高大空間建筑排煙的鹽水實(shí)驗(yàn)研究

桂娟 王健 高軍 張智力 朱鳴 宋天珩

高大空間建筑排煙的鹽水實(shí)驗(yàn)研究

桂娟1王健2高軍1張智力2朱鳴2宋天珩2

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院
2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

根據(jù)相似理論，分析了鹽水模型實(shí)驗(yàn)在高大空間建筑排煙研究的可行性、煙氣運(yùn)動(dòng)鹽水模擬實(shí)驗(yàn)方法的相似準(zhǔn)則。建立了高大空間建筑排煙鹽水模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以鹽水和清水之間的密度差模擬空氣的溫度差，用鹽水在清水中的運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)際建筑中熱羽流的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在鹽水中加入染料，可以清晰地觀察到羽流的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及相互作用。研究了高大空間中鹽源強(qiáng)度、排煙量等因素對(duì)排煙效果的影響，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱分層高度、溫度分布變化規(guī)律。

高大空間相似理論鹽水實(shí)驗(yàn)羽流熱分層高度

0 引言

中庭排煙的主要任務(wù)有兩個(gè)：一是在火災(zāi)時(shí)能及時(shí)排除煙氣，把人員，建筑物及設(shè)備的損失降到最低限度；二是及時(shí)排除辦公層火災(zāi)時(shí)涌入中庭的煙氣，防止煙氣層化，減少非著火層工作人員對(duì)火災(zāi)的恐懼感，防止由于恐慌而造成不必要損失。中庭火災(zāi)煙氣擴(kuò)散控制及防排煙技術(shù)是國(guó)際上消防研究領(lǐng)域的前沿問(wèn)題、難點(diǎn)問(wèn)題。

煙氣擴(kuò)散及防排煙技術(shù)的研究與應(yīng)用的途徑有全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)、小尺寸模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。

鹽水模擬是利用一定濃度的鹽水在清水中的流動(dòng)來(lái)模擬火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的方法，由于過(guò)程直觀、可重復(fù)性好、花費(fèi)較低，因此受到重視。1993年，中國(guó)科技大學(xué)建成國(guó)內(nèi)第一個(gè)鹽水試驗(yàn)臺(tái)，在受限空間煙羽流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和蔓延規(guī)律、頂棚射流和頂棚下分層流發(fā)展過(guò)程等方面取得了一系列研究成果，并對(duì)中庭類(lèi)建筑空間煙氣擴(kuò)散分析進(jìn)行了嘗試[1～4]。2004年，南華大學(xué)的彭小勇[5]采用縮比模型的鹽水實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ㄑ芯看罂臻g建筑火災(zāi)中煙氣的流態(tài)：無(wú)排煙的煙氣擴(kuò)散和填充過(guò)程，有自然排煙的煙氣擴(kuò)散過(guò)程和有機(jī)械排煙的煙氣擴(kuò)散并采用PIV對(duì)有自然排煙的室內(nèi)煙氣擴(kuò)散和氣流的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，流場(chǎng)PIV的測(cè)量結(jié)果很好地反應(yīng)了煙氣擴(kuò)散以及誘導(dǎo)清水流動(dòng)的瞬時(shí)流態(tài)。2007年，王磊、高軍[6]采用鹽水實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄑ芯苛俗匀煌L(fēng)，研究了風(fēng)口、熱源及羽流等因素對(duì)通風(fēng)效果的影響，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱分層高度、溫度分布和通風(fēng)量的變化規(guī)律。鹽水實(shí)驗(yàn)是模擬大空間煙氣流動(dòng)的一種有效方法。2014年上海理工大學(xué)的秦俊搭建了鹽水試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于大空間下送風(fēng)中部回風(fēng)形式的分層空調(diào)，運(yùn)用鹽水模型實(shí)驗(yàn)對(duì)回風(fēng)口匯流特性進(jìn)行研究。

縱觀以上鹽水實(shí)驗(yàn)的研究情況，可以看出鹽水實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)直觀、節(jié)約費(fèi)用和清潔環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可以成功地用來(lái)研究火災(zāi)煙氣擴(kuò)散。

在“上海市科委立項(xiàng)項(xiàng)目（09dz1207704）《上海中心大廈綠色超高層建筑關(guān)鍵技術(shù)研究》的子課題——封閉式中庭消防安全技術(shù)研究”的帶動(dòng)下，展開(kāi)對(duì)封閉式中庭排煙技術(shù)的鹽水實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)理論方法介紹

