排煙對狹長空間火災煙氣特性影響的模擬

任廣魯，邱金水，劉伯運，易祥烈

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢　430033)

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排煙對狹長空間火災煙氣特性影響的模擬

任廣魯，邱金水，劉伯運，易祥烈

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢430033)

摘要：移動排煙機由于其自身使用的靈活性，被廣泛用于火場排煙。以能見度及溫度為指標，對狹長空間火災發(fā)生時使用移動排煙機進行排煙的效果進行了大渦模擬。分析結果表明：在不采用任何排煙措施的情況下，煙氣蔓延速度快、溫度高，容易出現(xiàn)“游走火”現(xiàn)象，可能造成難以預估的傷害；采取正壓送風或負壓排風的排煙方式對提高空間能見度及降低空間溫度有顯著作用；正壓送風與負壓排風聯(lián)合使用效果不如單獨使用一種排煙方式。

關鍵詞：移動排煙機；狹長空間；煙氣特性；大渦模擬

本文引用格式：任廣魯，邱金水，劉伯運，等.排煙對狹長空間火災煙氣特性影響的模擬[J].兵器裝備工程學報，2016(1):87-91.

Citation format:REN Guang-lu, QIU Jin-shui, LIU Bo-yun, et al.Simulation of Effect of Smoke Exhaust on Smoke Characteristics in Long Corridor Fire[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):87-91.

狹長空間是一種常見的建筑結構形式，表現(xiàn)為長度方向的尺寸遠大于高度或寬度方向的尺寸。民用建筑中的走廊、艦船中的通道等都是狹長空間。狹長空間內部一旦發(fā)生火災，內部溫度將迅速升高，最高溫度可1 000℃以上；另一方面，空間狹長，煙氣容易在內部擴散，由于通風條件差且不能迅速排出，將產生的大量有毒氣體，使得空間內人員弦暈、窒息，甚至中毒；此外，火災發(fā)生后煙氣層不斷下降，能見度較低，造成人員巨大的恐慌心理,致使疏散的難度增加[1]。

在建筑火災中，排煙特別受到重視，在《公安消防部隊執(zhí)勤戰(zhàn)斗條令》第一章第四條“五個第一時間”中就有“第一時間排煙降毒”。而根據(jù)《城市消防站建設標準》的相關要求，每一個消防站都應配備至少一臺移動式排煙機?？梢姰斍跋啦筷犚褜⑴艧熥鳛橐豁椫匾膽?zhàn)術措施[2]。

國內外學者對于狹長空間火災及移動式排煙都有研究。王萬通等[3]運用FDS對移動風機在不同俯仰角度下對公路隧道火災煙氣控制效果進行了模擬研究，證明移動風機的傾角為0°時不能阻止煙氣逆流；王磊等[4]運用Phoenics軟件對潛艇狹長空間下火災煙囪溫度場特性進行了分析，但沒有涉及到機械排煙；蘇琳[5]以窗口排煙流量為評價指標對某型移動排煙機在不同安放位置及俯仰角度下的排煙效果進行了實驗研究，證明排煙機在安放距離1.0～1.5 m、俯仰角18°的情況下排煙效率最高，但沒有設置火源研究煙氣特性。而對于在狹長空間中使用移動排煙機進行排煙的研究較少。通過計算機模擬分析，比較不同防排煙方式對狹長空間火災煙氣的影響可為制定合理的防排煙戰(zhàn)術提供依據(jù)。

1場景設置

以兩個相鄰空間為研究對象，其中左側空間著火且頂部無通風口，右側空間頂部有通風口，兩空間之間有打開的水密門。移動排煙機的使用可分為正壓送風與負壓排風，因此，基于這兩種機理設置4種場景，如表1所示。

表1　場景設置

2理論基礎

為了真實地模擬湍流流動，計算區(qū)域尺寸應大到包含湍流運動中出現(xiàn)的最大渦并小到分辨出最小渦的運動。但由于當前計算機計算能力的限制，計算網格的最小尺度仍大于最小渦尺度。因此，目前仍不能實現(xiàn)對所有尺度范圍上渦的運動模擬[6]。大渦模擬就是在流場的大尺度結構和小尺度結構之間選擇濾波寬度對控制方程進行濾波，進而把所有變量分成大尺度量和小尺度量。大尺度量進行直接模擬，得到的是其真實結構狀態(tài)；而對小尺度量則采用亞格子模型進行模擬。雖然大渦模擬對小尺度結構采用了亞格子模型，但由于小尺度結構具有各向同性，因而對流場中的小尺度結構采用統(tǒng)一的亞格子模型是合理的，同時在采用適當?shù)膩喐褡幽Ｊ降拇鬁u模擬結果的準確度較高，模擬結果是物理真實的瞬態(tài)流場[7-8]。

