1. 引言
我国是多山之国，山地在国土面积中占比达67%，产生了众多具有山地特色的城市和村镇，重庆就是典型的山城，随着经济发展，向高坡度的山体寻求可建设用地成为必然趋势，大量坡地建筑应运而生，由于坡地建筑特殊的建筑形态和道路建设，在发生火灾时大大增加了救援难度与救援时间，给建筑内人员逃生、疏散与火灾救援人员的安全产生重大安全隐患 [1] 。烟气是影响人员逃生的重要因素，火灾中烟气含有大量有毒有害气体(CO，CO2，HCN等)、热量和没有燃烧充分的固体颗粒等，给建筑内人员逃生、疏散与火灾救援人员的安全产生负面影响，而火灾烟气的流动会受到当地环境风的影响，因此对坡地建筑在不同环境风作用下的火灾烟气流动影响研究是非常有必要的。
国内外学者针对建筑在坡度和环境风的影响下对火灾烟气发展规律开展了大量研究，张健荣 [2] 运用FDS建立了3个不同坡度坡地建筑模型，通过对比三种工况的火灾发展情况得出，与没有边坡时相比，边坡坡度增大至一定程度时，火灾早期阶段，受限空间内，烟气卷吸受特殊条件的影响，致使烟气沿墙壁及边坡发展，近壁效应显著，边坡与建筑之间的溢流烟气温度较高，高温溢流烟气会产生分叉现象，对着火层上层楼层产生更大危害。周允基等 [3] 研究了多层建筑不同楼层位置的房间发生火灾时外界环境风对房间内外稳态温度场与流场的影响，并建立了多层建筑火灾流场特性数学模型，结果发现当多层建筑发生火灾时，外界环境风向和风速对有、无热源的房间内部火灾烟气流动特性均有影响，且风速不同影响程度不同；李耀庄等 [4] 利用FDS软件研究了环境风对小城镇多层建筑火灾流场的影响，结果发现不同风向和风速的环境风对有、无热源的房间内部火灾烟气流动特性均有影响；黄冬梅 [5] 等利用FDS软件建立数值模型，模拟研究了在有风条件下高层建筑竖井内火灾烟气的运动规律，发现迎风向对竖井内火灾烟气蔓延的影响程度要大于背风向和侧风向。
综上，前人的研究中多对于环境风和坡度两种单一特性对建筑进行火灾烟气流动影响研究，而对环境风作用下对坡地建筑火灾烟气影响的相关研究不足。鉴于此，本研究采用理论分析和数值模拟相结合的方法，基于某坡地建筑原型，利用火灾动力学仿真软件建立FDS模型，并通过数值模拟，分析环境风对坡地建筑火灾烟气运动发展态势的影响。
2. 模型建立及参数设置
2.1. 软件介绍
Thunderhead Engineering Pyrosim (简称Pyrosim)是一款专门用于火灾动态仿真模拟(Fire Dynamic Simulation, FDS)的建模软件。Pyrosim以流体动力学计算为理论支撑，通过创建火灾模型，可以准确预测火灾烟气流动、火灾温度和有毒有害气体浓度分布，用于仿真模拟预测火灾中的烟气、一氧化碳等有毒气体的流动、火灾温度以及烟气浓度的分布，应用范围很广；此外，还可直接导入FDS、DXF等格式的模型文件 [6] 。
2.2. 坡地模型建立
为研究各影响因素对山坡上的建筑火灾烟气影响程度，使用Pyrosim软件建立了一个简易的坡地建筑群模型(图1)作为研究的基准，其他工况均在此标准场景的基础上稍作变化设定而成。该模型标准场景设置为长100 m、坡长120 m、高30 m的区域，坡度为30˚，建筑物的尺寸均为10 m × 5 m × 10 m，为其编号为ABCDE建筑，建筑物表面材质使用Pyrosim属性库中的黄松木(YellowPine)。对于计算网格的确定，从理论上来讲，计算网格划分得越精细，计算结果越准确，但是相应会增加模型计算的时间，因此为了保证计算准确的同时，减少计算时间，选择单位网格为0.5 m × 0.5 m × 0.5 m，网格总数为358,150个。
2.3. 环境风参数设置
Figure 2. Chongqing annual average wind speed map
图2. 重庆年平均风速图
Figure 3. Chongqing wind direction rose chart
图3. 重庆风向玫瑰图
以重庆市为例，通过查阅重庆气象局数据，得到重庆处于东亚季风区，又受东北西南向平行岭谷地形影响，冬季盛行偏北风，夏季则偏南风明显增多。全市累年平均风速为1.12 M/S，西北部地区平均风速最大，达1.26 M/S，东南部最小为0.9 M/S，全市各地年平均风速0.9~2.1 M/S，是全国风速最小的地区之一。在全市各地资料累年平均中，静风的频率最多，越占全年36%~50%，涪陵、南川、彭水的静风频率高达60%以上。从盛行风向看，大多数地区全年主导风向是东北风和东风。西南部的綦江、万盛因受到地形影响，全年盛行偏西风和东南风。永川最多风向为偏西北风和东风。巫溪处于大巴山的低麓，风向受大山的影响以偏东风为主。南川因地势较高，常年以东风和西南风为主。丰都、石柱全年最多风向吹偏西风。武隆常年盛行东风，彭水也以偏东南风为主 [7] 。
为探究不同环境风风况对该坡地建筑模型的火灾烟气流动影响，需要对风的属性进行相关设置，FDS中可以使用ATMOSPHERIC参数对风的属性进行设置，此时FDS能模拟产生典型的大气效果并严格按照风廓线公式u = u0 (z/z0)产生风 [8] 。本研究以调研的重庆市环境风风况为研究对象，根据重庆的年平均风速图和风向玫瑰图(图2、图3)，选择设置风速0 M/S、1 M/S和2 M/S，风向为东风的环境风风况作为模拟参数。
2.4. 火源设置
火源位置均设置在每栋建筑地板中心位置，火源面积为1.0 m × 1.0 m，火源功率为1000 kW/m2，模拟时间为200 s，燃烧反应物质为聚氨酯，
