力学和热力学规律,以及分子链(键)断裂与热解产物之间的规律;揭示了单因素、多因素(试样尺寸,放置角度,辐射强度,压力,外墙结构等)耦合作用对小尺寸外立面保温材料火蔓延特性的影响规律,建立了保温材料火蔓延的理论模型;揭示了保温材料火蔓延过程中的传热主控机制,发现了材料宽度、环境压力等因素对传热主控机理的影响规律,揭示了火蔓延发生突变的临界条件。基于微小尺寸的热解和锥量实验,得到保温材料基本的热解和火灾参数,定量分析了收缩对辐射传热的影响,进而发展了热塑型材料的点燃模型;引入了遗传算法,将其应用的聚合物材料的热解中,通过MS-IR对反应机理进行探究,用遗传算法对每一种物质的质量变化情况及各个分步反应的活化能进行计算。

    (5)研究了玻璃受热起裂的随机性和确定性双重规律性、以及裂纹扩展过程,分析了玻璃在受热情况下的热应力响应特性,开发了分析计算玻璃热应力的有限元程序。在随机性方面,使用统计方法得到玻璃起裂的Weibull分布函数;在确定性方面,使用断裂力学强度理论,基于有限元技术,提出玻璃起裂的三种预测模型,即最大张应力判据、库伦-摩尔判据和最大法向应力判据;开发了玻璃热应力模型及程序EASY;揭示了热辐射作用下玻璃裂纹样式和脱落行为。研究揭示了当Low-E玻璃温度超过70℃以后施加水幕会加速玻璃的破裂脱落的特殊行为;研究揭示了玻璃加热到不同温度然后开启水幕,水幕对受热玻璃破裂的影响及水幕作用下非钢化玻璃的破裂机理。

    (6)通过计算机模拟方法对不同固壁阻隔方式下开口火溢流的形态特征进行了分析,揭示防火挑檐等不燃外墙结构对建筑外立面开口火溢流及垂直火蔓延的影响与阻隔机制,提出了优化的技术方案与设计参数。揭示了火焰沿可燃外墙结构(外保温系统)传播的影响因素。开展了外保温系统的实体建筑火灾试验,进行了大量的保温材料燃烧性能试验,分析了火焰沿可燃外墙结构(外保温系统)传播的影响因素。综合考察了材料的各项燃烧性能指标,分析了建筑构造措施对保温系统防火性能的影响。提出窗间墙对抑制火灾横向蔓延的作用机制。

    (7)实验研究了不同压力、流量条件下喷淋在垂直壁面的铺展和分布情况,获取了水幕喷淋的基本特征参数,对比分析了喷射角度、喷射距离对壁面上水幕形成与分布情况的具体影响;揭示了RPU火在施加水喷淋作用下的火蔓延抑制;设计了一种高层建筑外置移动立体火阻隔装置;开展了针对水滴自喷头喷出后运动学特征的研究,包括在不同倾角、出口速度、粒径等初始条件下的运动轨迹及撞击壁面后的溅射、延展、汇聚等特性,并在此基础上设计发明了一种离心式弧形喷口消防水幕喷洒头。初步揭示了喷淋对垂直壁面可燃材料燃烧的抑制效果以及喷雾雾场对辐射热流的削减作用。研究揭示了硬质PU和软PU在施加水喷淋作用下的火蔓延抑制规律,开展了水喷淋抑制典型壁面装饰材料垂直火蔓延实验研究。以PMMA板为研究对象,实验研究了其燃烧及火蔓延基本规律。对距离RPU不同距离处的喷淋通量进行了定量测量。

    二、课题在双开口火溢流行为研究方面取得突出进展

    针对实际建筑物中存在多开口的普遍现象,开展了平行双开口这一典型条件下开口火溢流的特性研究。研究内容主要包括燃烧室内温度情况、火焰通过两个开口发生的融合现象(图1),以及火焰溢出后的火焰高度与开口距离、火源高度等变化规律,建立了火焰融合概率(图2)、火焰溢出点高度(图3)和火焰高度演化模型(图4)。