煙氣和鹽水運(yùn)動(dòng)的控制方程如表1。

表1 熱煙氣與鹽水流動(dòng)控制方程

經(jīng)過(guò)無(wú)因次化處理，建筑中庭煙氣擴(kuò)散對(duì)流流動(dòng)的控制方程（不可壓縮）為：

而鹽水密度差對(duì)流運(yùn)動(dòng)的控制方程為（不可壓縮）：

式中：ki=(0,1,0)各準(zhǔn)則數(shù)的定義如下：

顯然，煙氣中的能量傳遞和清水中鹽濃度傳遞過(guò)程是可以類(lèi)比的。因?yàn)橘|(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及Θ和C守恒方形式分別相同，如果鹽水濃度差與空氣溫度差運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則數(shù)Re、Fr、Pr（Sc）數(shù)滿足一定的準(zhǔn)則關(guān)系，則兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程組（1）和（2）是可以相似的。兩種運(yùn)動(dòng)相似的相似準(zhǔn)則數(shù)是Re，F(xiàn)r，G和Pr=Sc。具體對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 兩種運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。1號(hào)模型建筑即為上海中心3區(qū)模型（該模型上下底面為月牙形狀，內(nèi)弧長(zhǎng)為1.5m，外弧長(zhǎng)為1.815m，高為1.2m），用有機(jī)玻璃制成。模型上頂面有機(jī)械補(bǔ)水口、鹽源口和四個(gè)電導(dǎo)率測(cè)試孔，下底面有機(jī)械排水口。2號(hào)是清水箱（2m×1m× 1.8m），用來(lái)模擬建筑周?chē)淖匀画h(huán)境，為保持實(shí)驗(yàn)時(shí)水面高度穩(wěn)定，清水箱設(shè)有溢流管。3號(hào)鹽水箱設(shè)在較高處以確保足夠的作用壓頭，同時(shí)用水泵不斷地從4號(hào)鹽水儲(chǔ)箱中抽水，3號(hào)水箱設(shè)有溢流管，將多余的鹽水送回4號(hào)水箱，使3號(hào)水箱中液面高度恒定，從而保證了穩(wěn)定的作用壓力。5號(hào)為高位清水箱，用來(lái)模擬機(jī)械補(bǔ)水，設(shè)在較高處以確保足夠的作用壓頭，同時(shí)用水泵不斷地從6號(hào)清水儲(chǔ)箱中抽水，5號(hào)水箱設(shè)有溢流管。6號(hào)清水儲(chǔ)箱同時(shí)往2號(hào)清水箱里補(bǔ)水，使2號(hào)清水箱液面穩(wěn)定并稀釋和置換2號(hào)水箱中少量的鹽溶液。7號(hào)為排水箱，水泵8把模型1中的水排到7中。

圖1 鹽水模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

鹽源口的設(shè)計(jì)采用了Hunt和Kaye[7]提出的方法。鹽溶液流過(guò)一個(gè)狹窄的開(kāi)口（直徑25mm），然后流經(jīng)較大的方形空腔，經(jīng)過(guò)一層致密的網(wǎng)后從管口流出。這樣做不僅補(bǔ)償了虛擬源的位置還可以減小鹽水的初始動(dòng)量。

在測(cè)試過(guò)程中，采用電導(dǎo)率儀來(lái)測(cè)得溶液電導(dǎo)率，溶液電導(dǎo)率反映了，溶液中鹽濃度的大小。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將鹽水電導(dǎo)率和鹽水密度進(jìn)行標(biāo)定，用密度計(jì)測(cè)定不同濃度鹽溶液的密度值，再用電導(dǎo)率儀測(cè)得溶液的電導(dǎo)率，得出電導(dǎo)率和鹽水密度之問(wèn)的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖2）。

圖2 鹽水密度和電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的87組鹽水密度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式擬合得到電導(dǎo)率與密度的關(guān)系式為：

式中：Ec為鹽水的電導(dǎo)率值。

本文中1MW和2.1MW的火災(zāi)鹽水實(shí)驗(yàn)配置的密度為1350kg/m3鹽水溶液經(jīng)清水稀釋?zhuān)芏仍?200 kg/m3以下，因此，測(cè)得的電導(dǎo)率密度是一一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。

圖3為建筑模型圖。

圖3 建筑模型

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)研究了三方面的內(nèi)容：鹽源強(qiáng)度對(duì)熱分層的影響；1MW火災(zāi)煙氣填充滿整個(gè)中庭時(shí)間的鹽水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；不同方法確定的排煙量對(duì)穩(wěn)態(tài)熱分層的影響。