计算结果越准确，但是相应会增加模型计算的时间，因此为了保证计算准确的同时，减少计算时间，选择单位网格为0.5 m × 0.5 m × 0.5 m，网格总数为358,150个。假定起火位置位于建筑物中心地板处，火源热释放速率为1000 kW/m2，产烟率为0.1，模拟运行时间为200 s，用于模拟火源的燃烧器设置在二楼地板(z = 5.3 m)，x坐标(25, 26)，y坐标(33.2, 34.4)。
3. 火灾模拟
为探究不同环境风风况对该坡地建筑模型的火灾烟气流动影响，需要对风的属性进行相关设置，FDS中可以使用ATMOSPHERIC参数对风的属性进行设置，此时FDS能模拟产生典型的大气效果并严格按照风廓线公式u = u0 (z/z0)产生风 [8] 。本研究以调研的重庆市环境风风况为研究对象，选择设置风速0 M/S、1 M/S和2 M/S，风向为东风的环境风风况作为模拟参数，而建筑物温度和CO浓度能直接反应出火灾烟气的危害程度，故在建筑内设置温度探测器和CO浓度探测器，通过对不同工况的数值模拟结果对比来得出环境风对坡地建筑的火灾烟气流动影响。
通过FDS的Smokeview对计算结果进行可视化观察与分析，同时对各探点数据绘制曲线图，主要对不同谈点的温度、CO浓度对应的矢量图进行对比分析以寻找规律与特点。
假设C建筑发生火灾，在C建筑内设置点火装置，分别在各个建筑内中心位置设置温度探测器(热电偶)和CO浓度探测器，进行火灾模拟，得到以下模拟结果(图4~14)。
Figure 4. Smoke flow in building C when the wind speed is 0 M/S
图4. 风速为0 M/S时C建筑烟气流动情况
Figure 5. Smoke flow in building C when the wind speed is 1 M/S
图5. 风速为1 M/S时C建筑烟气流动情况
Figure 6. Smoke flow in building C when the wind speed is 2 M/S
图6. 风速为2 M/S时C建筑烟气流动情况
Figure 7. Temperature trend chart of building C under different wind speeds
图7. 不同风速下C建筑温度趋势图
Figure 8. Temperature trend chart of Building A under different wind speeds
图8. 不同风速下A建筑温度趋势图
Figure 9. Temperature trend chart of building D under different wind speeds
图9. 不同风速下D建筑温度趋势图
Figure 10. Temperature trend chart of building B under different wind speeds
图10. 不同风速下B建筑温度趋势图
Figure 11. CO concentration trend chart of Building C under different wind speeds
图11. 不同风速下C建筑CO浓度趋势图
Figure 12. CO concentration trend chart of building A under different wind speeds
图12. 不同风速下A建筑CO浓度趋势图
Figure 13. CO concentration trend chart of building D under different wind speeds
图13. 不同风速下D建筑CO浓度趋势图
Figure 14. CO concentration trend chart of building B under different wind speeds
图14. 不同风速下B建筑CO浓度趋势图
假设E建筑发生火灾，在E建筑内设置点火装置，分别在各个建筑内设置温度探测器和CO浓度探测器，进行火灾模拟，得到以下模拟结果(图15~25)。
Figure 15. Smoke flow in building E when the wind speed is 0 M/S
图15. 风速为0 M/S时E建筑烟气流动情况
Figure 16. Smoke flow in building E when the wind speed is 1 M/S
图16. 风速为1 M/S时E建筑烟气流动情况
Figure 17. Smoke flow in building E when the wind speed is 2 M/S
图17. 风速为2 M/S时E建筑烟气流动情况
Figure 18. Temperature trend chart of Building E under different wind speeds
图18. 不同风速下E建筑温度趋势图
Figure 19. Temperature trend chart of building C under different wind speeds
图19. 不同风速下C建筑温度趋势图
Figure 20. Temperature trend chart of building D under different wind speeds
图20. 不同风速下D建筑温度趋势图
Figure 21. Temperature trend chart of building A under different wind speeds
