中庭類建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的數(shù)值模擬

王 丹， 吳 強(qiáng)， 劉佳佳

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

中庭類建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的數(shù)值模擬

王 丹， 吳 強(qiáng)， 劉佳佳

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

火災(zāi)場(chǎng)景煙氣流動(dòng)與控制數(shù)值模擬是性能化消防設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。借助Fluent軟件，考慮煙氣產(chǎn)生量、煙氣排放量?jī)梢蛩兀O(shè)計(jì)兩種中庭類建筑火災(zāi)場(chǎng)景，并建立數(shù)值模型。模型邊界條件為:環(huán)境溫度20℃，排煙口速度分別為15.741、11.111 m/s，補(bǔ)風(fēng)口速度1.107 m/s。模擬結(jié)果表明:在火災(zāi)發(fā)生300、900 s時(shí)，兩種場(chǎng)景在6 m處的溫度場(chǎng)小于60℃，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.15%; 900 s時(shí)煙層沉降高度分別為14.0和11.5 m，三者均符合性能化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。該研究對(duì)中庭煙氣控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。

中庭類建筑;火災(zāi)煙氣;溫度場(chǎng);CO含量;煙層高度;數(shù)值模擬

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中庭類高層建筑越來(lái)越多，已經(jīng)發(fā)展成為城市的新標(biāo)志。這些建筑雖然給城市增加了亮麗的風(fēng)景，但也增加了建筑消防的難度。現(xiàn)代建筑的構(gòu)成要素各不相同，傳統(tǒng)消防設(shè)計(jì)規(guī)范已不適用，從而產(chǎn)生了“性能化”為基礎(chǔ)的防滅火設(shè)計(jì)方法。

性能化消防設(shè)計(jì)是運(yùn)用消防安全工程學(xué)的方法和原理對(duì)隨機(jī)建筑的綜合消防性能進(jìn)行評(píng)定，設(shè)計(jì)出特定的符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的消防安全系統(tǒng)模式，以實(shí)現(xiàn)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，保障建筑物內(nèi)的人員生命、財(cái)產(chǎn)安全的最終目標(biāo)。

在進(jìn)行性能化消防設(shè)計(jì)時(shí)，首先分析火災(zāi)本身發(fā)生、蔓延和發(fā)展的規(guī)律，結(jié)合以往火災(zāi)中累積的經(jīng)驗(yàn)和方法，對(duì)可能引起建筑物火災(zāi)的危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)先性計(jì)算和分析，從而確定研究對(duì)象的消防安全指標(biāo)和性能指標(biāo);其次結(jié)合數(shù)值模擬軟件對(duì)起火的因素和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、火災(zāi)煙氣蔓延途徑進(jìn)行數(shù)值模擬，制定出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的消防安全措施;最后對(duì)制定出的消防安全設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，以確保達(dá)到消防安全目標(biāo)［1］。性能化消防設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行煙氣控制與流動(dòng)的模擬。筆者根據(jù)計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)的基本理論，建立火災(zāi)場(chǎng)景下氣體流動(dòng)模型的基本方程，在確定模型邊界條件的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 邊界條件

進(jìn)行中庭類建筑內(nèi)火災(zāi)場(chǎng)景下煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬時(shí)，需考慮煙氣的產(chǎn)生量、防排煙設(shè)置、火災(zāi)場(chǎng)景、模擬邊界條件等因素。

1.1 煙氣產(chǎn)生量

火災(zāi)煙氣的發(fā)展及蔓延受到許多危險(xiǎn)因素的影響，在建筑空間和火災(zāi)規(guī)模確定的情況下，煙氣生成量主要取決于煙羽流的質(zhì)量流量。煙羽流的質(zhì)量流量是由燃燒所需的空氣量、可燃物的質(zhì)量損失速率及上升時(shí)卷吸的空氣量三部分組成的。在可燃物的質(zhì)量損失速率和燃燒所需的空氣量確定的條件下，煙羽流的質(zhì)量流量主要取決于煙羽流在煙層高度處的質(zhì)量流量［2］。文中對(duì)火源位于中庭中心處的場(chǎng)景的排煙量進(jìn)行定量分析，主要研究軸對(duì)稱煙羽流，如圖1所示。

圖1 煙羽流圖(軸對(duì)稱)Fig.1 Plume flow diagram(axsymmetric)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范NFPA 92B［3］，當(dāng)煙層高度(h)不小于平均火焰高度(h1)時(shí)，對(duì)稱煙羽流的質(zhì)量流量計(jì)算方程為

式中:qm——煙羽流的質(zhì)量流量，kg/s;

Qc——對(duì)流熱釋放速率，Qc=0.7Q，kW/m2;

Q——火源熱釋放速率，kW/m2;

h0——虛點(diǎn)火源的高度，除池火外，其他形式

火源h0=0，m。［4］

羽流體積流量計(jì)算方程為

式中:qV——煙羽流的體積流量，m3/s;

ρ0——場(chǎng)景中空氣的密度，取1.2 kg/m3;