表3為根據(jù)常見(jiàn)的排煙量計(jì)算方法計(jì)算得到的上海中心3區(qū)中庭排煙量。

表3 上海中心3 區(qū)中庭排煙量

3.1鹽源強(qiáng)度對(duì)熱分層的影響

圖4為不同鹽源強(qiáng)度下模型建筑內(nèi)密度分布。

圖4 不同鹽源強(qiáng)度下模型建筑內(nèi)密度分布

1.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)和2.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)按CFD法確定排煙量時(shí)：鹽源溶液密度都是ρ= 1350kg/m3，1.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)的鹽源流量為Q0= 1.09m3/h，2.1MW鹽水實(shí)驗(yàn)的鹽源流量為Q0= 2.29m3/h，兩種鹽源強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的機(jī)械排水量都是Q排= 12.45m3/h，機(jī)械補(bǔ)水都是Q補(bǔ)=6.225m3/h，剩余的補(bǔ)風(fēng)來(lái)自3區(qū)中的豎井空間，豎井空間補(bǔ)水為Q補(bǔ)=5.14 m3/h在鹽水實(shí)驗(yàn)中剩余的補(bǔ)水來(lái)自大清水箱。從圖中可以看出，二者熱分層高度h/H相差不大，h/H都在0.20～0.24之間，在誤差允許的范圍內(nèi)可以看作不變。

1.0 MW鹽水實(shí)驗(yàn)和2.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)按上海市規(guī)確定排煙量時(shí)：鹽源溶液密度都是ρ= 1350kg/m3，1.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)的鹽源流量為Q0= 1.09m3/h，2.1MW鹽水實(shí)驗(yàn)的鹽源流量為Q0=2.29m3/h，兩種鹽源強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的機(jī)械排水量都是Q排= 15.533m3/h，豎井空間補(bǔ)水為Q補(bǔ)=5.14m3/h，剩余的全部為機(jī)械補(bǔ)水?？梢钥闯龆叩膆/H都在0.25～0.29之間。

通過(guò)比較1.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)和2.0MW鹽水實(shí)驗(yàn)的熱分層高度可以看出：在排水量和補(bǔ)水量一樣的情況下，熱分層高度與火災(zāi)規(guī)模無(wú)關(guān)，只與排水量和補(bǔ)水量有關(guān)。

3.2上海中心大廈3區(qū)中庭排煙鹽水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上海中心3區(qū)中庭的實(shí)際情況算出采用1MW的火災(zāi)規(guī)模。由前面計(jì)算可以得到1MW火災(zāi)在氯化鈣溶液密度為1350m3/h時(shí)對(duì)應(yīng)的鹽溶液體積流量為Q0=1.09m3/h。用鹽水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1MW火災(zāi)在不開(kāi)啟補(bǔ)水水泵和排水水泵情況下染色鹽水填充滿整個(gè)建筑模型的時(shí)間，待觀察一段時(shí)間已經(jīng)完全填充滿時(shí)，在開(kāi)啟排水水泵和補(bǔ)水水泵，驗(yàn)證在開(kāi)啟排煙系統(tǒng)情況下，染色鹽水層分層的位置到達(dá)穩(wěn)態(tài)熱分層時(shí)需要多長(zhǎng)時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程用相機(jī)拍攝為視頻，從視頻中可以看出染色鹽水填充滿真?zhèn)€模型的時(shí)間為ts=90～100s，開(kāi)啟排水泵和補(bǔ)水泵染色鹽水層達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱分層的時(shí)間為ts=70～80s。

從上面得出的煙氣填滿上海中心3區(qū)中庭的時(shí)間為10.6～11.8min，可以看出高大中庭有很好的儲(chǔ)煙作用，火災(zāi)發(fā)生時(shí)即使排煙系統(tǒng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)失效，由于中庭的儲(chǔ)煙作用，有一定的時(shí)間可供人員逃生。當(dāng)煙氣填充滿整個(gè)中庭再開(kāi)啟排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)時(shí)需要8.25～9.43min使煙氣達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱分層的位置。

3.3不同排煙量對(duì)熱分層的影響

圖5是不同排煙量下模型建筑內(nèi)的密度分布。該實(shí)驗(yàn)是1.0MW的鹽水實(shí)驗(yàn)，鹽源溶液密度是ρ= 1350kg/m3，鹽源流量為Q0=1.09m3/h。

圖5 不同排煙量下模型建筑內(nèi)的密度分布

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》確定排煙量時(shí)最終的熱分層高度h/H在0.15～0.19左右，采用上海市《建筑防排煙規(guī)程》中的“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”確定排煙量時(shí)最終的熱分層高度h/H在0.25～0.29左右，采用CFD火災(zāi)場(chǎng)景模擬分析即現(xiàn)有設(shè)計(jì)確定上海中心3區(qū)中庭排煙量時(shí)最終的熱分層高度h/H在0.20～0.24之間。

