开题报告(详细)

基于海口市城中村现状的私宅楼房火灾烟气数值模拟及安全疏散可行性研究一、选题意义随着中国城市化进程的加快，农村土地逐步被征用，于是出现了被城市包围又基本没有耕地的农村，这就是“城中村”。海口市随着主城区的不断扩大，“城中村”也越来越多。据相关资料显示，在海口约91平方公里的城区面积内，现有城中村近80余片，占地面积1000多公顷，建筑面积约1000万平方米，危房建筑面积约占10%，涉及居民约5.6万户，人口22.4万人，占城市人口的20%。这些城中村往往和“混乱”联系在一起，管理差，消防安全隐患大，城中村消防安全环境究竟存在有哪些顽疾，在管理和规范上应该如何突破呢？这是摆在当前消防部门面前迫切需要解决一个瓶颈难题。《土地管理法》规定,城市的土地所有权归国家,而农村的土地权归行政村集体所有。国家可以征用农用地,但不能征用宅基地。目前，被城市包围的“城中村”的住宅用地和集体房产用地至今仍归村集体所有，在持续的拆迁热潮中，行政村的村委会作为“集体”，代表农民表态，将农民的土地出让给政府挂牌征用。而在拆迁补偿的过程中，主要有两种模式：一种是给农民比较低的土地补偿，政府建好安置房对原居民进行集体安置；另一种是政府在原村落以外的地方，划拨和原宅基地相同面积的土地给农民建设住宅楼。由于宅基地面积有限，农民担心耕地被征用后失去生活来源，萌发“坐地生财”、靠租金生活的想法，导致原住户无视政府的规划，要么在政府建好的安置楼上私自加层，要么无视规划，不经过任何行政部门的许可，利用现有土地进行开发，导致大量布局混乱的违章建筑存在。此外，部分新、改、扩的建筑，由于各种原因，居民无法办理施工许可证，继而也不能到规划、国土、消防等部门进行报备，只能凭经验擅自施工，留下一大批先天性的火灾隐患存量。《建筑设计防火规范》规定：“多层建筑间的防火间距应不小于6米”。据统计城中村内半数以上的建筑防火间距不足，建筑一间挨一间成片布置，毫无防火间距可言。所谓“握手楼”、“一线天”景象比比皆是，建筑紧密相连，火灾发生时，极易燃烧蔓延，造成火烧连营的局面。防火间距的不足，无法满足防火需求，导致扑救火灾困难。多层建筑的高度在12米至20米之间，一旦顶层起火，提供足够水压所需要的大型消防车辆根本无法进入，无法及时控制火灾。同时，火场产生热辐射容易使临近建筑的可燃物起火，加速火灾蔓延。一旦失控，后果将相当的严重。2005年6月24日，海口市青年路美舍村一出租屋二层发生火灾，火势很大，浓烟滚滚，由于出租屋住人多，装修材料大多为木板，疏散楼梯只有一处，当场造成6人死亡。2006年8月10日，云南昆明市官渡区陈旗营村一处民房发生火灾，由于消防车开不进来，施救不力，造成10人死亡、2人受伤。2010年9月10日，晓东村286号因为电动车充电器自燃引发火灾，过火面积仅5平方米，被烧毁的仅是楼梯间以及2辆电单车、1辆摩托车，财产损失8000元，却造成一家祖孙3人死亡……2013年11月4日晚上23点07分，郑州经开区老南岗村一五层民宅发生火灾，失火位置位于一楼的出租房，过火面积约10㎡，火灾已造成8死10伤。2013年1月15日早上7点半左右，天桥区一城中村的一处出租屋发生火灾。由于火势较大，浓烟较重，造成一租客死亡。据了解，此处楼房为村民加盖，多三到四层，主要出租给外来人员。2013年11月25日，东莞南城袁屋边一栋出租楼起火，4层楼12个房间全部被烧着，3名租客被困楼顶天台，幸未造成人员伤亡，但20多名租客一时间“无家可归”。2014年1月4日，海口市塘边路老城区一栋五层私宅楼房的一层发生火灾，起火物为聚氨酯泡沫箱，造成1人死亡。2014年1月8日至12日5天内，广州就发生两起出租屋火灾，死亡8人。8日的火灾发生在天河村，两女童疑因烧纸皮惹祸致死。12日的火灾发生在白云区沙涌南街，一家6口人被烟熏致死。