冷熱氣體介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔作用的影響

張曉濤，呂 奎，陸愈實(shí)

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074）

冷熱氣體介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔作用的影響

張曉濤，呂 奎，陸愈實(shí)

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074）

為了研究高溫與常溫空氣介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔作用的影響，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器軟件構(gòu)建了空氣幕局部模型，并設(shè)置火災(zāi)熱壓與常溫風(fēng)壓情況兩種場(chǎng)景，在進(jìn)行模型合理性驗(yàn)證后，采用大渦模擬的方法對(duì)兩種場(chǎng)景分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。探討了在空氣幕不同出口風(fēng)速下，兩種場(chǎng)景對(duì)空氣幕射流失效位置、氣體滲入臨界壓差及滲入速率的影響，同時(shí)還分析了熱壓與風(fēng)壓共同作用對(duì)空氣幕阻隔性能的影響。研究表明：在火災(zāi)場(chǎng)景下，熱壓導(dǎo)致空氣幕射流失效的位置高度為常溫風(fēng)壓的166．67％～200．00％，造成空氣幕失效的臨界壓差是風(fēng)壓的159．27％～202．33％，滲入速率則是風(fēng)壓的280．41％～315．46％。當(dāng)空氣幕出口風(fēng)速為10 m／s時(shí)，在風(fēng)壓與熱壓共同作用下，風(fēng)壓每提高1 Pa，空氣幕保護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度提高約10～20°C，一氧化碳濃度約提高5×10-6～15×10-6。且隨著風(fēng)壓的增加，一氧化碳在空氣幕近前方產(chǎn)生明顯的累積效應(yīng)，對(duì)火災(zāi)撲救與人員疏散不利。

空氣幕；空氣介質(zhì)；熱壓；風(fēng)壓；臨界壓差；FDS；數(shù)值模擬

空氣幕作為一種氣體的隔斷裝置，由Van Kennel在1904年首次應(yīng)用［1］，在其后的50年內(nèi)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于空氣幕具有良好的氣流阻隔作用，且不會(huì)阻礙人員與車輛的自然流通，因此在工業(yè)、建筑、交通等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來，各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)空氣幕阻隔性能進(jìn)行了研究，在采礦工業(yè)防塵方面，Kissell研究了空氣幕對(duì)可吸入粉塵的阻隔作用［2］；在開放式冰庫的保溫方面，Goncalve研究了空氣幕對(duì)室內(nèi)不同溫度氣體導(dǎo)熱的隔斷作用［3］；在交通領(lǐng)域，Cioc?nea通過CFD建模，研究了利用空氣幕對(duì)長(zhǎng)輸隧道車輛尾氣進(jìn)行控制［4］；在消防領(lǐng)域，Luo通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了空氣幕對(duì)煙氣蔓延的阻隔作用，并與擋煙捶壁進(jìn)行了對(duì)比［5-6］。

近年來對(duì)空氣幕阻隔性能的研究可根據(jù)其阻隔介質(zhì)分為兩類:一類為高溫介質(zhì)，主要為火災(zāi)時(shí)期的高溫有毒煙氣，其空氣幕內(nèi)外壓差由熱壓導(dǎo)致；另一類為常溫介質(zhì)，主要為粉塵等污染物以及室內(nèi)外空氣，其空氣幕內(nèi)外壓差由風(fēng)壓導(dǎo)致。但是兩類介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔性能的不同影響卻很少有學(xué)者研究。而正確區(qū)分兩類介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔性能的影響，不僅能為空氣幕參數(shù)的設(shè)置提供全面的理論依據(jù)，而且對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定也具有重要的指導(dǎo)意義，因此有必要研究不同介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔性能的影響。本文通過數(shù)值建模，利用FDS火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件構(gòu)建了高溫與常溫兩類場(chǎng)景，并從空氣幕失效位置、臨界壓差及氣體滲入發(fā)展速率方面進(jìn)行了對(duì)比研究，同時(shí)分析了在熱壓與風(fēng)壓共同作用下空氣幕阻隔性能的變化，為不同場(chǎng)合下空氣幕的使用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

FDS是由美國(guó)NIST（National Institute of Standars and Technology）開發(fā)的軟件，主要解決火源驅(qū)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。該模型通過解算一系列N-S方程，能夠較為精確地計(jì)算低速、熱驅(qū)動(dòng)的流體流動(dòng)。由于FDS是開源程序，因此其計(jì)算的合理性也得到了許多學(xué)者的驗(yàn)證［7-9］。

FDS在數(shù)值計(jì)算時(shí)，其主要的基本控制方程如下:

質(zhì)量方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

式中:ρ為密度，t為時(shí)間，u為速度矢量，p為壓力，fb為作用于流體上的外力（除重力外），τij為粘性力張量，h為比焓為熱釋放速率為輻射熱損失速率，k為導(dǎo)熱系數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，Di為第i種組分的擴(kuò)散系數(shù)，Yi為第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ε為粘性耗散率。

