環(huán)境風(fēng)對自然排煙效果的影響研究

高為剛，楊 云

(徐州市消防支隊(duì)，江蘇 徐州 221111)

環(huán)境風(fēng)對自然排煙效果的影響研究

高為剛，楊 云

(徐州市消防支隊(duì)，江蘇 徐州 221111)

為了研究環(huán)境風(fēng)對自然排煙效果的影響，基于FDS模型對不同功率池火災(zāi)在不同風(fēng)速的迎面風(fēng)和背面風(fēng)作用下的排煙效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：迎面風(fēng)對側(cè)墻排煙口的自然排煙有一定抑制作用，且風(fēng)速越大抑制作用越強(qiáng)；背面風(fēng)對側(cè)墻排煙口的自然排煙有一定促進(jìn)作用，且風(fēng)速越大促進(jìn)作用越明顯。根據(jù)研究結(jié)果可知，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境風(fēng)的方向和風(fēng)速，將側(cè)墻排煙口盡量布置在背面風(fēng)一側(cè)，以在發(fā)生火災(zāi)時(shí)達(dá)到良好的自然排煙效果。

側(cè)墻排煙口；環(huán)境風(fēng)；自然排煙；排煙效果

0 引言

大量的火災(zāi)案例證明，建筑火災(zāi)中人員致死的主要原因是煙氣中毒和窒息，由于火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饩哂休^好的流動性，能迅速蔓延至相鄰防火分區(qū)或樓層，進(jìn)而影響人員的安全疏散甚至威脅人員的生命安全，因此在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)必須采取有效的排煙措施[1-2]。目前，排煙方式一般有機(jī)械排煙和自然排煙兩種，前者存在設(shè)備故障等問題，導(dǎo)致機(jī)械排煙系統(tǒng)的可靠性低，因此后者也就成了最穩(wěn)妥、最經(jīng)濟(jì)的排煙方式[3-4]。目前，Grattan[5]、Linden[6]、Cooper[7]、隋學(xué)敏[8]、楊淑江[9]、許兆宇[10]、靖成銀[11]等研究者對自然排煙口的位置、開口數(shù)量、布置方式等因素對自然排煙效果的影響進(jìn)行了大量研究，并得出了具有指導(dǎo)意義的理論模型，而對于自然環(huán)境風(fēng)影響作用下的自然排煙口煙氣流動規(guī)律的研究較少。因此，筆者利用火災(zāi)大渦模擬軟件FDS對火災(zāi)的發(fā)展全過程進(jìn)行模擬，采集自然排煙口的煙氣體積流量數(shù)據(jù)，分析不同環(huán)境風(fēng)作用下自然排煙口煙氣的流動規(guī)律。

1 環(huán)境風(fēng)下自然排煙口煙氣體積流量理論研究

1.1 熱壓作用下排煙口體積流量分析

圖1 自然排煙雙區(qū)模型

當(dāng)豎直自然排煙口位于側(cè)墻時(shí)，則房間內(nèi)高度z處的絕對壓力Pin(z)可表示為(1)式[10]：

Ha+h=z

(1)

式中，h表示距熱煙氣層底部的高度。因此，距地面基準(zhǔn)面z高度處的室內(nèi)外壓差見(2)式：

(2)

假設(shè)室內(nèi)煙氣和空氣皆為理想氣體，當(dāng)建筑物進(jìn)行自然排煙時(shí)，由于室內(nèi)壓力自身的變化值相對于絕對壓力值較小，此處忽略不計(jì)，因此通常條件下氣體狀態(tài)方程可簡化為(3)式：

(3)

假設(shè)室內(nèi)冷空氣層狀態(tài)與環(huán)境空氣狀態(tài)相同，即下部空氣的溫度和密度在火災(zāi)過程中保持與環(huán)境空氣的溫度和密度相等，并使得補(bǔ)氣口面積遠(yuǎn)大于排煙口面積，則在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，補(bǔ)氣口處氣體流速較低，補(bǔ)氣口基準(zhǔn)高度處內(nèi)外壓差ΔP0相對于煙氣密度差引起的熱壓差較小，可以近似認(rèn)為ΔP0=0，(2)式可以簡化為(4)式：

(4)

由于采用側(cè)墻排煙口進(jìn)行排煙，(4)式可以改寫為(5)式：

(5)

