外界風(fēng)對(duì)建筑中庭自然排煙的影響

陳 霄，謝 妉

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136)

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，中庭正以其莊重美觀、視野開(kāi)闊、環(huán)境舒適等特點(diǎn)被越來(lái)越多地引入到商業(yè)、展覽、辦公等大型公共建筑內(nèi)。與此同時(shí)，中庭的貫通性也給消防安全設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，火災(zāi)中80%以上死亡者死于煙氣的影響。而中庭內(nèi)通常無(wú)法按照常規(guī)方法劃分防火分區(qū)，易導(dǎo)致煙氣迅速擴(kuò)散，使人員遭受高溫濃煙威脅，極易引起恐慌和擁擠、踩踏現(xiàn)象，影響人員安全疏散。因此，中庭的排煙設(shè)計(jì)是中庭類公共建筑消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分［1，2］。

中庭通常采用的排煙方式有機(jī)械排煙和自然排煙。以往中庭通常采用機(jī)械排煙方式，并已有人做過(guò)相應(yīng)研究［3－7］。機(jī)械排煙初期投資高，而且火災(zāi)猛烈發(fā)展階段排煙效果會(huì)降低，另外，如今越來(lái)越多的中庭由于考慮到美觀和采光的要求而采用玻璃頂棚，造成機(jī)械排煙設(shè)備安裝不便。而自然排煙不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且無(wú)動(dòng)力設(shè)備和投資少，因此越來(lái)越受到青睞，例如北京大劇院、國(guó)家會(huì)議中心均采用了自然排煙方式。

影響自然排煙的因素很多，其中建筑外部環(huán)境風(fēng)(簡(jiǎn)稱為“外界風(fēng)”)是不可忽略的重要因素，而在工程實(shí)踐中，往往將出口邊界條件簡(jiǎn)化處理為自由邊界條件，忽略了外界風(fēng)對(duì)于排煙效果的影響，顯然是不盡合理的，需要分析外界風(fēng)對(duì)于自然排煙的影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，分析了固定風(fēng)向、不同風(fēng)速的外界風(fēng)條件對(duì)中庭建筑自然排煙效果的影響，為中庭建筑自然排煙設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 模型參數(shù)設(shè)置

1.1 基本參數(shù)設(shè)置

本文采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS對(duì)中庭建筑進(jìn)行煙氣模擬分析。中庭尺寸為40m長(zhǎng)(x方向)、24m 寬(y方向)、28m 高(z方向)，模擬設(shè)定邊界為60m×60m×54m。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分為0.5m ×0.5m ×0.5m，總模擬時(shí)間為 600s?；鹪次挥谥型ブ醒?，面積為1m2。根據(jù)美國(guó)NFPA 92B中的建議，未限制可燃物的中庭最小火災(zāi)熱釋放速率為5000kW?；馂?zāi)增長(zhǎng)曲線選用快速t2火，火災(zāi)增長(zhǎng)期時(shí)間為t=327s。

1.2 排煙補(bǔ)風(fēng)參數(shù)

排煙量計(jì)算采用產(chǎn)煙量法［8］，經(jīng)計(jì)算后確定排煙口總面積為12.96m2，個(gè)數(shù)為9個(gè)，尺寸為1.2m×1.2m，采取3行3列，頂棚居中布置。在中庭底部南北兩側(cè)分別設(shè)置尺寸為3.6m×1.8m的自然補(bǔ)風(fēng)口，240s時(shí)排煙口和補(bǔ)風(fēng)口開(kāi)啟。采取外界自然補(bǔ)風(fēng)方案，主要分為無(wú)風(fēng)、均勻風(fēng)、梯度風(fēng)三種狀態(tài)，僅在風(fēng)向與底部開(kāi)口垂直的情況下，分析外界風(fēng)對(duì)于中庭內(nèi)部煙氣流動(dòng)分布規(guī)律的影響。

實(shí)際中，風(fēng)速通常都是不穩(wěn)定的外界因素，風(fēng)速隨高度的變化而變化。根據(jù)空氣運(yùn)動(dòng)的角度分析，高度在0～100m的區(qū)域內(nèi)空氣流動(dòng)受渦流、黏性和地面植物以及建筑物等的影響，風(fēng)向基本不變，但風(fēng)速大小會(huì)隨著高度的增加而增大。而這一變化主要取決于地面粗糙度。

式中:υ—高度為h處的風(fēng)速(m/s);

