防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬*

王利霞

(山西大同大學 建筑與測繪工程學院， 山西 大同 037003)

隨著人口的增長以及城市的發展，城市中的建筑物數量不斷增加，建筑防火問題受到了人們廣泛的關注[1].建筑物的結構越來越復雜，當建筑物內發生火災時，復雜的結構不利于安全疏散和火災撲救，容易造成嚴重的財產損失和人員傷亡[2].經大量的調查發現，在建筑火災中窒息和煙氣中毒是造成人員傷亡的主要原因.火勢由于高溫煙氣的迅速蔓延和流動會不斷擴大，因此需要將消防排煙系統設置在建筑防火系統中，有效地對煙氣進行控制[3-4].在建筑防火系統中，消防排煙控制技術還存在不足，因此需要對消防煙氣的控制進行模擬.當前暖通消防煙氣控制模擬方法存在模擬精度低和控制效果差的問題，需要對暖通消防煙氣控制模擬方法進行研究.

李俊梅等[5]提出基于擴散特性的消防煙氣控制模擬方法，該方法分析火源位置對煙氣溫度分布、支路隧道煙氣質量流量分配的影響，根據分析結果獲得煙氣流動的擴散特性，實現消防煙氣控制的模擬，該方法得到的模擬結果與實際結果之間的誤差較大，存在模擬精度低的問題.馬礪等[6]提出基于FDS的消防煙氣控制模擬方法，該方法通過FDS模擬軟件在隧道風機輔助站臺排煙、站臺排煙、自然排煙三種模式下分析不同火源位置一氧化碳濃度分布、樓梯口風速、能見度和人眼特征高度處溫度，實現消防煙氣控制的模擬，采用該方法控制后能見度沒有提高，存在控制效果差的問題.肖益民等[7]提出基于傳熱模型的消防煙氣控制模擬方法，該方法考慮流量和氣流溫度對建筑結構造成的影響，根據分析結果建立傳熱模型，通過確定邊界換熱、初始溫度分布和傳熱影響深度等定解條件，獲得離散方程組，在網絡計算模型中導入結構傳熱，獲得建筑結構傳熱量、熱量分布和溫度分布，實現消防煙氣控制的模擬，該方法構建的離散方程組精準度較低.

為了解決上述方法中存在的問題，提出防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法.本文方法主要內容及創新點包括：1)構建基本守恒方程分析防排煙系統中煙氣及溫度場分布特征，通過基本守恒方程能夠精準地分析系統中煙氣、溫度具體分布情況，結合能量質量守恒定律，在保證模擬結果符合客觀事實的基礎上提升數據的切實性、可靠性；2)采用湍流方程深入分析防排煙系統煙氣湍流耗散率，并在前人研究基礎上考慮了剪力產生項及浮力產生項的影響，以此提升CFD模擬的模擬精度；3)分析CFD技術及應用過程；4)仿真模擬.

經上述過程完成防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬，經實驗驗證本文方法能夠有效模擬出暖通消防煙氣分布狀況，該方法實際應用性較高.

1 煙氣擴散模擬數學模型

1.1 基本守恒方程

首先需分析防排煙系統中暖通消防煙氣擴散狀態，結合能量守恒定律獲取符合客觀事實的煙氣擴散運動數據，為后續分析提供理論數據.設u、v、w為在空間x、y、z三個方向中的速度分量；p為流場對應的壓力；C為煙氣對應的濃度；θ為溫度場參數.煙氣在防排煙系統中的流動通常遵循能量質量守恒定律，即組分方程、能量方程、連續性方程和動量方程.

連續方程的表達式為

(1)

式中：ρ為排煙密度；xi為質量.

能量方程的表達式為

(2)

式中：cp為氣壓對應的定壓比熱容；qb為燃燒產生的熱源項；qr為輻射熱源項；λ為氣體對應的導熱系數.

動量方程的表達式為

(3)

組分方程的表達式為

(4)

式中：Cs為s組分氣體對應的質量分數；ws為s組分氣體在燃燒過程中的化學反應生成率；D為s組分氣體對應的擴散系數.

通過式(3)～(4)完成防排煙系統中暖通消防煙氣擴散運動的動量與組分分析，基于上述計算得到煙氣相關數據，為分析暖通消防煙氣控制的CFD模擬[8]提供可行數據.

1.2 湍流方程

由于煙氣在暖通管道中會產生湍流運動，因此在結合基本守恒方程的基礎上，需根據湍流方程分析其在暖通管道中湍流運動狀態.浮力作用下的湍流流動可以用來描述氣流在火災過程中的流動[9-10].為了更精準分析火源產生煙氣的流向，本文將對暖通管道中煙氣流動方向進行模擬，通常情況下，暖通管道分為單向流入和雙向流入，根據該特點進行煙氣流動模擬.

結合前文可知，在湍流過程中各物理量都是瞬時值，在上述基本方程中引入脈動速度φ′，獲得Reynolds時均方程組，即

(5)

(6)

湍流動能K方程的表達式為

Gk+Gb-ρε

(7)

式中：k為黏滯力；vl為湍流順時速度；σk為瞬時壓力；ε為慣性力；Gk為剪力產生項；Gb為浮力產生項.Gk和Gb的計算公式分別為

(8)

(9)

式中：uj為橫向外力；gi為煙氣重力.