本文使用大渦模擬進(jìn)行解算，其算法主要是通過已經(jīng)設(shè)置好的數(shù)學(xué)濾波進(jìn)行處理，把包括脈動(dòng)在內(nèi)的湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程分解為描寫大渦流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程與小渦流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)小于特征尺度的小渦流場(chǎng)，采用湍流模型進(jìn)行求解，通過這樣的分化，既能保證了計(jì)算的精確性，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求也明顯降低。

2 模型的構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定

本文根據(jù)某建筑中走廊局部結(jié)構(gòu)構(gòu)建數(shù)值模型，帶有空氣幕的門將該走道分為兩部分:右邊部分為外部環(huán)境；左邊部分是需空氣幕保護(hù)的部分，稱為空氣幕保護(hù)區(qū)域。

為了研究?jī)煞N場(chǎng)景下不同氣體介質(zhì)對(duì)空氣幕的影響，本次研究主要對(duì)兩種場(chǎng)景進(jìn)行建模:

場(chǎng)景1:火災(zāi)情況下熱壓對(duì)空氣幕的影響；

場(chǎng)景2:常溫（25℃）下風(fēng)壓對(duì)空氣幕的影響。

2．1 物理模型設(shè)置

本次模擬中，場(chǎng)景1走廊模型尺寸為20．4 m× 3．6 m×3．0 m（長(zhǎng)×寬×高），走廊兩端與大空間辦公樓相連接，因此設(shè)置中假設(shè)與外界直接相通。火源距離空氣幕7．5 m，其面積為1．0 m×1．0 m，反應(yīng)物質(zhì)為庚烷。空氣幕前后2．5 m處分別設(shè)置了氣壓探測(cè)平面、流量探測(cè)平面及熱量探測(cè)平面，其面積為3．6 m× 3．0 m（寬×高），用以測(cè)量空氣幕內(nèi)外壓差、氣體滲入流量。大門為標(biāo)準(zhǔn)雙開門，尺寸為2．0 m×2．4 m（寬×高），門后端中心1．0 m處豎直均勻設(shè)置一排速度探測(cè)點(diǎn)，其最低探測(cè)器距離走廊地面為0．1 m，最高探測(cè)器距離走廊頂面也為0．1 m，探測(cè)點(diǎn)間距為0．1 m，用以測(cè)量滲過空氣幕后氣體流速。距走廊頂部2．8 m處，每隔0．5 m橫向設(shè)置了熱電偶，用以測(cè)量走廊縱向溫度變化。在門的正上方，橫向設(shè)置了空氣幕，其尺寸為0．2 m×2．0 m（長(zhǎng)×寬），空氣幕射流向外噴出的角度為20°。模型的構(gòu)建如圖1（a）、（b）所示。

圖1 模型及場(chǎng)景設(shè)置Fig．1 Model configuration and the scene settings

場(chǎng)景2的設(shè)置與場(chǎng)景1基本相同，較場(chǎng)景1主要有兩點(diǎn)區(qū)別:1）去掉了火源；2）在走廊兩端設(shè)置了與外界相通的供風(fēng)口以提供風(fēng)壓，風(fēng)口面積尺寸為3．6 m×3．0 m（寬×高）。其模型構(gòu)建如圖1（c）所示。

2．2 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

在模擬計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格劃分得越細(xì)，其計(jì)算所得的結(jié)果就越精確，但計(jì)算所需的時(shí)間會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)［10］。為了得到精確的模擬結(jié)果且不耗費(fèi)太多的成本與時(shí)間，在模擬計(jì)算前應(yīng)對(duì)網(wǎng)格的劃分進(jìn)行分析。本文提出了三種網(wǎng)格劃分方案，如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分方案Table 1 The cases of mesh grid size

在空氣幕出口風(fēng)速為10 m／s，火源熱釋放率為10 MW時(shí)進(jìn)行模擬，同時(shí)觀察不同方案下溫度探測(cè)器所測(cè)結(jié)果并分析其差異性，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方案下溫度變化Fig．2 Comparison of smoke temperature under different mesh cases

通過圖2可知，在不同方案中，溫度變化的差異性并不大，而方案1計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間為方案3的39倍，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性及效率，本文選取方案2進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2．3 火源熱釋放率及其風(fēng)壓值設(shè)定

在場(chǎng)景1中，煙氣流動(dòng)主要是由熱壓驅(qū)動(dòng)的，而其驅(qū)動(dòng)力的大小主要取決于火源的熱釋放率（HRR）的大小，本文通過改變火源熱釋放率來調(diào)整熱驅(qū)動(dòng)力，其熱釋放率設(shè)定值從1～15 MW，每間隔0．5 MW進(jìn)行一次模擬。在場(chǎng)景2中，本文跟據(jù)場(chǎng)景1中測(cè)得的空氣幕內(nèi)外平均壓差，直接通過風(fēng)口設(shè)定壓差值。