本實(shí)驗(yàn)的建筑模型高為1.2m，比例尺為1:50，上海中心3區(qū)中庭的高度為60m，所以可以算出《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》確定排煙量時(shí)最終的熱分層高度在9～11.4m之間左右，采用上海市《建筑防排煙規(guī)程》中的“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”確定排煙量時(shí)最終的熱分層高度在15～17.4m之間，采用CFD火災(zāi)場(chǎng)景模擬分析即現(xiàn)有設(shè)計(jì)確定上海中心3區(qū)中庭排煙量時(shí)最終的熱分層高度在12～14.4m左右。

上海市《建筑防排煙規(guī)程》中的“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”是工程上的經(jīng)驗(yàn)公式，重點(diǎn)考慮火災(zāi)規(guī)模（MW）和清晰高度（m）兩個(gè)參數(shù)，并不能夠體現(xiàn)建筑的空間形狀和面積幾何尺寸，其排煙量的計(jì)算結(jié)果需要與其它計(jì)算方法比較使用。與“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”相比，換氣次數(shù)法通過(guò)體量間接考慮建筑的幾何尺寸，但又缺少對(duì)火災(zāi)規(guī)模的考慮，同樣具有缺點(diǎn)。

中庭火災(zāi)時(shí)煙氣的蔓延與排煙效果與氣流組織、建筑的形狀、火災(zāi)的位置等密切相關(guān)。換氣次數(shù)法和“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”在計(jì)算排煙量的時(shí)候都表現(xiàn)出先天的不足，在不同的項(xiàng)目中主要的欠缺考慮點(diǎn)也不盡相同。因此，有必要運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件對(duì)煙氣控制進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證和優(yōu)化所設(shè)計(jì)的排煙率，最終確定排煙策略。

因此也可以說(shuō)，CFD火災(zāi)場(chǎng)景模擬分析也是確定中庭排煙率的第三個(gè)方法，該方法考慮的因素更多，因此相對(duì)于前面所提及的兩個(gè)基本計(jì)算方法更為科學(xué)合理。

4 結(jié)論

1）在相同的機(jī)械排水量（對(duì)應(yīng)機(jī)械排煙量）、相同的機(jī)械補(bǔ)水量（對(duì)應(yīng)機(jī)械補(bǔ)風(fēng)量）下，1MW和2.1MW的鹽水實(shí)驗(yàn)證明熱分層高度不變，說(shuō)明鹽源強(qiáng)度對(duì)熱分層高度影響不大。

2）1MW火災(zāi)煙氣填滿上海中心3區(qū)中庭的時(shí)間為10.6～11.8min可以看出高大中庭有很好的儲(chǔ)煙作用，火災(zāi)發(fā)生時(shí)即使排煙系統(tǒng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)失效，由于中庭的儲(chǔ)煙作用，有一定的時(shí)間可供人員逃生。

3）CFD火災(zāi)場(chǎng)景模擬分析也是確定中庭排煙率的第三個(gè)方法，該方法考慮的因素更多，相對(duì)高規(guī)排煙量計(jì)算和上海市規(guī)中的排煙量計(jì)算這兩種基本計(jì)算方法更為科學(xué)合理。

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Ana lys is of the Sm oke Move m e nt on La rge Spa c e s Us ing Sa lt-Ba th Sc a le d Mode l

GUI Juan1,WANG Jian2,GAO Jun1,ZHANG Zhi-Li2,ZHU Ming2,SONG Tian-heng2
1 Department of Power Engineering,Tongji University
2 Architectural Design&Research Institute of Tongji University

According to the similarity theory between the brine and the plume,the feasibility,similarity criteria on large spaces using salt-bath scaled model were analyzed.Experimental study was performed in a salt-bath model.The ration between model and prototype was discussed based on similarity theory.Temperature difference in the prototype building was modeled by density difference of brine and fresh water in the scaled model.The height of the interface could be seen clearly and the density profile which simulates the temperature profile in the prototype building could be measured using conduct meter in the model.The movement and interacting of the plume could be observed by adding pigment into the brine.The effect of heat source could also be studied using the salt-bath model.

large spaces,similarity theory,salt-bath experiment,plume,height of the interface

1003-0344（2014）06-011-5

2013-10-18

王健（1958～），男，教授級(jí)高工；同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司（200092）；E-mail:wangjian@tjadri.com

上海市科委立項(xiàng)項(xiàng)目（09dz1207704）