湍流耗散率方程的表達式為

(10)

式中：σε為摩擦力；V為速度梯度.

基于上述公式完成暖通消防煙氣擴散過程的參數計算，可為暖通消防煙氣控制CFD模擬提供理論數據.

2 煙氣控制模擬

2.1 CFD技術

在CFD技術中通過有限差分法對描述流體的運動方程進行求解.采用CFD技術的求解流程如圖1所示.

防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法通過CFD技術對數學模型進行求解，檢測迭代求解方程是否收斂，若未收斂，則需要修改系數，并將修改的系數重新代入離散方程，繼續進行迭代求解，直到方程已經收斂為止，獲取可視化計算結果，為暖通消防煙氣控制模擬提供依據.

2.2 煙氣控制分析與優化

當長條形火源的邊長ds大于短邊3倍以上時，火焰在火源上方對應的高度為z1，其計算公式為

圖1 CFD技術求解流程Fig.1 Flow chart of solving process by CFD technique

(11)

式中，Qc為熱釋放速率.熱釋放速率與其對流部分之間的關系為

Qc=Q/1.5

(12)

式中，Q為對流熱量.計算z1

(13)

設θm為煙流平均溫度，其計算公式為

(14)

式中：cq為煙流氣體對應的定壓比熱容；θ0為環境溫度.設V為煙流體積流率，其計算公式為

(15)

式中，ρ0為煙流濃度.為了解決溫度迅速惡化、出口能見度低的問題，可以增大建筑物排煙口的尺寸，提高排煙風速，實現暖通消防煙氣控制.通過上述過程實現防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬，為了驗證防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法的整體有效性，需要對防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法進行測試.

3 實驗結果與分析

綜合考慮模擬耗時和模擬精度，將網格單元數設置為244×50×8，將網格單元大小設置為0.4 m×0.4 m×0.41 m.本次實驗將模擬一個2 000 m2的室內環境，其消防煙道豎井高度為30 m，送風主管長度為5 m，煙氣流動以雙向流動類型為主，并將單個排煙口對應的排煙量設置為0.5 m3/s，排煙風速為4 m/s，排煙口尺寸為500 mm×250 mm，排煙量較小.排煙口邊界條件設為Exhaust，排煙口的啟動方式為煙感探頭響應后1 min啟動，設置出口邊界為Open類型，環境溫度為25 ℃.根據《建筑設計防火規范》，結合建筑出口寬度和面積等參數，設定模擬時間為600 s.對建筑平面結構進行分析，選取具有代表性的四個火源位置，火源名稱分別為ABCD.將火源的尺寸設置為8 dm×1 dm，熱釋放速率曲線在火源增長階段為t2型，將火災荷載密度設定為645 MJ/m2，其具體分布如圖2所示.

圖2 火源位置模擬圖Fig.2 Simulation of fire source location

采用仿真方式根據日常產煙量輸入煙氣相關數值，以單向流入的暖通系統為例，分別采用防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法、基于擴散特性的消防煙氣控制模擬方法和基于FDS的消防煙氣控制模擬方法進行測試，對比三種控制方法的控制效果，以防排煙系統煙氣熱量為指標進行測試.為避免測試結果因主觀因素造成數據不確定性，本次實驗將采用同一款防排煙系統，并對防排煙系統進行調制處理，測試結果如圖3所示.

輸入大小一致的煙氣量，并在等長的單位時間內進行檢測，測試結果如圖4所示.

圖4 不同控制方法下防排煙系統煙氣熱量Fig.4 Smoke heat in smoke prevention system with different control methods

由圖4可知，本文方法控制下，系統中的煙氣能夠有效排出，避免煙氣過多地堆積在系統中，而其他兩種方法在單位時間內防排煙效果差.這種現象是因為防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法采用CFD技術對構建的數學模型進行求解，提高了防排煙系統中暖通消防煙氣的控制效果.將能見度作為指標進一步驗證不同方法的有效性，排煙狀態下，空氣能見度計算公式為

(16)

式中：E為煙霧控制效率；t1為煙霧釋放時間；θ∞為環境空氣溫度；cρ為空氣定壓比熱容；ρ∞為煙霧濃度.由于其他條件相同，不同方法的煙霧控制效率不同，導致不同方法能見度也不同，測試結果如圖5所示.

圖5 不同方法能見度對比圖Fig.5 Visibility comparison of different methods

由圖5可知，隨著時間的推移，三種方法的能見度都有所提高，但基于擴散特性的消防煙氣控制模擬方法控制后的能見度變化不大，而本文方法控制后的能見度最高，驗證了本文方法的整體有效性.

4 結 論

當建筑物內發生火災時，由于大多數人對建筑物內部結構不熟悉，不易察覺發生的緊急事件，當緊急事件發生后容易產生混亂，造成大量的人員傷亡，需要對暖通消防煙氣控制進行模擬.當前暖通消防煙氣控制模擬方法存在模擬精度低和控制效果差的問題.提出防排煙系統中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法，通過高精度的模型對暖通消防煙氣進行模擬，根據模擬結果對其進行優化控制，為消防煙氣控制技術的發展奠定了基礎.