由于家庭里可燃物多，火灾发生后,将产生的大量高温的烟雾,烟雾中含有大量的一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氰化氢等有毒气体，严重影响人员的逃生,加之绝大多数的私宅楼房只有一个疏散楼梯，楼梯狭窄，楼梯里充斥着有毒烟气，可导致人员伤亡。鉴于上述危害,如何对城中村私宅楼房火灾烟气并进行有效的疏散,将是火场逃生的关键。由此可见，加强对城中村的消防安全管理，深入研究城中村火灾的特点和疏散逃生方法，最大限度地降低人员和财产损失，已经成为消防部门目前亟待解决的重点和难点问题。二、该领域国内外研究动态火灾过程是一种包含多相流体流动、三维非定常、传热传质和多种化学反应并相互耦合作用的极为复杂的物理化学过程。一方面,通过实验只能进行局部有限的测定,对火灾场景很难进行全方面的情景再现;另一方面,火灾试验尤其是大空间的开展成本较高。而计算机数值模拟很好的避免了这些缺点,并拥有较好的模拟效果,巳成为火灾研究的一个重要手段,现有的模拟技术主要有区域模拟、场模拟(计算流体动力学CFD模拟)以及网络模拟。1、国外研究：Cox和Kumar研究了机械通风对火场的影响规律;Cooper和Pbmey进行了火灾区域模拟;Hinkley研究了屋顶有通风口火场下热烟气的产生率;Morgan开展了大空间的烟气水平流动规律研究,给出了无通风情况下商场的烟气控制方法;Ballesteros-Tajadura用FLUENT研究了横向排烟效果受坡度影响的规律;KashefA等人在2003年开展了隧道火灾的模拟效果对比;JojoS.NlLi利用PHOENICS数值模拟软件对比分析了纵向通风、横向和半横向通风系统的排烟性能；J.H.Klote等人在位于WashingtonDC的Plaza宾馆进行了真实火灾环境的实体实验；YHe对多室火灾中的烟气流动问题进行了实验和数值模拟研究，分析了数值模拟的精度问题；Bryner,Nelson等人建立了各种尺度的实验台，对房间、走廊、目标房间等烟气成分的浓度进行了研究；美国Virginia理工大学的研究组在烟气向远距离处的迁移规律方面做了大量的工作，他们构建了房间和走廊结构，实验采用通风受限燃烧。他们观测了房间中的燃烧向走廊中扩散，同时也发现了走廊远端处的回燃现象。2、国内研究：建筑设计和管理部门所面临的重大课题,更是火灾科研工作者所面临的新的挑战。由于高层建筑火灾过程中的火风压产生,导致高温火灾烟流沿各种通道,如走廊、电梯井、电缆井和垃圾井等通道,自起火层向其上层或下层空间蔓延。若初期灭火失败,那么高层建筑犹如一座高大的竖向烟囱,将很快形成一根冲天火柱,危及楼内人员生命财产和安全。对于多层多室建筑烟气运动规律的研究,通常有两种研究方法:模拟方法和实验方法。上海消防科学研究所提出了SMOUC数值模拟软件,只要用来模拟地下建筑火灾烟气流动,并给出了判断烟气分层与否及烟气质量的计算公式;中国科技大学开展了场区模拟和场区网模拟的数值模拟研究工作。中国建筑科学研究院防火所研究了地下商业街的防排烟系统性能及防排烟系统的设计方法。周允基教授等研究了火灾烟气扩散规律，并进行了火灾疏散模型优化工作。林真国对中庭建筑火灾模型进行了数值模拟试验研究。杨愉以会展中心为模型,采用该方法进行了火灾烟气控制研究。杨光使用计算机模拟方法对地下大空间建筑火灾烟气运移规律进行了研究。在2005-2012年期间,中南大学的博士杨淑江研究了《有风条件下室内火灾烟气流动和控制研究》、中国科学技术大学张小翠《建筑火灾场模拟中计算区域的影响研究》、哈尔滨工程大学许超研究了《哈尔滨新纪元地下商业街火灾烟气控制与人员疏散》、东北大学李利研究了《医院病房区火灾烟气扩散过程计算模拟及人员安全疏散研究》、北京工业大学王鲁鹏研究了《地铁火灾中换乘站烟气控制的数值分析》、中南大学高歌研究了《大型商场火灾人员安全疏舰仿餓拟研究》、哈尔滨工业大学邱旭东研究了《高层建筑火灾雖的数值模拟》、中北大学耿鹏研究了《室内火灾数值模拟》、西安科技大学郭伟研究了《体育馆人员安全疏散研究》。上棚F艇择多种类型的建筑为研究原型,采用数值模拟方法对其火灾烟气运移规律进行研究,为上述建筑防火设计方法提供了理论参考依据。