图1火焰的融合现象     

图2火焰融合概率模型与三个阶段 

图3火焰融合点距离的无量纲拟合 

图4火焰高度的无量纲拟合 

    三、课题在玻璃热弹性裂纹扩展方面取得突出进展

    为研究玻璃热弹性裂纹问题,首先采用基于边的光滑有限元法(ES-FEM)来计算节点温度场,再次将节点温度作为热荷载来求解含有裂纹体的位移场和应力场,然后根据区域形式的相互作用积分求解应力强度因子,最后使用不同边界条件下的数值算例验证了程序的适用性。数值模拟结果表明:结合基于边的光滑有限元法和奇异五节点裂纹单元得到的基于边的奇异的光滑有限元(sES-FEM)比标准有限元(FEM)和ES-FEM具有更高的精度和收敛率;sES-FEM在求解热应力强度因子方面具有更高的精度,即使采用粗糙的网格,也与其他方法得到的解吻合的很好,如图5所示;在热荷载和机械荷载共同作用下,裂纹路径由两种荷载共同主导,其主导地位与荷载大小正相关。

图5归一化的应力强度因子随自由度之间的变化关系

    课题3:火灾作用下高层建筑关键构件和节点的损伤机制与防护

    课题3:火灾作用下高层建筑关键构件和节点的损伤机制与防护

    课题承担单位:清华大学、同济大学、安徽建筑工业学院

    课题负责人:韩林海

    主要学术骨干:程桦、肖建庄、陆新征、何陵辉

    一、课题总体实施情况

    课题按照计划进行,目前取得的全部成果如下。

    发表或投稿论文89篇,其中SCI30篇,EI18篇,领域顶级或SCI高影响区期刊23篇,申请专利21项,获得软件著作权3项,出版专著3部,编写规程1部,获得省部级奖励1项,举办会议1届。

    二、课题在钢-混凝土组合构件耐火性能研究方面取得突出进展

    (1)进行了型钢混凝土柱的标准火灾试验,研究了火灾对于外层钢管和内部混凝土之间的粘结应力的影响,与常温下的试验结果对比分析,研究了受火时间、混凝土保护层厚度和混凝土强度等参数对钢和混凝土之间粘结应力的影响规律。同时,对不锈钢高温后的力学性能开展试验研究,并提出不锈钢高温后的本构模型。

    (2)对不锈钢管混凝土柱的耐火性能进行了深入研究。完成了典型构件的试验,研究了火灾荷载比、构件截面类型和截面尺寸的影响,得到了试件的温度分布、轴向变形和试件的耐火极限。建立了不锈钢管混凝土柱耐火性能的有限元分析模型,研究了火灾下不锈钢管混凝土柱的工作全过程和受力机理,对比分析了不锈钢管混凝土柱和普通碳素钢管混凝土柱的变形发展和破坏形态。研究了截面尺寸对不锈钢管混凝土柱的耐火极限的影响规律。结果表明,不论是圆形截面还是矩形截面,随着截面尺寸的增大,耐火极限均有增大的趋势。在数值分析结果的基础上,给出不锈钢管混凝土柱耐火极限的确定方法。

    进行了型钢混凝土柱全过程火灾下的试验,包括型钢混凝土柱在升温状态下破坏和在火灾后加载破坏两种破坏情况,研究了荷载比、升温时间对其火灾后剩余承载力的影响。建立了有限元模型,对型钢混凝土柱在全过程火灾下的行为进行模拟。模型中除了可考虑材料的高温热膨胀应变外,还可考虑钢材高温蠕变、混凝土高温徐变和瞬态热应变,并可考虑混凝土爆裂影响。对型钢混凝土在全过程火灾作用后的受力全过程和工作机理进行了分析,为进行火灾后型钢混凝土柱力学力学性能的分析和评估奠定了基础。

