基于CFD方法的室內(nèi)步行街排煙方案分析

王 艷， 吳超鵬

（1.安徽省合肥市公安消防支隊，安徽 合肥 230001；2.中國科學技術(shù)大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230027）

0 引 言

商業(yè)綜合體建筑的主要特點是平面布局上采用室內(nèi)步行街將沿街商鋪、百貨、娛樂等功能業(yè)態(tài)相連接，各層間通過中庭貫通，如圖1所示?？紤]到人員疏散的順暢性，室內(nèi)步行街廊道、沿街店鋪和中庭一般劃分為一個大的防火分區(qū)，人員通過室內(nèi)步行街廊道進行疏散。煙氣是火災中威脅人員安全最關(guān)鍵的因素，因此，研究作為人員安全疏散關(guān)鍵通道的室內(nèi)步行街區(qū)域的防排煙方案具有重要的意義。

室內(nèi)步行街區(qū)域的防排煙系統(tǒng)可分為如下3部分：店鋪內(nèi)排煙、室內(nèi)步行街各層廊道排煙和中庭頂部排煙，如圖2所示。在實際工程設(shè)計中，店鋪內(nèi)排煙一般采用機械排煙方式；回廊排煙有時按機械排煙方式設(shè)計，有時不設(shè)排煙；而中庭頂部排煙在部分工程按機械排煙方式設(shè)計（排煙口設(shè)在天窗側(cè)面或頂部），部分工程按自然排煙方式設(shè)計（排煙口設(shè)在天窗側(cè)面或頂部）。

圖1 典型室內(nèi)步行街平面布局

圖2 室內(nèi)步行街排煙示意圖

目前，研究人員對單一中庭排煙方案的研究較多，文獻［1］對中庭火災煙氣的流動做了理論和實驗的對比研究；文獻［2］對中庭煙氣控制方法及相應的防排煙措施做了討論；文獻［3］對商場中庭自然排煙有效性進行了分析；文獻［4］對帶回廊的超高中庭機械排煙系統(tǒng)的排煙效果進行研究，分析了機械排煙量對排煙效果的影響。對室內(nèi)步行街形式的防排煙方案研究較少，現(xiàn)有研究主要是針對某個特定的商業(yè)街，設(shè)定幾個機械排煙或者自然排煙的工況進行模擬分析，其分析重點往往在于求解該商業(yè)街排煙系統(tǒng)的經(jīng)濟性和有效性，即求出最小有效機械排煙量或自然排煙口面積，較少考慮室內(nèi)步行街3個區(qū)域排煙（店鋪內(nèi)排煙、室內(nèi)步行街各層廊道排煙和中庭頂部排煙）的相互關(guān)聯(lián)［5］。因此，本文擬對室內(nèi)步行街3個區(qū)域的不同排煙組合方式進行數(shù)值模擬，分析煙氣的蔓延情況，研究室內(nèi)步行街區(qū)域防排煙方案的排煙效果。

模擬火災煙氣運動可用計算流體動力學（CFD）方法，CFD方法的思想是對計算區(qū)域劃分為數(shù)量眾多的網(wǎng)格單元，對每個網(wǎng)格單元求解質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、組分守恒方程等獲得數(shù)值解，方便地計算出建筑空間的溫度場、能見度等參數(shù)分布情況。

本文采用美國標準技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）開發(fā)的火災動力學模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）作為研究工具。

1 FDS介紹

FDS模擬軟件是使用大渦模擬技術(shù)的計算流體動力學（CFD）軟件，通過數(shù)值方法求解Navier－Stokes方程來分析燃燒過程中煙氣流動過程和傳熱過程［1］。FDS中的燃燒模型通常采用混合分數(shù)模型，認為燃料和氧氣的反應速度無限快。反應物和燃燒產(chǎn)物可以聯(lián)合氣體狀態(tài)方程以及組分守恒方程求解得到。求解FDS控制方程組的核心算法是一種顯式的預估－校正方法，時間和空間的精度都為2階［6］。下面給出FDS基本控制方程組。

連續(xù)方程：

組分守恒方程：

動量守恒方程：

能量輸運方程：

狀態(tài)方程：

其中，ρ為流體密度；u流體速度；˙mb?為火災噴淋或化學反應產(chǎn)生的煙顆粒等源項；t為時間；Yα為α組分的質(zhì)量分數(shù)；Dα為α組分的擴散系數(shù)；˙mα?為α組分的化學反應源項；˙mb，α?為α組分化學反應產(chǎn)生的煙顆粒等源項；p為流體壓力；g為重力加速度；fb為外界力；τij為流體剪切力；hs為流體顯焓；˙q?為熱釋放 速率；˙qb?為噴淋液滴吸收熱量速率；˙q″為熱傳導和熱輻射速率；ε為黏性耗散湍動能；R為氣體常數(shù)；T為氣體溫度；為氣體平均分子量。