2．4 模擬時(shí)間的確定

通過圖2可知，當(dāng)模擬時(shí)間達(dá)到200 s時(shí)，溫度隨著時(shí)間上升的趨勢(shì)已經(jīng)明顯減弱，在250 s以后，溫度變化已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，為了保證模擬的準(zhǔn)確性，本文確定模擬時(shí)間為300 s。

2．5 空氣幕出口風(fēng)速設(shè)置

通過謝晶等［11-12］對(duì)空氣幕的研究可知，在標(biāo)準(zhǔn)雙開大門中，空氣幕射流能夠到達(dá)地面的最小風(fēng)速約為6 m／s，而Foster［13］指出，在工程設(shè)計(jì)中需要在空氣幕最小送風(fēng)速度上乘以一個(gè)安全系數(shù)，其取值范圍為1．3～2．0。因此，為了研究不同的空氣幕出口風(fēng)速對(duì)其隔斷效果的影響，本文由低至高設(shè)置了三種不同的出口風(fēng)速，分別為8、10及12 m／s。

2．6 模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

由于模擬計(jì)算選擇的是大渦模擬，因此需要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其主要有以下2個(gè)參數(shù):

1）Smagorinsky常數(shù)，即CS，是大渦模擬中求解流體粘度的一個(gè)非常重要的參數(shù)。Zhang曾研究Smagorinsky常數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，其研究結(jié)果表明，當(dāng)CS為0．18時(shí)，其模擬結(jié)果與相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著良好的一致性［14］。因此，本文取CS為0．18。

2）普朗特?cái)?shù)Pr與施密特?cái)?shù)Sc，這兩個(gè)參數(shù)是導(dǎo)熱及擴(kuò)散計(jì)算時(shí)的重要參數(shù)。根據(jù)Zhang的模擬及實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究［14］，本文設(shè)置普朗特?cái)?shù)Pr與施密特?cái)?shù)Sc均為0．5。其余參數(shù)的設(shè)置均使用FDS中默認(rèn)參數(shù)。

3 模型驗(yàn)證

在進(jìn)行模擬實(shí)0驗(yàn)之前，為了保證每次模擬的有效性，本文對(duì)所構(gòu)建模型進(jìn)行了驗(yàn)證。由于本次模擬涉及兩種不同場(chǎng)景，因此本次仿真驗(yàn)證分別依據(jù)兩種場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證。

3．1 火災(zāi)場(chǎng)景相關(guān)參數(shù)驗(yàn)證

在火災(zāi)相關(guān)參數(shù)驗(yàn)證中，本文根據(jù)Luo所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建數(shù)值模型［5］，并在相同位置設(shè)置溫度探測(cè)器。將模擬計(jì)算所得的溫度變化與Luo實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度變化進(jìn)行對(duì)比。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬與實(shí)驗(yàn)的溫度曲線對(duì)比Fig．3 Comparison of smoke temperature with the experiment data

通過圖3可知，模擬所得的溫度變化與Luo實(shí)驗(yàn)所得溫度變化非常接近，說明在本次數(shù)值計(jì)算中，與火災(zāi)的相關(guān)模擬參數(shù)設(shè)置是有效的。

3．2 風(fēng)壓參數(shù)驗(yàn)證

風(fēng)壓驗(yàn)證是基于在空氣幕沒有開啟的情況下進(jìn)行的。通過改變門內(nèi)外風(fēng)壓差，以測(cè)量氣體滲入流量，并根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，其所得結(jié)果與公開發(fā)表論文中的結(jié)果進(jìn)行比較［15-16］，如圖4所示。

圖4 氣體滲入關(guān)系比較Fig．4 Comparison of smoke infiltration with simulation and experiment data

由圖4可知，本次模擬數(shù)據(jù)擬合系數(shù)為0．698，R2值為0．998，說明回歸分析結(jié)果具有很好的相關(guān)性。在前人相關(guān)研究中，Yuill實(shí)驗(yàn)擬合系數(shù)為0．63［15］，Wang模擬擬合系數(shù)為0．59［16］。

本次模擬結(jié)果與前人的研究結(jié)果有一定的誤差，這可能是因?yàn)閅uill與Wang是在大空間環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬，而本文是基于走廊環(huán)境下進(jìn)行模擬，因此入風(fēng)量較Yuill與Wang的測(cè)試值有所增加，但誤差屬于可以接受的范圍內(nèi)，因此可以證明在本文的模擬中，與風(fēng)壓相關(guān)的參數(shù)設(shè)定是有效的。