υ0—基準(zhǔn)高度處的風(fēng)速(m/s);

h0—基準(zhǔn)高度，取10m;

p—粗糙度，取 0.4［9］。

不同地面情況的地面粗糙度如表1所示［10］。

本文所研究對(duì)象的高度遠(yuǎn)低于100m，因此處于風(fēng)速隨高度增大而增大的區(qū)域。假設(shè)研究對(duì)象位于城市，且周圍有高層建筑，粗糙程度設(shè)定為0.4。

表2給出了風(fēng)速取值的一般范圍。由于二級(jí)風(fēng)可以被人感覺(jué)到，三級(jí)風(fēng)可以觀察到旌旗展開(kāi)，風(fēng)速已經(jīng)相當(dāng)大。因此，以二級(jí)風(fēng)速1.6m/s～3.3m/s、三級(jí)風(fēng)速3.4m/s～5.4m/s為參考標(biāo)準(zhǔn)，分別取風(fēng)速為2m/s、5m/s，制定模擬方案如表3所示。

表1 不同地面粗糙度匯總表

表2 風(fēng)速等級(jí)表

表3 不同風(fēng)速情況匯總表

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

沿x方向距離火源10m處布置兩組熱電偶，最低點(diǎn)坐標(biāo)為(10，12，1)最高點(diǎn)坐標(biāo)為(10，12，27)，垂直間距為1m，共計(jì)54個(gè)熱電偶。并設(shè)置了經(jīng)過(guò)火源的溫度、可見(jiàn)度等縱切面，同時(shí)設(shè)置了排煙口附近的壓力和流量切面等，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 模型及排煙口布置示意圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 不同外界風(fēng)對(duì)于火焰傾斜程度的影響

圖2為t=480s時(shí)，不同風(fēng)速條件下x=20m切面上的煙羽流形狀。從上圖可以看出，場(chǎng)景1中，初始風(fēng)速為0m/s即無(wú)外界風(fēng)的情況下，在排煙口和補(bǔ)風(fēng)口開(kāi)啟后，煙羽流基本豎直向上蔓延到達(dá)頂棚，一部分由排煙口排至室外，一部分沿兩側(cè)墻壁逐漸下降，并卷吸空氣使得煙層厚度逐漸增加，但保持對(duì)稱平穩(wěn)下降的趨勢(shì)。

場(chǎng)景2—場(chǎng)景5中，排煙口和補(bǔ)風(fēng)口開(kāi)啟后，單側(cè)外界風(fēng)造成火羽流發(fā)生不同程度的傾斜，風(fēng)速越大，發(fā)生的傾斜角度越大。針對(duì)于均勻風(fēng)來(lái)看，場(chǎng)景2中，羽流傾斜角度在20～30°左右，場(chǎng)景3中，羽流傾斜角度在70～80°左右，并且火羽流幾乎被吹倒，貼近地面，煙羽流半徑被拉長(zhǎng)了3m左右。針對(duì)于梯度風(fēng)來(lái)看，在火災(zāi)初期，火羽流從連續(xù)火焰處便開(kāi)始發(fā)生傾斜。場(chǎng)景4中，火羽流傾斜較小角度;場(chǎng)景5中，火羽流傾斜角度很大。

橫向比較發(fā)現(xiàn)，同一時(shí)刻，均勻風(fēng)造成的煙羽流傾斜角度比梯度風(fēng)稍大，原因可能是均勻風(fēng)在補(bǔ)風(fēng)口附近的風(fēng)速比梯度風(fēng)大，對(duì)煙羽流的擾動(dòng)較大。模擬中還發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景3和場(chǎng)景5中，中庭上方的煙羽流因風(fēng)速過(guò)大而呈現(xiàn)不規(guī)則的跳動(dòng)。

圖2 不同風(fēng)速條件下煙羽流形狀

2.2 不同外界風(fēng)對(duì)于排煙口附近壓力的影響

從X=20m處的壓力切面來(lái)看，在燃燒后期，由于風(fēng)速條件不同，造成室內(nèi)壓力分布有所不同。場(chǎng)景1中，即在無(wú)風(fēng)條件下，室內(nèi)壓力分布隨高度增加而增加，到頂棚附近壓力最大，并且同一高度壓力基本相同。場(chǎng)景2和場(chǎng)景4中，即外界風(fēng)速為2m/s時(shí)，壓力隨高度增加而增加，與無(wú)風(fēng)狀態(tài)下相差不大，不同的是，背風(fēng)面靠近頂棚處壓力稍大于相同高度處周圍其他位置;而背風(fēng)面在中庭1/2高度處附近壓力稍小于相同高度周圍其他位置。另外，梯度風(fēng)與均勻風(fēng)相比，梯度風(fēng)在補(bǔ)風(fēng)口附近形成負(fù)壓漩渦，對(duì)補(bǔ)風(fēng)造成影響。場(chǎng)景3和場(chǎng)景5中，即外界風(fēng)為5m/s時(shí)，室內(nèi)壓力仍隨高度增加而增加，與場(chǎng)景1、場(chǎng)景2和場(chǎng)景4相比，同一高度處壓力較大。即風(fēng)速越大，同一時(shí)刻同一高度處的壓力越小。橫向比較發(fā)現(xiàn)，梯度風(fēng)條件下的頂棚壓力小于均勻風(fēng)條件，但在補(bǔ)風(fēng)口附近同樣形成負(fù)壓漩渦。