例如，在學(xué)習(xí)關(guān)注心血管疾病的相關(guān)知識(shí)時(shí)，教師可以將心血管疾病的并發(fā)原因向?qū)W生進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)然在生活中有很多的并發(fā)原因都是因?yàn)椴划?dāng)?shù)娘嬍澈蜕盍?xí)慣造成的，所以教師有必要針對(duì)生物知識(shí)進(jìn)行深入地講解，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生在日常生活中，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成正確健康的飲食和生活習(xí)慣，避免疾病的發(fā)生。

θ0——環(huán)境溫度，℃;

c——比熱容，取1.01 J/(kg·K)。

1.2 煙氣排煙量

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外常用的防排煙系統(tǒng)的排煙方式有自然排煙方式、機(jī)械排煙方式、加壓送風(fēng)方式三種。文中采用機(jī)械排煙方式。

根據(jù)GB 50045—95《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定，如果中庭的體積小于17 000 m3時(shí)，排煙量(Q1)按照中庭體積的6次/h換氣計(jì)算;如果體積大于17 000 m3時(shí)，排煙量按照中庭體積的4次/h換氣計(jì)算，排煙量不得低于102 000 m3/h［5］。

1.3 火災(zāi)場(chǎng)景

根據(jù)克勞特的建議，燃料受限的大空間中，熱釋放速率可取225 kW/m2;如果可燃物較多時(shí)，熱釋放速率可取500 kW/m2［6］。文中火災(zāi)荷載可燃物較多，所以熱釋放速率可取500 kW/m2?；馂?zāi)設(shè)定為穩(wěn)態(tài)火，火災(zāi)區(qū)域位于中庭中心部位，火源面積3 m× 3 m，最大放熱量4 500 kW。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)兩個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景。方案一、二的排煙風(fēng)機(jī)均勻設(shè)置在中庭的頂部位置;補(bǔ)風(fēng)口均采取自然補(bǔ)風(fēng)的方式，文中假設(shè)兩個(gè)自然補(bǔ)風(fēng)口位于卷簾處［7］。模擬場(chǎng)景具體方案設(shè)計(jì)如表1所示，其中，P為風(fēng)機(jī)功率，Q2為風(fēng)量，n為排煙口數(shù)量。

表1 中庭類煙控系統(tǒng)方案Table 1 Scheme of smoke control system of atrium

1.4 模擬邊界條件

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況是否相似的關(guān)鍵在于模擬邊界條件的設(shè)定。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)置邊界條件，見(jiàn)表2，其中，vp為排煙口速度，vb為補(bǔ)風(fēng)口速度。

表2 模擬的邊界條件Table 2 Simulation of boundary conditions

2 數(shù)值模型及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 數(shù)值模型

利用Fluent軟件中的Gambit進(jìn)行建模。中庭類大型商業(yè)廣場(chǎng)的內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)均非常復(fù)雜，因此文中將較為復(fù)雜的商業(yè)廣場(chǎng)(圖2a)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的立體模型(圖2b)。

圖2 方案模型Fig.2 Physical model of case

2.2 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)目前還沒(méi)有性能化防火的具體規(guī)范，所以對(duì)模擬結(jié)果的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)確切規(guī)定，筆者結(jié)合國(guó)外的性能化規(guī)范得出性能判定標(biāo)準(zhǔn)［8］:

(1)空間溫度。大于2 m空間內(nèi)的煙氣溫度θ≤180℃;小于或等于2 m空間內(nèi)的煙氣溫度θ≤60℃，能見(jiàn)度大于10 m。

(2)CO含量?；馂?zāi)發(fā)生的最初階段w(CO)≤0.20%;前6 min內(nèi)w(CO)≤0.15%;前15 min內(nèi)w(CO)≤0.08%。一般采用w(CO)＜0.15%為判定標(biāo)準(zhǔn)。

(3)煙層沉降高度。三維商業(yè)廣場(chǎng)中庭主要是作為大賣場(chǎng)促銷場(chǎng)所，同時(shí)該中庭在二樓兩側(cè)扶梯處有休息區(qū)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為了防止煙氣層沉降到休息區(qū)內(nèi)及安全疏散高度以下影響人員疏散，保守地將煙氣層高度設(shè)定6 m，即一層高度4 m與二層高度2 m之和。

3 結(jié)果分析

3.1 煙氣溫度

方案一和方案二在火災(zāi)發(fā)生300、900 s時(shí)的煙氣層溫度場(chǎng)分布如圖3所示(取中庭中心處截面)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生300 s時(shí)，方案一和方案二的煙層比較稀薄，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的煙氣層，6 m處溫度均在23～25℃之間;900 s時(shí)，煙氣層高度6 m處，方案一平均溫度為28℃，方案二平均溫度為31℃。兩種方案在6 m處的溫度均小于60℃，符合性能化判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature field distribution