此時(shí)由室內(nèi)外壓差引起的水平排煙口處的氣體流速可表示為(6)式：

(6)

1.2 風(fēng)壓作用下排煙口體積流量分析

當(dāng)建筑內(nèi)未發(fā)生火災(zāi)或沒有熱源的情況下，排煙口體積流量只受風(fēng)壓作用的影響[12]。假定建筑所在地面為基準(zhǔn)面，排煙口所在建筑面平均風(fēng)壓系數(shù)為Cp，以氣體流動方向?yàn)檎较颍傻檬彝飧叨葄處的絕對壓力P∞(z)表達(dá)式為：

(7)

室內(nèi)高度z處的絕對壓力Pin(z)表示為：

(8)

式中，ρ∞、ρin表示室外氣體密度和室內(nèi)氣體密度。則高度z處的室內(nèi)外壓差表達(dá)式為：

(9)

假設(shè)建筑內(nèi)沒有火災(zāi)等熱源，室內(nèi)氣體溫度與室外基本相同，則室內(nèi)高度z處的室內(nèi)外壓差表達(dá)式可以改寫為：

(10)

根據(jù)伯努利方程可知，排煙口的氣體流速可以表示為：

(11)

1.3 熱壓和風(fēng)壓共同作用下排煙口氣體流動分析

熱壓和風(fēng)壓共同作用下的自然通風(fēng)可以簡單地認(rèn)為其效果是疊加的[13]，當(dāng)二者共同作用時(shí)，在下層迎風(fēng)側(cè)風(fēng)量增加，下層的背風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)量減少，甚至可能出現(xiàn)排風(fēng)。假定建筑地面為基準(zhǔn)面，建筑高度為H。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，二者共同作用下室內(nèi)高度z處的絕對壓力為Pin(z)：

(12)

室外高度z處的絕對壓力P∞(z)為：

(13)

根據(jù)式(12)、(13)可知，高度z處的室內(nèi)外壓差為：

(14)

2 環(huán)境風(fēng)對側(cè)墻排煙口自然排煙效果影響的模擬分析

2.1 模型的建立

為了研究自然風(fēng)對自然排煙效果的影響，建立基于大渦模擬的全尺寸火災(zāi)計(jì)算模型，模型的長度為9.6m，寬度為7.2m，高為3.6m，模型的側(cè)墻上開有一個面積為1.20m×1.20m的自然排煙口，并在模型側(cè)墻排煙口處設(shè)置煙氣體積流量測量裝置，記錄火災(zāi)全過程中煙氣體積流量，模型的立體圖如圖2所示。由于基于大渦模擬的FDS技術(shù)的模擬精度與網(wǎng)格的大小有著密不可分的關(guān)系，因此將本模型的網(wǎng)格大小設(shè)置為0.25m×0.25m×0.25m，以確保能精確模擬池火災(zāi)發(fā)生及發(fā)展的全過程。

圖2 模型立體圖

2.2 迎面風(fēng)對排煙效果的影響分析

2.2.1 模型計(jì)算條件設(shè)定

模型的計(jì)算條件為：火源位于模型中心部位，其熱釋放速率設(shè)置為120、240、360、480kW，環(huán)境溫度設(shè)置為293K，為了研究迎面風(fēng)對自然排煙口排煙效果的影響，場景設(shè)置1個面積為1.20m×1.20m的側(cè)墻排煙口，場景迎面風(fēng)的風(fēng)速分別設(shè)置為0、1、2、3、4m·s-1。

2.2.2 模擬結(jié)果及分析

為了便于研究，選取300～800s階段側(cè)墻自然排煙口的煙氣體積流量為研究對象。模擬中側(cè)墻排煙口處的煙氣體積流量測量裝置記錄了煙氣的體積流量，圖3、圖4、圖5、圖6為300～800s不同功率火源下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量數(shù)據(jù)。

基于大渦模擬的池火災(zāi)發(fā)展全過程模擬中，煙氣體積流量測量裝置測量開口排煙體積流量，選取300～800s的體積流量數(shù)據(jù)作為研究對象，將記錄數(shù)據(jù)的平均值作為側(cè)墻排煙口的排煙體積流量，圖7為120、240、360、480kW火源不同環(huán)境風(fēng)速下開口的排煙體積流量比較圖。