    在上述构件方面研究工作的基础上,下一年度拟进一步开展火灾后钢-混凝土组合构件抗震和抗爆性能方面的试验研究和理论分析。

    (3)深入研究了钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁组合节点的耐火性能。建立了相应有限元模型,模型得到试验的验证。研究了梁荷载比、柱子荷载比和梁柱线刚度比等参数的影响。对破坏模态进行了分类,在设计中应当考虑梁破坏、柱破坏和梁柱同时破坏三种破坏类型。

    研究了型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点的在升降温火灾作用下的性能。开展了型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点耐火性能试验,结果表明,升温时间显著影响火灾后的剩余承载力。建立了相应的有限元分析模型,模型中考虑了钢材的高温蠕变、钢-混凝土的界面滑移和H型钢的残余应力,分析得到了节点梁柱相对转交关系。

    (4)对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁组合框架结构的耐火性进行了研究。建立了相应的有限元模型,模型得到试验数据的验证。通过有限元分析,对类似的组合框架在火灾下的行为进行了研究,深入认识火灾作用下组合结构体系中各构件间的相互作用规律,得到了组合框架的应力应变关系、内力分布和破坏模态等结果。结果表明,由于梁、柱之间的相互影响,该组合框架的耐火极限低于独立的钢管混凝土柱,且当柱荷载较低的时候,组合框架的耐火极限降低程度越大。

    同时,对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁组合框架的受力受火全过程进行了分析,研究了组合框架火灾后剩余承载力以及升降温过程中结构内力重分布规律,为进一步深入研究有关实用设计方法创造了条件。

    (5)对钢管混凝土柱-型钢混凝土梁组合框架的耐火性能进行了研究。完成了两个钢管混凝土柱-型钢混凝土梁组合框架的耐火极限试验,得到耐火极限、温度-时间关系及位移-时间关系。建立有限元模型,对试验进行模拟,试验结果和计算结果吻合良好。基于有限元模型,对该类框架在火灾下的内力变化进行分析,对不同参数影响下的耐火极限进行了参数分析,为实用设计方法的提出创造了条件。

    三、课题在铝合金受弯构件结构性能研究方面取得突出进展

    通过对常温、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃温度下铝合金悬臂构件的结构性能试验,研究了高温下铝合金受弯构件的弯扭失稳特征及整体稳定承载力随温度变化的规律,结合有限元方法进行数值分析,给出了高温下铝合金受弯构件的整体稳定系数计算方法。

图1试验装置

图2 试验后的试件

    四、课题在火灾下中空玻璃幕墙破裂临界条件确定方面取得突出进展

    相比较于单层玻璃,中空玻璃具有更好的隔热、隔音效果,因此广泛使用在高层建筑中。但是关于中空玻璃火灾安全性的研究十分少见。本研究首先通过改变火源中心和中空玻璃的距离(750-450mm)进行9组全尺寸实验,得到中空玻璃火灾失效的临界条件。结果发现相同热载荷作用下,双层玻璃的防火性能是单层玻璃的3-4倍。进一步确定了中空玻璃的临界破裂条件:向火面玻璃临界温差为60oC,临界热流为6kW/m2;背火面玻璃向火面无遮蔽区域,因此破裂所需温度较高,临界热流为25kW/m2。其次,基于玻璃表面热流分布,建立破裂时间预测模型,较好地预测中空玻璃向火面玻璃在不同火源距离下的破裂时间,并利用实验数据进行有效验证,如图3所示。再次,通过理论揭示双层玻璃内部传热机理,使用有限元方法预测背火面玻璃的温度变化曲线,并与实验结果进行比较分析。本研究揭示了双层玻璃的传热机制,确定了火灾下临界破裂条件,并为双层玻璃破裂时间的预测提供理论基础。

图3 理论模型和实验数据对比图

    五、课题在钢筋混凝土平板结构节点抗倒塌试验研究取得突出进展

    板柱组成的无梁楼盖结构是高层混凝土结构体系中常用的楼盖形式。为研究板柱结构连续倒塌动力效应,本课题计划对典型板柱子结构和节点的抗倒塌性能进行研究。其中节点抗倒塌性能试验主要包括近节点及远节点两部分。本阶段试验主要研究对板柱远节点抗冲切性能及冲剪破坏后抗倒塌性能,以及不同设计参数和构造措施等对远节点承载力的影响。