3.2 CO量

方案一和方案二在火災(zāi)發(fā)生300、900 s時(shí)CO含量分布情況如圖4所示(取中庭中心處截面)。

圖4 CO含量的分布Fig.4 CO concentration distribution

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生300 s時(shí)，方案一和方案二產(chǎn)生的CO量接近;900 s時(shí)，煙氣層高度6 m處，方案一CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.008 5%，方案二CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.011 5%。兩種方案的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.15%，符合性能化判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 煙層沉降高度

根據(jù)方案一和方案二的溫度、CO含量分布可以得到煙氣層隨時(shí)間的沉降情況，如圖5所示。

圖5 煙氣層高度發(fā)展曲線Fig.5 Smoke height development in graph with two scheme

從圖5可以看到，在火災(zāi)發(fā)生初期(200 s之內(nèi))煙氣層高度基本沒(méi)有沉降;隨著火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，熱煙氣充滿中庭的上部空間，導(dǎo)致煙氣層高度隨著時(shí)間的增加而不斷下降。模擬結(jié)束時(shí)，方案一和方案二的煙氣層與中庭地面的高度分別為14.0、11.5 m。從模擬的數(shù)據(jù)來(lái)看，在900 s時(shí)方案一和方案二的煙氣層高度均符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

以上分析表明:方案一和方案二在溫度場(chǎng)、CO含量分布及煙氣層高度三個(gè)方面均符合性能化消防設(shè)計(jì)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，方案一和方案二的安全性較為接近，這說(shuō)明排煙量為170 000和120 000 m3/h的煙控系統(tǒng)排煙效果相差不明顯，也就是說(shuō)排煙量不可無(wú)限制的增大，這樣會(huì)造成無(wú)謂的經(jīng)濟(jì)投入。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Fluent軟件對(duì)不同火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在模擬過(guò)程中所設(shè)計(jì)的防排煙系統(tǒng)情境下，火災(zāi)溫度、CO含量以及煙氣層沉降高度均符合性能化消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)確切建筑物的空間特點(diǎn)進(jìn)行消防設(shè)計(jì)，既達(dá)到安全目標(biāo)又盡可能的經(jīng)濟(jì)，優(yōu)化了中庭類建筑火災(zāi)煙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。但是，實(shí)際火災(zāi)發(fā)生過(guò)程千變?nèi)f化，其影響因素多種多樣，數(shù)學(xué)模型只能對(duì)實(shí)際物理現(xiàn)象進(jìn)行近似描述。該研究尚存在不足之處，即數(shù)學(xué)模型中對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，后續(xù)工作應(yīng)著眼于如何真實(shí)模擬、再現(xiàn)火災(zāi)場(chǎng)景，進(jìn)一步完善現(xiàn)有火災(zāi)煙氣流動(dòng)模型，為火災(zāi)模型從學(xué)術(shù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

［1］霍 然，袁宏永.性能化建筑防火分析與設(shè)計(jì)［M］.合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2003:67－71.

［2］RICHARD L P CUSTER，BRIAN J，MEACHAM P H D.SFPE engineering guide to performance-based fire protection analysis and design of buildings［C］.USA:National Fire Protection Association，2000.

［3］胡隆華，霍 然，李元洲.澳大利亞性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)淺析及啟發(fā)［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2002(3):18－20，25.

［4］NFPA.NFPA 92B Guide for smoke management system in malls，atria and large areas［S］.［S.l.］:National Fire Protection Association，1995.

［5］中華人民共和國(guó)公安部.GB 50045—95高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

［6］JOHN H K.New developments in atrium smoke management［J］.Ashrae Transactions，2000，106(1):620－626.

［7］韓占中，王 敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2008:198－213.

［8］公安部消防局，公安部天津消防研究所.GA 503—2004建筑消防設(shè)施檢測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

Numerical simulation of smoke movement in fires on atrium buildings

WANG Dan，WU Qiang，LIU Jiajia
(College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Numerical simulation of smoke movement and control in fires is a key for performancebased fire safety design.In consideration of the output and discharge of smoke，two fire scenes of buildings with atrium are designed and a numerical model is established with the help of Fluent software.The terminal conditions of the model include:ambient temperature is 20℃，the speed of smoke vent is 15.741 m/s and 11.111 m/s respectively，and the speed of wind compensating vent is 1.107 m/s.As a result:when fires have been on for 300 s and 900 s，the temperature field of the two scenes is lower than 60℃ at the height of 6 m，the mass fraction of CO is less than 0.15%;at 900 s，the smoke layer interface height is 14.0 m and 11.5 m respectively.All the three values meet performance standard.This research has practical value for engineering designs of smoke management system in atrium.

atrium buildings;fire smoke;temperature field;CO content;smoke height;numerical simulation

TU972.4

A

1671－0118(2012)02－0207－04

2012－02－24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50476033);河南省杰出人才創(chuàng)新基金項(xiàng)目(0421000800)

王 丹(1985－)，女，河南省焦作人，助教，碩士，研究方向:火災(zāi)防治理論與技術(shù)、安全評(píng)價(jià)，E-mail:wangyiran85@163.com。

(編輯荀海鑫)