圖3 120 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖4 240 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖5 360 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖6 480 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速下排煙體積流量比較圖

由圖7可知，不同火源功率、不同風(fēng)速迎面風(fēng)下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量的變化曲線趨勢基本一致。在不同火源功率下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量均表現(xiàn)為隨著迎面風(fēng)風(fēng)速增大而減小。當(dāng)迎面風(fēng)的風(fēng)速從0～4m·s-1時(shí)，120、240、360、480kW火源下側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量降低幅度基本穩(wěn)定，其平均值約為0.021、0.012、0.014、0.009m3·s-1。同時(shí)由圖7可知，當(dāng)火源功率為120kW時(shí)，側(cè)墻排煙口的排煙效率隨著迎面風(fēng)風(fēng)速增加的降低幅度最大，說明火源功率較小時(shí)，由火源產(chǎn)生的熱煙氣造成熱壓比大功率火源小，風(fēng)壓作用對自然排煙起到較大的影響作用。由此可以看出，迎面風(fēng)對側(cè)墻排煙口的自然排煙抑制作用，即當(dāng)迎面風(fēng)的風(fēng)速增加時(shí)，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量減小。

為了進(jìn)一步分析迎面風(fēng)對側(cè)墻排煙口自然排煙效果的影響，以不同場景下迎面風(fēng)為0m·s-1的側(cè)墻排煙口排煙體積流量為參照值，并將迎面風(fēng)為1、2、3、4m·s-1環(huán)境下的側(cè)墻排煙口排煙體積流量與參照值進(jìn)行比較分析，表1為不同功率火源下不同迎面風(fēng)的模擬值與參照值的比較結(jié)果。

表1 不同功率火源下不同迎面風(fēng)的模擬值與參照值的比較結(jié)果

由表1可知，在相同功率火源下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量均隨著迎面風(fēng)風(fēng)速的增加而降低。與迎面風(fēng)為0m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量相比，迎面風(fēng)為1～2m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量的降低幅度較小，排煙效率降低2.24%～12.05%；而迎面風(fēng)為4m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量大幅度降低，排煙效率降低8.29%～28.77%。同時(shí)由表1可知，當(dāng)火源功率為120kW時(shí)，側(cè)墻排煙口的排煙效率隨著迎面風(fēng)風(fēng)速增加的降低幅度最高，說明火源功率較小時(shí)，由火源產(chǎn)生的熱煙氣造成的熱壓比大功率火源小，風(fēng)壓作用對自然排煙起到較大的影響。

2.3 背面風(fēng)對排煙效果的影響分析

2.3.1 模型計(jì)算條件設(shè)定

模型計(jì)算條件：火源位于模型中心部位，其熱釋放速率設(shè)置為120、240、360、480kW，環(huán)境溫度設(shè)置為293K，為研究背面風(fēng)對自然排煙口排煙效果的影響，場景設(shè)置1個面積為1.20m×1.20m的側(cè)墻排煙口，背面風(fēng)的風(fēng)速分別設(shè)置為0、1、2、3、4m·s-1。

2.3.2 模擬結(jié)果及分析

為了便于研究，選取300～800s階段側(cè)墻排煙口的煙氣體積流量為研究對象。模擬中側(cè)墻排煙口處的煙氣體積流量測量裝置記錄了煙氣的體積流量，圖8、圖9、圖10、圖11為300～800s不同功率火源上方側(cè)墻排煙口的排煙體積流量數(shù)據(jù)。

圖8 120 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖9 240 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖10 360 kW火源下開口的煙氣體積流量

基于大渦模擬的池火災(zāi)發(fā)展全過程模擬中，煙氣體積流量測量裝置測量開口排煙體積流量，選取300～800s的體積流量數(shù)據(jù)作為研究對象，將記錄數(shù)據(jù)的平均值作為側(cè)墻排煙口的排煙體積流量，圖12為120、240、360、480kW火源下不同環(huán)境風(fēng)速下開口的排煙體積流量比較圖。