    1.试验整体进度

    于2015年12月至2016年1月完成了6个远节点正式试件的加工及试验。6个远节点试件中,包括3个变参数试件和3个措施加强试件。

    2.试验结果

    通过从探索性试验中的吸取经验,改变远节点处的钢筋布置从而解决了远节点构件抗冲切性能与近节点相比过高的问题(如图4)。在此基础上,完成了6个远节点正式试件试验,考虑改变板厚、负筋通长、增大配筋等因素的影响,研究表明增大配筋可以有效提高节点冲剪后的抗倒塌性能(如图5)。此外,试验还研究了配置暗梁,增加冲剪区箍筋及配置环梁三个方案对于远节点实践的承载力影响。结果表明三种增强措施均能有效提升节点冲剪后抗倒塌性能,其中增加暗梁方案对远节点试件的抗冲切性能及冲切破坏后的抗倒塌性能提升最明显,同时可以有效增加构件的延性,如图6所示。

图4 远节点及近节点标准件承载力对比

图5 远节点变参数试件承载力对比

图6 远节点措施加强试件承载力对比

    课题4:多作用力耦合驱动的高层建筑火灾烟气输运规律与控制

    课题4:多作用力耦合驱动的高层建筑火灾烟气输运规律与控制

    课题承担单位:中国科学技术大学、清华大学

    课题负责人:杨立中

    主要学术骨干:范维澄、蒋勇、王喜世、杨锐、纪杰

    一、课题总体实施情况

    2015年是本课题执行的第四年,按照年度预期计划,本年度主要有如下几个目标:

    (1)进一步揭示高层建筑内活塞效应等复杂因素对火灾烟气蔓延影响机制。

    (2)进一步揭示烟囱效应、环境风等对多技术协同烟气控制的影响机制。

    (3)建立耦合加压送风、水(雾)幕分隔、机械和自然排烟等多技术协同的火灾烟气控制方法。

    (4)发表学术论文12篇,其中SCI、EI论文8篇,国际燃烧和火灾科学领域顶级期刊以及SCI高影响区期刊论文2篇。

    (5)授权或申请发明专利1项。

    (6)培养博士或博士后3名。

    本季度主要在高层建筑火灾多组分烟气的输运模型和数值研究方面、不同通风条件对单开口楼梯井相邻腔室内燃烧特性的影响等方面取得了较为突出的进展。

    到目前为止,本课题已发表或接受论文80篇,其中属于SCI或EI收录55篇;已出版专著2部。已授权专利2个,申请受理中专利7个。

    二、课题在高层建筑火灾多组分烟气的输运模型和数值研究方面取得突出进展

    燃烧数值模拟通常假设均一的输运系数,如相等的组分质量扩散和Lewis数等。火灾大多是低马赫数的反应流,输运系数均一化处理会导致巨大误差且捕捉不到一些重要的燃烧现象,如熄火和重燃等。因此,这一假设并不适用,需要数值研究非均一输运系数下的火蔓延和烟气运动。

    且真实的燃烧并非简单的基元反应,而是由自由基参与的多步反应构成。数值模拟只能计算不包含自由基的一步或几步反应,不符合实际燃烧。

    基于以上两点,我们对FDS源程序进行修改,使其包含微分扩散作用并能够耦合详细化学反应机理,计算复杂化学。建立基于微分扩散的高层建筑火灾多组分烟气输运的研究平台,对高层建筑火灾烟气进行模拟计算。

    对FDS源程序进行修改,并由控制方程推导出一个有效Lewis数模型。对输运方程的扩散项进行修改,由组分本身的热力学数据和输运数据计算组分的分子扩散,从而考虑非均一的组分扩散。以组分输运方程为例。

    (1)

    (2)

    在前一步工作的基础上,对化学源项进行修正,使其满足复杂化学计算要求。k为反应体积分数。

    (3)