經過濾波處理后的瞬態(tài)Navier-Stokes方程及連續(xù)性方程分別如下：

以上兩式構成了在LES模型方法中使用的控制方程組， 需要注意的是其為瞬態(tài)下的方程，式中帶有上劃線的量為濾波后的場變量，新出現(xiàn)的τij就被定義為亞格子尺度應力(Subgrid-Scale Stress，簡稱SGS應力)，其體現(xiàn)了小尺度的渦對大尺度渦流運動的影響，可表示為

(3)

3模擬設置

3.1火源設置與網格劃分

火源設置于左側空間中心位置，火源設置為1 m×1 m的油池火，成分為庚烷，最大熱釋放速率為1 000 kW，熱釋放效率按照超快型增長模式增長。通風口設置于右側空間頂部中心位置，大小為0.8 m×0.8 m，水密門位于兩空間連接處，大小為1.6 m×0.8 m。采用矩形網格單元網格單元邊長度為0.1 m整個區(qū)域共144 000個網格單元。

在每個空間設置平均可見度監(jiān)測。整個網格縱向中心面設置4組熱電偶束，每組設置10個熱電偶，從距地面0.1 m開始每隔0.3 m設置一個以觀測不同高度的溫度變化。

3.2初始條件與邊界條件

環(huán)境初始壓力為一個標準大氣壓，初始溫度為20℃，相對濕度40%。計算區(qū)域與外部環(huán)境間界面采用自由邊界，允許流體自由進入和離開計算區(qū)域。在自由邊界上，壓力為環(huán)境壓力，速度梯度和溫度梯度為零。排煙機排煙流量設置為1.5 m3/s。

4計算結果及討論

4.1空間能見度分析

煙氣的遮光性是其危害性的一部分，能見度的降低給滅火以及人員逃生帶來困難。因此，對火災發(fā)展過程中兩個空間的平均能見度變化進行模擬，結果如圖1、圖2所示。

圖1　左空間能見度變化

由圖1可以看出，4種場景能見度在前50 s左右變化趨勢基本相同，都出現(xiàn)了劇烈下降，到50 s時能見度已經降到5 m，4種場景達到的最終能見度分別為1.3 m、3.0 m、3.4 m、3.8 m。

通過以上分析可以得出以下結論：① 左側空間能見度下降迅速，這是由于空間燃燒池不斷產生煙霧導致；② 通風條件下的空間能見度明顯好于不通風條件；③ 3種通風方式的通風效果差別不大，其中場景4通風效果最好。

由圖2可以看出，右側空間能見度下降速度明顯小于左側空間，4個場景能見度到達5 m的時間分別為170 s、340 s、220 s、185 s，4個場景達到的最終能見度分別為1.6 m、2.7 m、3.2 m、2.5 m。

通過以上分析可以得出以下結論：① 右側空間下降速度明顯低于左側空間；② 通風對右側空間能見度改善明顯；③ 場景2的通風效果對于延緩能見度降低效果最好；④ 場景4中正壓送風與負壓排風配合使用效果較差，不如使用單臺排煙機效果好。

4.2溫度場分析

對4種場景在不同高度以及不同位置縱向位置的溫度進行研究，選取z=0.4 m，1.6 m，2.8 m 3個高度以及x=2 m，6 m，10 m，14 m 4個縱向位置處的熱電偶溫度變化繪制曲線圖。

圖2　右空間能見度變化

圖3　場景1溫度變化

從圖3可以看出：① 場景1中4個縱向位置在垂直方向溫度分層現(xiàn)象明顯，溫度隨高度的增大而增大；② 左側空間溫度上升很快，最高溫度達到了近400℃，在160 s左右溫度急劇下降，之后溫度回落到100℃以下緩慢降落。這是因為左側空間的氧氣密度隨著燃燒的進行不斷降低，最終不足以支撐燃燒的繼續(xù)，從而火焰熄滅；③ 右側空間溫度逐漸增加，至160 s左右時出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，空間高處(z=1.6 m，2.8 m)溫度繼續(xù)增加，空間底部(z=0.4 m)溫度保持穩(wěn)定。這是由于通風嚴重不足從而出現(xiàn)了“游走火”(Ghosting flame)現(xiàn)象[9]，如圖4所示，這種現(xiàn)象在前人多次實驗中均有出現(xiàn)[10-11]。