由圖12可知，不同火源功率、不同風(fēng)速背面風(fēng)下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量的變化曲線趨勢基本一致。在不同火源功率下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量均表現(xiàn)為隨著背面風(fēng)的風(fēng)速增大而增大。當(dāng)背面風(fēng)的風(fēng)速為0～2m·s-1時(shí)，120、240、360、480kW火源下側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量增加幅度較小，其平均值約為0.016、0.008、0.011、0.007m3·s-1；而背面風(fēng)的風(fēng)速由3m·s-1增加到4m·s-1時(shí)，不同火源下側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量增加幅度較大，其值約為0.065、0.023、0.016、0.019m3·s-1。由此可見，背面風(fēng)對側(cè)墻排煙口的自然排煙效果有較好的促進(jìn)作用，即當(dāng)背面風(fēng)的風(fēng)速增加時(shí)，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量增大；反之，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量減小。

圖11 480 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖12 不同環(huán)境風(fēng)速下排煙體積流量比較圖

為了進(jìn)一步分析背面風(fēng)對側(cè)墻排煙口自然排煙效果的影響，以不同場景下背面風(fēng)為0m·s-1的側(cè)墻排煙口的排煙體積流量為參照值，并將背面風(fēng)為1、2、3、4m·s-1環(huán)境下的側(cè)墻排煙口排煙體積流量與參照值進(jìn)行比較分析，表2為不同功率火源下不同背面風(fēng)的模擬值與參照值的比較結(jié)果。

由表2可知，在相同功率火源情況下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量均隨著背面風(fēng)風(fēng)速的增加而增加。與背面風(fēng)為0m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量相比，背面風(fēng)為1m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量的增加幅度較小，排煙效率僅提高2.19%～7.50%；而背面風(fēng)為4m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量大幅度提升，排煙效率提高9.54%～36.27%。同時(shí)由表2可知，當(dāng)火源功率為120kW時(shí)，側(cè)墻排煙口的排煙效率隨著背面風(fēng)風(fēng)速增加的提升幅度最高，說明火源功率較小時(shí)，由火源產(chǎn)生的熱煙氣造成的熱壓比大功率火源小，風(fēng)壓作用對自然排煙起到較大的影響作用。

表2 不同功率火源下不同背面風(fēng)的模擬值與參照值的比較結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 迎面風(fēng)對側(cè)墻排煙口的自然排煙有一定抑制作用，在不同火源功率下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量均表現(xiàn)為隨著迎面風(fēng)的風(fēng)速增大而減小，其降低幅度基本穩(wěn)定在0.021、0.012、0.014、0.009m3·s-1；與迎面風(fēng)為0m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量相比，迎面風(fēng)為4m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量降低幅度最大，排煙效率降低8.29%～28.77%。

3.2 背面風(fēng)對側(cè)墻排煙口的自然排煙有一定促進(jìn)作用，在不同火源功率下，側(cè)墻排煙口的自然排煙體積流量均表現(xiàn)為隨著背面風(fēng)的風(fēng)速增大而增大，與背面風(fēng)為0m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量相比，背面風(fēng)為4m·s-1環(huán)境下側(cè)墻排煙口的排煙體積流量增加幅度最大，其值約為0.065、0.023、0.016、0.019m3·s-1，排煙效率提高9.54%～36.27%。

3.3 根據(jù)環(huán)境風(fēng)對自然排煙效果的影響分析可知，在建筑設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境風(fēng)的方向和風(fēng)速，將側(cè)墻排煙口盡量布置在背面風(fēng)一側(cè)，以在發(fā)生火災(zāi)時(shí)達(dá)到良好的自然排煙效果，進(jìn)而降低火災(zāi)煙氣對人員安全疏散的影響。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

On the Effect of the Environmental Wind on the Natural Smoke

GAO Weigang, YANG Yun

(XuzhouMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince221111,China)

In order to investigate the effects of the environmental wind on the natural smoke by FDS based on a large eddy simulation, the different pool fires and the different environmental wind velocity of the face wind and the back wind are simulated by means of an entity FDS model. It is found that the face wind has a certain inhibition on the natural smoke, and the back wind has a certain promotion on the natural smoke. Based on the results of the analysis, the paper suggests that the architectural design process should take full account of the local environment of the wind direction and wind speed, and the sidewall smoke vents should be set up on the back side in order to improve the efficiency of the natural smoke.

sidewall smoke vents; environmental wind; natural smoke; smoke effect

2015-07-20

高為剛(1967— )，男，江蘇豐縣人，高級工程師； 楊云(1983— )，男，河南漯河人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0017-06