图21. 不同风速下A建筑温度趋势图
Figure 22. CO concentration trend chart of Building E under different wind speeds
图22. 不同风速下E建筑CO浓度趋势图
Figure 23. CO concentration trend chart of building C under different wind speeds
图23. 不同风速下C建筑CO浓度趋势图
Figure 24. CO concentration trend chart of building A under different wind speeds
图24. 不同风速下A建筑CO浓度趋势图
Figure 25. CO concentration trend chart of building D under different wind speeds
图25. 不同风速下D建筑CO浓度趋势图
假设C建筑起火，添加风向为正向风和背向风的环境风风况，得到以下模拟结果(图26~33)。
Figure 26. Smoke flow situation in forward wind when wind speed is 2M/S
图26. 风速2M/S时正向风时烟气流动情况
Figure 27. Flue gas flow when facing away from the wind when the wind speed is 2M/S
图27. 风速2M/S时背向风时烟气流动情况
Figure 28. Flue gas flow in forward direction when wind speed is 1M/S
图28. 风速1M/S时正向风时烟气流动情况
Figure 29. Flue gas flow in forward direction when wind speed is 1 M/S
图29. 风速1 M/S时正向风时烟气流动情况
Figure 30. Average temperature trend chart of each wind speed in forward wind
图30. 正向风各风速平均温度趋势图
Figure 31. Average CO concentration trend chart for each wind speed in forward wind
图31. 正向风各风速平均CO浓度趋势图
Figure 32. Average temperature trend chart of each wind speed in the back wind
图32. 背向风各风速平均温度趋势图
Figure 33. Average CO concentration trend chart for each wind speed in the back wind
图33. 背向风各风速平均CO浓度趋势图
4. 模拟结论
4.1. 火灾烟气蔓延
由C、E建筑起火模拟烟气流动图可见：在添加侧向风的情况下，随着风速的增加，着火建筑内部火灾烟气向外窜出的速度逐渐增加，火灾烟气向坡地纵向向下蔓延的趋势也有所降低，而随着风速的增加烟气蔓延至横向建筑和纵向向上的建筑时间缩短幅度较大，说明风速的增加对加快了坡地建筑群火灾烟气横向和纵向向上蔓延，但对于火灾纵向向下蔓延起到了抑制作用。
4.2. CO浓度变化
在C建筑起火当环境风速为1 m/s时建筑A的CO浓度达到峰值点的时间早于其他未起火建筑，建筑A内的CO浓度在8 s左右开始升高，建筑D内的CO浓度在17 s左右才开始升高。当风速为2 m/s时，建筑A的CO浓度达到峰值点的时间有明显增快，建筑D的CO浓度达到峰值点的时间有明显减慢；当E建筑起火时，A建筑CO浓度的峰值点远远高于D建筑，并且CO浓度开始升高时间远远快于D建筑，且随着风速的增大差距越明显。通过以上分析可知：随着风速的增大，沿风向的建筑内部烟气达到峰值浓度的时间越短，CO浓度开始升高时间越快，风速的升高对于坡地建筑群火灾烟气横向蔓延起到了促进的作用，但对于着火建筑来说，风速的升高对于火灾烟气纵向向下蔓延起到了抑制的作用。
4.3. 温度变化
在C建筑起火当环境风速为1 m/s时，建筑ACD的温度分别在85 s、65 s和95 s处开始快速上升并于140 s、130 s、160 s左右时第一次达到峰值，温度分别是101℃、225℃、87℃，建筑BE的温度无明显变化，当风速为2 m/s时，建筑A、C温度快速升高的时间分别缩短了12 s、15 s，建筑D温度快速上升的时间增加了5 s，建筑B、E的温度无明显变化，同时随着风速的升高，A建筑内测点的峰值温度均有所上升。且在E建筑起火时各探点数值与C建筑起火变化相似。通过以上分析可知：由于高温烟气在风的作用发生水平蔓延，并在室内造成集聚，随着风速的升高烟气的横向蔓延大于纵向蔓延导致各建筑内峰值温度上升。
5. 建议
由上述结论分析可得，在坡地建设建筑物时，应提前查阅当地的平均风速和主要风向情况，使建筑物尽量避免建设在主风向位置，同时适当增加坡地建筑间的防火间距，位于较高位置的建筑物应提高其建筑物的耐火等级和加强增设通风系统。在坡地建筑发生火灾时，人员应该迅速疏散到平地，避免往坡地上方逃窜，建议救援人员应根据火灾发生时的环境风实地情况采取有效的着重救援，且在风向变换时注意加强个人防护和调整救援时机。
基金项目
重庆科技大学硕士研究生创新计划项目(YKJCX2220716)。