国家安全生产监督管理局安全科学技术研究中心钟茂华、厉培德、韦星、廖光煊在多层多室模型实验室内对木垛火灾和煤油火灾时烟流运动过程进行了研究,得到如下结论:(i)在着火源点垂直高度上的温度差明显高于其他测点的温差,随着烟流蔓延和扩散,烟气层温度基本趋于一致。(ii)对于木垛火灾和煤油火灾,最先超过一般人的生理极限的主要成份是SO2,CO和CO2,其次是NO和NO2。(iii)多层建筑火灾过程中,由于烟流的气压差波动幅度及频率较大,容易导致烟流在流动过程中充分蔓延到所流经通道的每一个空间,使人员避灾难度加大。中国矿业大学郭镇、袁迎曙通过对普通住宅建筑的火灾模拟分析，得到起火点的位置和燃烧释放率是焰火蔓延、温度分布和烟气层产生的关键，可燃材料的布置方式是焰火蔓延的必要条件，空间布局及建筑形式是温度分布和烟气扩散流动的主要因素，通风条件将对温度分布和烟气扩散方向有一定的影响。（1）住宅设计中应提高枢纽空间和开放空间尺寸，增大存烟容量，有条件时可以再枢纽空间增加排烟装置；枢纽空间应设计规整，利于烟气疏导防止高温烟气在某一区域囤积使烟气层加厚；有垂壁高度必须严格控制，尽量采用最大适用高度；（2）装修时，在枢纽空间和开敞空间的应尽量避免采用易燃材料，防止高温烟气所致燃烧；另外，尽量不要在枢纽空间和开敞空间做满堂装饰吊顶，以获得较高的存烟高度；（3）房间的内门应尽量采用耐火材料，窗玻璃应尽量采用高强度耐火玻璃，防止玻璃破碎使外界空气进入加剧室内燃烧；根据地区主导方向，尽量减少迎风面窗户尺寸。三、本课题研究的目的目前，对多空间（空间有分割布置）结构体系火灾行为研究不多，研究重点主要集中在建筑空间中的消防器材布置和人员疏散方面。而对于火灾蔓延和烟气扩散规律的研究，则主要是以高达建筑中庭、地下空间等为研究对象的。由于实验条件特殊及系统复杂，得到的实验数据更是少之甚少。所以，针对火灾下，焰火、烟气扩散和温度的发布规律研究也仅仅停留在单间、大空间建筑的数值分析。针对中庭火灾模型的研究较多，依据中庭建筑高大敞开等特点，建立了多种火灾模型，这些模型是一种特定模型，其假设前提是高大空间，包括已经完成或者正在进行的各种实验分析与数值模拟分析，都是建立在中庭建筑这一特定环境之上的研究。这些模型不具有多层住宅建筑的特征，因此并不完全适用于多层住宅建筑。据统计,海南省海口市城中村共有270多个,居住人口稠密,村内建筑密集,消防设施缺乏,消防通道普遍不畅,消防安全管理混乱,抗御火灾整体能力薄弱,城中村发生的火灾数量占全省已发火灾总量的40%以上。以此作为研究的切入点,试图探索适合我国国情、具有可操作性的城中村消防安全对策措施,为城中村消防安全规划和改造提供依据。四、预期成果通过火灾烟气数值模拟，得到城中村私宅楼房内部火灾蔓延及烟气流动的几点规律：1、房间的布局方式是否对烟气流动和高温分布的影响；2、室内易燃物较多时，是否会对轰然有增大的趋势影响；3、起火点房间的空间高度，门上部过墙（垂壁）能有效阻挡高温烟气层扩散的高度值；4、开启外窗的条件下，是否会对室内火灾起到加剧的作用，特别是楼与楼之间间距狭窄，通风条件差以及新鲜空气难以补充至室内，会对起火房间造成较严重的轰然；5、当火场温度达到一定数值后，楼与楼之间要至少达到多少米的间距，辐射温度不能引燃非起火楼房的房间可燃物或高温烟气不能流入到非起火楼房的房间。6、常年主导风无法进入房间的情况下，开窗尺寸的大小数值是否影响火灾烟气的排出。7、疏散楼梯的设置形式，对火灾是否造成烟囱效应，对人员疏散是否有效。同时依据这些规律，得到火灾发生时，人的最佳逃生时间、疏散路线。五、研究方案、研究方法及论证研究内容：本论文依托海口市青年路城中村私宅楼房单体建筑和楼群建筑为典型研究对象，建立模型，运用FDS软件对场景模型进行模拟，得出数据进行如下分析：(l)烟气流动及分布的特征规律;(2)烟气回流控制;(3)隧道弧度对烟气分布的影响;(4)隧道内温度场和浓度场分析;技术路线：建立火灾烟气