2.3 不同外界風(fēng)對(duì)于煙氣溫度的影響

從圖2可看出，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，火源附近最大溫度低于有風(fēng)狀態(tài)，火災(zāi)和初期，火源附近最大溫度的變化不大，主要變化發(fā)生在火災(zāi)中后期，隨著風(fēng)速的增加，火源附近的溫度明顯下降。

圖3 X=20m切面處，不同風(fēng)速條件下壓力分布圖

圖4 不同時(shí)刻、不同外界風(fēng)、不同高度處的測(cè)點(diǎn)溫度分布比較

從測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)點(diǎn)值來(lái)看，燃燒的初始階段(60s內(nèi))，由于補(bǔ)風(fēng)口排煙口均未開(kāi)啟，不同場(chǎng)景測(cè)點(diǎn)溫度基本保持不變。補(bǔ)風(fēng)口開(kāi)啟后，風(fēng)速對(duì)于不同高度處的溫度變化有了明顯的影響。

某高度以下，風(fēng)速越大，測(cè)點(diǎn)溫度值越高;某高度以上，風(fēng)速越大測(cè)點(diǎn)溫度值越低。即溫度大小隨高度變化的變化率隨風(fēng)速增加而減小。例如，420s時(shí)，高度為4m處，場(chǎng)景1、場(chǎng)景2、場(chǎng)景3對(duì)應(yīng)的溫度分別為 20.19°、26.65°、27.39°;而高度為20m處，三個(gè)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的溫度分別為38.49°、37.00°、33.80°。場(chǎng)景 4 和場(chǎng)景 5 中，不同梯度風(fēng)速之間存在相似規(guī)律。說(shuō)明在高度較低的位置，外界風(fēng)助長(zhǎng)了火勢(shì)，同時(shí)使得卷入煙氣中的空氣量增加，造成較高位置的煙氣溫度有所下降。

場(chǎng)景2與場(chǎng)景4、場(chǎng)景3與場(chǎng)景5對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在高度較低處，場(chǎng)景4同一高度測(cè)點(diǎn)溫度高于場(chǎng)景2，同理，場(chǎng)景5測(cè)點(diǎn)溫度高于場(chǎng)景3。在高度大于某一值時(shí)，場(chǎng)景4和場(chǎng)景5的測(cè)點(diǎn)溫度分別略小于場(chǎng)景2和場(chǎng)景3。

540s時(shí)，場(chǎng)景3和場(chǎng)景5的測(cè)定溫度值相差不大，說(shuō)明不同形式的風(fēng)主要影響較低位置的煙氣溫度分布，對(duì)于較高位置的煙氣溫度分布影響不太大。

2.4 不同外界風(fēng)對(duì)于煙氣高度的影響

圖5為根據(jù)N—百分比法［11］計(jì)算得到的不同補(bǔ)風(fēng)速度下煙氣層高度隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，隨著燃燒的進(jìn)行，煙氣層高度逐漸下降，無(wú)風(fēng)的情況下，300s以后，煙氣層下降緩慢，有外界風(fēng)存在時(shí)，煙氣層下降速度加快，且風(fēng)速越大，煙氣層下降的越快。風(fēng)速較大的梯度風(fēng)(場(chǎng)景5)對(duì)于煙氣層的擾動(dòng)較大。

圖5 不同場(chǎng)景中煙氣層高度隨時(shí)間的變化

2.5 不同外界風(fēng)對(duì)于排煙口處煙氣流量的影響

在無(wú)風(fēng)及風(fēng)速較低的情況下，觀察各排煙口流量發(fā)現(xiàn):位于墻角處的排煙口流量較大，排煙口編號(hào)為fp303、fp103、fp1和fp3;位于墻邊處的排煙口流量適中，排煙口編號(hào)為fp302、fp102、fp2和fp203;位于火源上方的排煙口流量較小，排煙口編號(hào)為fp202，且三種類型的排煙口流量區(qū)分較明顯。較大風(fēng)速的梯度風(fēng)(場(chǎng)景5)對(duì)于迎風(fēng)側(cè)排煙口流量的擾動(dòng)很大。