2 室內(nèi)步行街模型

本文模擬的室內(nèi)步行街模型共3層，長60m、寬40m、高15m、每層高5m，如圖3所示?；馂奈恢梦挥谝粚由啼?，為考察室內(nèi)步行街溫度、能見度的變化，在A、B、C 3個位置分別設(shè)3個監(jiān)測點，監(jiān)測點高度為13～15m，相鄰2個監(jiān)測點高度方向間距為1m。

圖3 室內(nèi)步行街圖示

3 模擬工況設(shè)計

3.1 熱釋放速率

火災規(guī)?？赏ㄟ^熱釋放速率來表征，通常認為火災中熱釋放速率是按時間的平方增長的，常稱為t2火，文獻［7］給出了火災熱釋放速率隨時間的關(guān)系［7］，即

其中，為熱釋放速率；t為時間；tg為標準增長時間常數(shù)，商鋪火災一般為快速增長火，取值為150s。

［8］，本文模擬3、8MW 2種最大熱釋放速率的火災情況。

3.2 防排煙方案設(shè)計

3.2.1 商鋪及回廊排煙設(shè)計

商鋪采用機械排煙方式，排煙量按房間面積每平方米60m3／h設(shè)計?；乩炔捎脵C械排煙方式，排煙量按防煙分區(qū)面積每平方米60m3／h設(shè)計。本文將考察回廊排煙在正常動作和失效2種工況下的煙氣蔓延情況。

3.2.2 中庭頂部排煙設(shè)計

（1）機械排煙方式。參考NFPA92B，中庭的機械排煙量可根據(jù)以下方程組計算［1］：

其中，m為高度z處的羽流質(zhì)量流率；Qc為火災釋熱的對流部分，取值為的0.7倍；z為煙氣層界面到火源上表面的距離，本文取值12m；zl為火焰高度；V為機械排煙量；ρ為煙氣密度；patm為大氣壓，取值為101 325Pa；R為氣體常數(shù)，取值為8.314J／（mol·K）；Ts為煙氣的絕對溫度；T0為環(huán)境溫度，取值為293K；cp為空氣的定壓比熱，取值為1.02kJ／（kg·K）。

根據(jù)（7）～（12）式可計算得到本文室內(nèi)步行街模型發(fā)生3MW火災時，中庭機械排煙量的理論值約為19×104m3／h。

（2）自然排煙方式。參考文獻［8］第 5.2.7條的規(guī)定，采用自然排煙方式所需自然排煙口面積可根據(jù)下式計算：

其中，Av為排煙口的截面積；A0為所有進氣口的總面積，室內(nèi)步行街模型的進氣口為首層聯(lián)通室外的門，所有門全部開啟，總面積為40m2；Cv為排煙口流量系數(shù)（通常選定在0.5～0.7之間），計算中取0.5；C0為進氣口流量系數(shù)（通常約為0.6）；g為重力加速度；db為排煙窗下煙氣的厚度，排煙窗開設(shè)在采光頂側(cè)墻1m高時，取值為4m。

根據(jù)（7）～（13）式可計算得到本文室內(nèi)步行街模型發(fā)生3MW火災時，中庭自然排煙口面積的理論值約為48m2。

3.3 模擬工況匯總

綜上所述，結(jié)合回廊排煙動作與否、中庭排煙方式、中庭頂部排煙口布置位置等因素，本文對16個工況進行數(shù)值模擬，考察不同防排煙方案的煙氣蔓延情況。模擬工況匯總見表1所列。所有工況的模擬初始溫度均為20℃，初始壓力為標準大氣壓，工況5～8、13～16的排煙面積為48m2。

表1 火災工況設(shè)計結(jié)果

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 中庭上層煙氣溫度

本文采用監(jiān)測點的平均溫度來表征中庭上層空間的煙氣溫度，即

3、8MW火災時中庭上層空間的溫度隨時間的變化如圖4所示。從圖4可以看出，3MW火災時，采用機械排煙方式的工況1、2、3、4的溫度分別比相同條件下采用自然排煙方式的工況5、6、7、8的溫度要低；8MW火災時，同樣是采用機械排煙方式的工況9、10、11、12的溫度比相同條件下采用自然排煙方式的工況13、14、15、16的溫度要低。結(jié)果表明，相同條件下，中庭頂部采用機械排煙方式比自然排煙方式排煙效果更好。