    (1)有效Lewis数微分扩散对烟气输运的影响

    1)对某一1/5尺寸的高层竖井模型进行数值计算,并将计算结果与直接数值模拟数据进行比较来验证所做工作的正确性。图1为竖井中心线上主产物浓度及温度对比图。

    图1竖井中心线上主产物浓度及温度对比图,标志:DNS,实线:有效Lewis数,虚线:均一Lewis数。

    从图1可以看出,考虑微分扩散的模拟结果能很好的符合DNS数据;不考虑微分扩散时,温度值有较大偏差,从而直接导致其他主产物浓度数据的失真。

    2)对RANS方程进行推导,得出一个有效Lewis模型。CT为参数。

    (4)

    图2为丙烷有效Lewis数对比图。计算三种不同的工况(不同的湍流雷诺数64.5,76.5,88),将由DNS得到的丙烷Lewis数与模型得到的Lewis数进行比较。在图中可看出当参数为0.02时有较好的一致性。有效Lewis数模型中的参数需要进行轻微修正,但其并不影响曲线的斜率。

图2丙烷有效Lewis数对比图 

    (2)多组分烟气输运模型对火羽流上升特性的影响

    对某一1/3尺寸的高层楼梯井模型进行数值计算,并将模拟结果与实验数据相比较,研究多组分烟气输运对楼梯井中温度上升的影响。

    图3为楼梯井中温度上升对比图。从下图可以看出,利用修正模型计算的结果与实验数据具有较好的一致性;而用现有的模型计算,模拟结果有较大误差,且热释放越大越明显。

    图3楼梯井温度上升对比图。上图:修正模型;下图:以前模型

    上述研究表明,数值模拟采用非均一输运系数可以更好的捕捉火行为和烟气运动。

    三、课题在不同通风条件对单开口楼梯井相邻腔室内燃烧特性的影响方面取得突出进展

    为研究不同通风条件对单开口楼梯井相邻腔室内燃烧特性的影响,在12层楼梯井模型中开展了一系列实验。实验发现,打开1F楼梯井开口,腔室内的火焰顶部偏向前室,根部偏向相反方向,火焰形如新月。分别打开3F、6F、9F楼梯井开口,在大火源功率下由于供氧不足出现特殊的火焰现象,游走火焰。打开1F楼梯井开口,开口处会有一个稳定的中性面,打开的开口高度升高,则无稳定的中性面存在。通过两个特征参数,与楼梯井开口处空气流量相关的η和与质量损失速率有关的θ,可以预估腔室内的燃烧是否为通风控制。θ随开口高度与油盆尺寸增大,且游走火焰出现在较高的通风受限程度下。实验中烟气在湍流混合作用下上升,且湍流混合作用下的温度衰减系数远大于烟囱效应作用下的温度衰减系数。典型结果如下:

图4 1分钟内间隔时间为2秒的游走火焰形态

图5楼梯井内的温升随着高度的变化    

    课题5:高层建筑火灾中人群的多模式协同疏散及优化疏导

    课题5:高层建筑火灾中人群的多模式协同疏散及优化疏导

    课题承担单位:清华大学、上海消防研究所、沈阳消防研究所、中国科学技术大学

    课题负责人:张辉

    主要学术骨干:宋卫国、闵永林、宋希伟、翁文国、陈涛、朱霁平

    一、课题总体实施情况

    (一)课题研究目标

    研究高层建筑楼梯与电梯区域人群运动的基本特征,以及火灾烟气和疏导信息对人群疏散行为的影响机制,揭示高层建筑中综合楼梯、电梯、避难层(区)的人群多模式协同疏散规律,发展基于多信息耦合和智能诱导的动态疏导方法,提升高层建筑火灾情况下的人群疏散的效率和安全性。

    (二)考核指标

    在理论基础方面:

    阐析高层建筑楼梯与电梯区域人群运动基本特征和火灾条件下人群疏散的规律性,揭示火灾烟气对高层建筑人群疏散行为的影响机制。

    在技术基础方面:

    发展火灾环境下耦合电梯、楼梯及避难层(区)的多模式协同人群疏散技术。

    在研究成果和人才培养方面:

    (1)发表学术论文70篇,SCI、EI论文45篇,其中领域顶级或SCI高影响区期刊论文12篇。

    (2)主持或参与编写(修订)国家标准或规范1项以上,编写专著1部,授权或申请发明专利4项。

    (3)通过课题的实施,在多模式协同疏散及优化疏导方面凝聚出团结合作、富有朝气和创新精神的研究团队,培养博士或博士后12人。

    (三)工作开展情况

    截至2015年12月30日,本课题主要开展如下方面的工作:

    (1)在人群使用电梯疏散的行为特征研究方面

    通过对电梯疏散实验进行分析与总结,我们阐述了人群使用电梯疏散的行为规律,检验紧急状况(如烟气)和等待电梯人数对人群疏散行为以及电梯装载乘客时间、卸载乘客时间和电梯开关门时间的影响;并根据实验结果,拟合出电梯调度重要参数之一的电梯开关门时间的分布函数。具体来说主要开展两方面的工作:一是人群使用电梯疏散的行为规律。研究获取了人群的疏散速度、排队行为,分析影响人群疏散行为的因素,检验紧急状况(如烟气)和等待电梯人数对人群疏散行为以及电梯装载乘客时间、卸载乘客时间和电梯开关门时间的影响;二是阐述电梯调度重要参数的变化规律。根据实验结果,拟合出电梯开关门时间的分布函数。

    (2)在群体疏散中特殊个体的行为特性研究方面

    针对群体疏散过程中特殊个体的行为特征主要开展了三方面的研究:一是采用社会网络分析方法对群体疏散过程中的追随行为及小群体行为进行量化研究。根据问卷和视频数据分析了紧急状态中追随关系的结构及疏散子群体的变化特点,并量化研究了典型群体的社会关系对追随行为的影响。二是对疏散过程中的领导者的社会关系、生理、心理及疏散速度进行了全面的研究。通过定义个体被信任和被追随的分数来提取领导者,采用问卷分析、fMRI、视频分析的、社会关系分析等方法来全面分析领导者的特点。三是对疏散过程中的特殊个体的速度、个体的微观关注行为和决策选择行为方面进行了深入研究。呈现了疏散过程中特殊个体的疏散特性、关注行为以及决策选择行为的特性规律。

    (3)在疏散中小群体行为及其对群体动力学影响的研究方面

    研究了楼梯疏散过程中小群体存在下和无小群体存在下的人群运动特征。组织开展了三次楼梯疏散演习实验,通过对实验人群运动的时间-空间关系、速度分布曲线和速度-密度关系基础图进分析,得到了小群体对实验人群的影响关系。在此基础上我们进一步研究了群体中小群体行为及其对疏散人群的影响。分析了小群体的行为特征以及其对人群的速度和流量的影响。

    (4)在开展多信息耦合智能诱导技术研究方面

    研究多信息耦合智能诱导技术,参考国外导向发声器标准,对安全出口声音引导原型样机进行声音强度与方向性试验测试,并与国外同类技术产品进行对比,完成声光指示与控制系统的调试工作,建立声光融合疏散指示原型系统。

    (5)在高层建筑电梯疏散区域人群行为及疏散模型的研究方面

    梳理总结了已开展的研究工作,考虑到火灾现场以及疏散过程都是动态发展和变化的,因此课题组在电梯调度策略的基础上,计划建立动态的疏散策略模型,给出一套可操作的疏散期间电梯运行的逻辑规则。

    (四)成果指标总体完成情况

    (1)目前已完成学术论文111篇,其中SCI/EI收录75篇,其中领域顶级或SCI高影响区期刊论文13篇;

    (2)获得实用新型专利授权3项,申请发明专利5项,软件著作权2项;

    (3)获得教育部科技成果鉴定1项;