圖6 排煙口流量隨時(shí)間變化的對(duì)比

從9個(gè)排煙口總流量來(lái)看，2m/s均勻風(fēng)對(duì)排煙口總流量基本沒(méi)有影響，2m/s梯度風(fēng)使得排煙口總流量略有增加，而5m/s的外界風(fēng)造成排煙口總流量下降。原因是風(fēng)速大，使得煙氣溫度降低，上升的熱浮力減小，風(fēng)壓造成排煙口附近產(chǎn)生負(fù)壓，但是綜合產(chǎn)生的壓力差小于無(wú)風(fēng)情況下的壓差，由于自然排煙主要靠熱浮力和室外風(fēng)壓為動(dòng)力，所以排煙口流量減少。

從單個(gè)排煙口的最大流量來(lái)分析，排煙口最大流量隨著風(fēng)速的增加而降低。以排煙流量最大排煙口(fp303)為例，無(wú)風(fēng)及輕風(fēng)條件(場(chǎng)景1、場(chǎng)景2和場(chǎng)景4)下，最大排煙流量為8m3/s以上，微風(fēng)條件(場(chǎng)景3)下，最大排煙流量為6m3/s～7m3/s。

2m/s的風(fēng)速使背風(fēng)側(cè)邊墻排煙口(fp302)流量隨時(shí)間的變化率增大，且梯度風(fēng)的變化率更大;5m/s的風(fēng)速使背風(fēng)側(cè)邊墻排煙口(fp302)流量隨時(shí)間的變化率減小，且梯度風(fēng)的變化率改變更大。2m/s的風(fēng)速使迎風(fēng)側(cè)排煙口(fp102)流量隨時(shí)間的變化率稍大于無(wú)風(fēng)的情況，而5m/s的風(fēng)速使其流量相對(duì)于時(shí)間的變化率減小，5m/s梯度風(fēng)使得該排煙口在400s后流量隨時(shí)間減小。

2.6 排煙的情況

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在5種場(chǎng)景條件下，高度為2m的平面上，除背風(fēng)側(cè)補(bǔ)風(fēng)口附近外，其余區(qū)域在600s內(nèi)能見(jiàn)度均高于10m，溫度均高于60℃。

3 結(jié)論

通過(guò)模擬和分析，得出以下初步結(jié)論:

(1)從補(bǔ)風(fēng)對(duì)于火焰傾斜度的影響來(lái)看，單側(cè)外界風(fēng)均會(huì)造成火羽流發(fā)生不同程度的傾斜。風(fēng)速越大，發(fā)生的傾斜角度越大;同一時(shí)刻，均勻風(fēng)造成的煙羽流傾斜角度比梯度風(fēng)稍大。

(2)在無(wú)風(fēng)條件下，室內(nèi)壓力分布隨高度增加而增加，并且同一高度壓力基本相同;風(fēng)速越大，同一時(shí)刻相同高度處的壓力越小;梯度風(fēng)條件下的頂棚壓力小于均勻風(fēng)條件，并在補(bǔ)風(fēng)口附近形成負(fù)壓漩渦。

(3)從補(bǔ)風(fēng)對(duì)于溫度的影響來(lái)看，風(fēng)速越大，火源附近的溫度明顯下降。中庭煙氣溫度大小相對(duì)于高度的變化率隨風(fēng)速增加而減小。不同形式的風(fēng)主要影響較低位置的煙氣溫度分布，梯度風(fēng)條件下測(cè)點(diǎn)溫度高于均勻風(fēng)的情況。

(4)外界風(fēng)使得煙氣層下降速度加快，且風(fēng)速越大，煙氣層下降得越快。

(5)外界風(fēng)對(duì)排煙口流量的影響，從單個(gè)排煙口的最大流量來(lái)分析，排煙口最大流量隨著風(fēng)速的增加而降低。從全部排煙口總流量來(lái)看，2m/s均勻風(fēng)對(duì)排煙口總流量基本沒(méi)有影響，2m/s梯度風(fēng)使得排煙口總流量略有增加，而5m/s的外界風(fēng)造成排煙口總流量下降。從排煙口位置來(lái)分析，5m/s梯度風(fēng)使得迎風(fēng)側(cè)排煙口流量明顯降低，風(fēng)速越大對(duì)煙氣的擾動(dòng)越劇烈。

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