從圖4還可看出，無論中庭頂部采用機械排煙方式還是自然排煙方式，回廊設(shè)置排煙的工況1、2、5、6、9、10、13、14的溫度分別比相同條件下回廊不設(shè)置排煙的工況3、4、7、8、11、12、15、16的溫度低。結(jié)果表明，回廊設(shè)置排煙有助于降低商鋪火災對中庭的煙氣危害。

從中庭排煙口布置方式角度分析可以看出，對于中庭機械排煙方式，排煙口按側(cè)面布置的工況1、3、9、11的溫度與按頂部布置的工況2、4、10、12的溫度差異較??；對于中庭自然排煙方式，排煙口按高側(cè)窗布置的工況5、7、13、15的溫度與按天窗布置的工況6、8、14、16的溫度要明顯高些。這是因為機械排煙主要依靠排煙風機提供的出口風速作為主動力，而自然排煙主要依靠煙氣羽流的上升浮力作為驅(qū)動力。結(jié)果表明，中庭采用機械排煙方式時，中庭排煙口布置方式對排煙效果影響不大；而中庭采用自然排煙方式時，中庭排煙口按天窗方式布置比按高側(cè)窗方式布置排煙效果更好。

圖4 3、8MW火災各工況中庭上層溫度隨時間變化情況

4.2 中庭上層煙氣能見度

能見度是火災煙氣遮光性的特征參數(shù)，是煙氣濃度的直接反映，能見度越高，煙氣濃度越低。本文采用監(jiān)測點的平均能見度來表征中庭上層空間的煙氣能見度，即

3、8MW火災時中庭上層空間的能見度隨時間的變化如圖5所示。從圖5a可以看出，相同條件下，中庭頂部采用機械排煙方式工況1、2、3、4分別比自然排煙方式的工況5、6、7、8的能見度高，即機械排煙方式的排煙效果更好?；乩仍O(shè)置排煙的工況1、2、5、6的溫度分別比相同條件下回廊不設(shè)置排煙的工況3、4、7、8的能見度高，說明回廊設(shè)置排煙有助于將煙氣及時排除。中庭采用機械排煙方式時，中庭排煙口布置方式對能見度影響不大；而中庭采用自然排煙方式時，中庭排煙口按天窗方式布置時的能見度比按高側(cè)窗方式布置時更高。從圖5b可以看出，8MW火災時能見度在400～600s時間段的斜率很大，600s后能見度隨時間變化曲線趨向平穩(wěn)。結(jié)果表明，發(fā)生8MW火災時，按3MW設(shè)計的中庭排煙方案難以及時將煙氣排除。

圖5 3、8MW火災各工況中庭上層能見度隨時間變化情況

4.3 過中庭剖面煙氣溫度

3、8MW火災1 200s時各工況過中庭剖面煙氣溫度分布分別如圖6、圖7所示。

圖6 3MW火災各工況1 200s時過中庭剖面溫度

圖7 8MW火災各工況1 200s時過中庭剖面溫度

從圖中可以看出，在同一高度層上，中庭頂部采用機械排煙方式工況1、2、3、4、9、10、11、12分別比相同條件下采用自然排煙方式的工況5、6、7、8、13、14、15、16的溫度更低，這表明機械排煙方式的排煙效果更好；回廊設(shè)置排煙的工況1、2、5、6、9、10、13、14的溫度分別比相同條件下回廊不設(shè)置排煙的工況3、4、7、8、11、12、15、16的溫度低，這表明回廊設(shè)置排煙是有利的；中庭采用機械排煙方式時，中庭排煙口無論按側(cè)面或者按頂部布置，中庭剖面溫度的大小范圍及分布相似；而中庭采用自然排煙方式時，中庭排煙口按天窗方式布置時的中庭剖面溫度比按高側(cè)窗方式布置時更高，且高于環(huán)境溫度的煙氣層下壓得更低。

5 結(jié) 論

（1）在火災功率、商鋪和回廊排煙、中庭頂部排煙口布置方式相同的條件下，中庭頂部采用機械排煙方式比自然排煙方式排煙效果更好。

（2）在火災功率、商鋪排煙、中庭頂部排煙方式相同的條件下，在中庭回廊設(shè)置排煙有助于將商鋪火災溢出的煙氣及時排除。

（3）在火災功率、商鋪和回廊排煙設(shè)置相同條件下，中庭采用機械排煙方式時，中庭排煙口布置方式對排煙效果影響不大；而中庭采用自然排煙方式時，中庭排煙口按天窗方式布置比按高側(cè)窗方式布置排煙效果更好。

［參 考 文 獻］

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