    (4)培养博士10人,博士后4人。

    二、课题在人群使用电梯疏散的行为特征研究方面取得突出进展

    (一)研究人群使用电梯疏散的行为规律。

    统计出不同人群数量情况下和有无烟气条件下的电梯开关门时间和电梯载客时间,如图1所示。并发现进入电梯的时间远小于电梯开关门时间,如图2所示,在有竞争的条件下,人群进入电梯的速度较快。在多次实验过程中,发现人群的排队形式不尽相同:线型和半球型,如图3所示。在电梯门宽度为1米时,以半球型排队的人群进入电梯速度较快。

     图1实验1中不同条件下的电梯开关门时间箱型图

        图2电梯开关门时间间隔与进入电梯平均时间的对比

a.线型     

b.半球型

图3排队形式

    (二)根据实验结果,拟合出电梯开关门时间的分布函数。

    假设电梯开关门时间服从Log-Normal分布,在等待人数为10人情况下,Log(TOC)服从N(2.49,0.22),如图4所示;在等待人数为15人情况下,Log(TOC)服从N(2.64,0.36),如图5所示。

图4等待人数为10人的电梯开关门时间的分布

图5等待人数为15人的电梯开关门时间的分布

    三、课题在群体疏散中特殊个体的行为特性研究方面取得突出进展

    (一)利用社会网络分析方法对群体疏散过程中的追随行为与小群体行为进行定量化研究。

    集合问卷调查与疏散视频数据分析,提出常态社会关系矩阵和疏散过程中追随关系矩阵的构建方法,利用社会网络分析工具实现疏散群体中的常态社会关系网络与疏散中的追随关系网络可视化,疏散实验表明紧急状态中追随关系的结构、节点的中心性及疏散子群会发生变化;提出社会关系对追随行为影响程度(Inf)的概念,从而对典型群体中的社会关系对追随行为的影响进行定量化研究。部分分析结果如下图6和图7所示。

    结果表明:=1\*GB3①群体中稳定的社会关系在应急状态中以追随行为和小群体行为显现出来;=2\*GB3②在紧急疏散状态下人们的中介性(被信任程度)下降;=3\*GB3③小群体形成的数量与规模与该群体常态中的社会关系有关,小群体的规模主要有2人、3人或4人,其中以2人和3人为主;=4\*GB3④社会关系对追随行为的影响度受社会关系和楼层影响,具体为家庭关系影响度大于同学关系,同学关系的影响度大于办公室关系;楼层越高,影响度越大。这些结果可以为修正疏散仿真模型提供真实数据,为制定疏散方案提供科学支持。

图6 以办公室关系为主的群体疏散过程中追随关系图

图7 以家庭关系为主的群体在疏散过程中的追随关系图

    (二)对疏散中的领导者进行社会关系、心理、生理及疏散速度等特点进行全面研究。

    课题通过定义个体的被信任分数和被追随分数,提出固定群体中常态中的意见领袖和疏散过程中的领导者的提取方法。研究了典型群体的意见领袖和领导者的特点,从而对三类典型群体:以学生关系为主的学生群体、以办公室关系为主的研究生群体和以家庭关系为主的家庭群体中的领导者行为进行深入研究。研究内容包括基于问卷分析的领导者与IQ的关系;基于fMRI的领导者与脑结构的关系;基于视频分析的领导者与速度的关系;基于社会关系的领导者与意见领袖的关系等。部分结果见图8-图11。

    结果表明:①疏散中的领导者有一部分来自于该群体在常态中的意见领袖;②疏散中新形成的领导者来自疏散过程中速度最快的人;③个体的社交能力与领导能力与其自身脑部结构具有一定的相关性;男性领导者智商较高,女性领导者智商相对较低;④固定群体中的意见领袖和领导者都具有一定的稳定性。这些结果为科学预测疏散过程中的领导者提供了理论依据,如果能够提前选择具有领导潜能的人作为疏散指挥者将可以大大整体提高疏散效率;此外,这些结果可以为修正疏散仿真模型提供真实数据,为制定疏散方案提供科学支持。