圖4　場景1“游走火”現(xiàn)象

從圖5可以看出：① 場景2中4個縱向位置溫度分層明顯，溫度隨高度的增大而增大，溫度發(fā)展趨勢均為短時間上升后保持穩(wěn)定；② 左側空間在x=6 m處在t=200 s時發(fā)生較大幅度溫升，溫度超過z=2.8 m達到500℃，這是由于排煙機吸氣使本來垂直的火焰向右側偏移，剛好與z=1.6 m處的熱電偶位置重合，導致溫度升高；③ 右側空間最高溫度出現(xiàn)在x=10 m處的頂部位置，約為150℃，相對于場景1溫度降低幅度較大。

從圖6可以看出：① 場景3中4個縱向位置溫度分層明顯，溫度隨高度的增大而增大，溫度發(fā)展趨勢均為短時間上升后保持穩(wěn)定；② 左側空間溫度略低于場景2中左側空間溫度，且溫度較為平穩(wěn)；③ 右側空間溫度與場景2基本相同。

從圖7可以看出：① 場景4中空間溫度分層現(xiàn)象不明顯，溫度變化劇烈且頻繁，這是由于正壓送風與負壓排風聯(lián)合作用擾亂了艙內氣流；② 左側空間溫度先升高，在80 s左右溫度開始下降，最低降至環(huán)境溫度，到380 s左右溫度出現(xiàn)上升，溫度發(fā)展趨勢不穩(wěn)定；③ 右側空間溫度不斷升高，到200 s左右溫度開始無規(guī)律變化，瞬間最高溫超過200℃。

圖5　場景2溫度變化

圖6　場景3溫度變化

圖7　場景4溫度變化

5結論

1) 通風對提高空間火災發(fā)生時的能見度效果明顯，3種通風方式效果差別不大，其中場景4正壓送風與負壓排風效果優(yōu)于其他兩種通風方式。

2) 狹長空間在無通風僅有一開口的情況下，隨著火災的發(fā)展，會出現(xiàn)“游走火”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能會點燃遠離火源的空間，造成不可預知的傷害。

3) 正壓送風與負壓排風兩種排煙方式對煙氣溫度的影響相似，都能有效降低空間溫度，從而為空間人員的生存提供保障。

4) 將正壓送風與負壓排風兩種排煙方式結合起來使用，其降低煙氣溫度的效果并不如單獨使用其中一種方式效果好，相反，由于兩種方式排煙的相互作用，對煙氣造成了猛烈擾動，使空間內煙氣溫度變化劇烈，不利于人員逃生。

通過以上分析可以看出，狹長空間發(fā)生火災時使用正確的排煙方式對提高空間能見度、降低空間內溫度有良好作用。當發(fā)生火災時，應使用正壓送風或負壓排風的排煙方式進行排煙，能為人員逃生及消防員滅火提供有利條件。

參考文獻：

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[3]王萬通，李思成，荀迪濤.移動風機對公路隧道火災煙氣控制效果的模擬研究[J].消防科學與技術,2014,33(4):397-399.

[4]王磊，浦金云.潛艇狹長空間下火災煙囪溫度場特性分析[J].艦船科學技術,2009,31(9):34-38.

[5]蘇琳.移動式排煙機安放位置的討論[J].消防科學與技術，2012,31(1):29-31.

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(責任編輯唐定國)

【后勤保障與裝備管理】

Simulation of Effect of Smoke Exhaust on Smoke Characteristics

in Long Corridor Fire

REN Guang-lu, QIU Jin-shui, LIU Bo-yun, YI Xiang-lie

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:As its own flexibility, portable smoke exhausted fan is widely used in exhausting smoking in fire. Visibility and temperature were taken as the index to simulate the effect of portable smoke exhaust fan in long corridor fire. The analysis results show that in the case of not using any smoke control measures, the long corridor smoke spreads fast and the temperature is high, where is prone to appear “ghosting phenomenon”, which may cause unpredictable damage. And the positive pressure blowing or negative pressure drainage is helpful to improve the visibility of the space and to reduce the space temperature. The joint effect of positive pressure blowing and negative pressure drainage is not as good as using single method.

Key words:portable smoke exhaust fan; long corridor; smoke characteristics; large eddy simulation

文章編號：1006-0707(2016)01-0087-05

中圖分類號：TJ83

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.021

作者簡介：任廣魯(1989—)，男，博士，主要從事艦艇消防技術與工程研究。

收稿日期：2015-05-31；修回日期：2015-06-15