图8 某疏散群体常态中的意见领袖和疏散中的领导者与速度

图9基于rsfMRI的某群体个体的FCS脑图

图10某群体中个体的受欢迎程度与FCS 

图11某群体中的领导者与性别、智商         

    (三)对疏散过程中特殊个体(孩子)的速度、个体的微观关注行为和决策选择行为方面进行了深入研究。

    行人流和疏散动力学研究表明:个体行为会对整个群体的疏散产生显著的影响。课题探讨了疏散中的三类典型个体行为,一是特殊个体与小群体的疏散速度等基础数据采集与分析。在论文的研究过程中,课题组一共组织过近200人、30余组不同规模的疏散演习实验,疏散者年龄范围从6岁到65岁,群体的社会关系包括家庭关系、同学关系和同事关系等,很多特殊个体在疏散过程中表现出一定的特性。二是不同电梯和楼梯作为出口的疏散模式中个体的决策选择行为。多次疏散演习实验证明,个体在面临不同的出口选择过程中会做出艰难的决策,最终选择一个自己认为合理的疏散路径,本章还研究了个体面对不同疏散出口时个体的决策选择行为。三是疏散过程中的个体关注行为。在疏散演习实验中,利用眼动仪研究紧急疏散中人们在楼梯、电梯、楼道等通道中的眼动特点与规律,进一步分析个体在疏散过程中的微观眼动行为。

    其中,图12、13、14分别表示了同一群体在面临不同空间分布的电梯和楼梯时的决策选择行为;图15表示使用不同电梯与楼梯协同疏散模式以及单一使用楼梯进行疏散时的疏散时间对比。

图12出口为同一侧电梯和楼梯的路径选择行为 

图13出口为异侧楼梯的路径选择行为 

图14出口为异侧电梯和楼梯的路径选择行为

图15电梯与楼梯协同疏散与单一楼梯疏散的疏散时间对比    

    四、课题在疏散中小群体行为及其对群体动力学影响的研究方面取得突出进展

    (一)研究了楼梯疏散过程中小群体存在下和无小群体存在下的人群运动特征

    在清华大学刘卿楼组织开展了三次楼梯疏散演习实验。第一次实验中疏散人群由独立的个体组成,第二次实验中被疏散人员两两成组,疏散中同组的人不能分开,同组的两人全部到达才算疏散成功,第三组实验中疏散人群有个体和具有社会紧密关系的小群体组成。对三次实验人群运动的时间-空间关系,速度分布曲线和速度-密度关系基础图进了分析。结果表明三组实验中人群运动速度与先前研究一致,当两人成组疏散时,人群的运动速度最快,疏散效率也因而最高,如图16所示;对比三组实验的速度-密度关系基础图,可以得出相同密度下两人成组的人群速度最大,在相对较低密度下有个体组成的人群运动最慢,在相对较高密度下实验三中人群运动最慢,如图17所示。

图16三组实验平均速度对比图  

图17三组实验密度-速度关系对比图  

    (二)研究了群体中小群体行为及其对疏散人群的影响

    观察三次疏散实验,可以看出疏散中具有稳定紧密社会关系的群体会时刻在一起逃生。实验二与实验三中的小群体在疏散中会互帮互助共同前往安全区域。小群体以二人或三人成组最多,二人的小群体主要以直线型运动,三人成组的小群体主要以‘V’型运动。同时小群体中处于劣势的成员,如家庭成员构成的小群体中的孩子,情侣中的女性往往处于群组的最右边且靠栏杆处,相比常态下的小群体,紧急疏散状态下的小群体成员之间运动时更加靠近,互相交流也相对较少。

    对实验三中小群体对人群的平均速度和流量的影响进行了分析,图18所示为小群体和人群的平均速度对比图,图19所示为小群体对被疏散人群的流量影响。有图18可以看出,小群体平均速度低于人群平均速度,小群体存在对人群运动起到负面影响。有图19可以看出小群体的存在使人群的流量变化产生了明显的波动,小群体的存在有可能对疏散造成潜在的风险。

图18小群体和人群速度对比图

图19小群体对疏散人员的流量影响(箭头所示)

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