4 結(jié)果與分析

4．1 空氣幕失效位置分析

空氣幕失效位置的高低決定了失效面積大小，繼而直接影響空氣幕的阻隔性能。圖5展示了當(dāng)內(nèi)外平均壓差值均為3．5 Pa時(shí)，空氣幕出口風(fēng)速為8、10、12 m／s下，走廊氣體流速分布圖。

圖5 不同出口風(fēng)速下場(chǎng)景1及場(chǎng)景2對(duì)空氣幕射流的影響Fig．5 The impact on air curtain jet under variable discharge velocity in case 1 and case 2

通過圖5可知，兩種場(chǎng)景下，空氣幕保護(hù)區(qū)域均有氣流速度分布，說明空氣幕此時(shí)均發(fā)生了失效，而隨著空氣幕出口風(fēng)速的增大，保護(hù)區(qū)域氣流速度分布明顯減弱，說明較大的出口風(fēng)速有助于提高空氣幕的阻隔性能。而在出口風(fēng)速相等的情況下，場(chǎng)景1保護(hù)區(qū)域的氣流速度分布明顯較場(chǎng)景2強(qiáng)烈，這說明在內(nèi)外平均壓差相等的情況下，火災(zāi)熱壓造成的氣體滲入量明顯大于風(fēng)壓所造成的，由此可以推斷，相對(duì)于場(chǎng)景2，場(chǎng)景1導(dǎo)致的空氣幕失效位置更高，因此氣體滲入量更大。

為了精確地確定失效位置的高度，本文通過采集空氣幕后1．0 m處氣流軸向速度值進(jìn)行分析。根據(jù)Wang的研究［15］，當(dāng)空氣幕發(fā)生失效后，空氣幕射流會(huì)發(fā)生偏折現(xiàn)象，如圖6［15］所示。

圖6 空氣幕偏折現(xiàn)象Fig．6 Deflection of Air curtain jet

由圖6可知，在空氣幕失效位置處，其氣流軸向速度最大，因此，可通過保護(hù)區(qū)域氣流最大軸向速度位置的高度表征空氣幕失效位置高度。表2給出了不同出口風(fēng)速時(shí)，兩種場(chǎng)景下軸向速度最大值及其高度。

由表2可知，在內(nèi)外平均壓差相等情況下，場(chǎng)景1最大軸向速度出現(xiàn)高度較場(chǎng)景2大，約為場(chǎng)景2的167．67％～200％，且最大軸向速度也明顯較場(chǎng)景2大，因此可以推斷，同一時(shí)間內(nèi)，氣體滲入空氣幕的量也較風(fēng)壓情況下大。

表2 失效位置高度Table 2 Height of disable position

4．2 氣體滲入流量與內(nèi)外壓差分析

隨著空氣幕內(nèi)外壓差ΔPoi的增大，空氣幕阻隔能力不斷減弱，當(dāng)內(nèi)外壓差超過一個(gè)特定值時(shí)，空氣幕將發(fā)生失效，此特定值被稱為空氣幕在該工況下的臨界壓差，PC。當(dāng)內(nèi)外壓差繼續(xù)增大，氣體會(huì)從空氣幕失效位置不斷進(jìn)入保護(hù)區(qū)域。因此針對(duì)空氣幕臨界壓差及失效后氣體滲入規(guī)律研究對(duì)其阻隔性能評(píng)價(jià)有著重大意義。Wang［15］曾提出了關(guān)于空氣幕的滲透模型，可用于計(jì)算空氣幕的臨界壓差，其模型公式如下:

式中:A為出口面積，m2；Q為滲入氣體的體積流量，m3／s；C為釋放系數(shù)，可用以表征氣體滲入的發(fā)展速率；D為調(diào)節(jié)系數(shù)；ΔPoi為內(nèi)外壓差，Pa。當(dāng)ΔPoi＞0時(shí)，i=1，否則，i=-1。當(dāng)模型確定后，取Q=0，則所計(jì)算出的內(nèi)外壓差值Poi即為該工況下的臨界壓差值Pc。

根據(jù)該模型，可將模擬測(cè)量結(jié)果整理為無因次量QA-1（2／ρ）-0．5與｜ΔPoi｜0．5的關(guān)系，并進(jìn)行線性回歸分析。圖7為空氣幕不同出口風(fēng)速下，兩種不同場(chǎng)景下回歸分析圖，表3則展示了相關(guān)的回歸參數(shù)。

圖7 不同出口風(fēng)速下場(chǎng)景1及場(chǎng)景2氣流滲入情況Fig．7 The seepage of gas under different discharge velocity in case 1 and case 2

由圖7及表3可知，隨著出口風(fēng)速的增大，兩種場(chǎng)景下空氣幕臨界壓差均顯著提高，這說明較高的出口風(fēng)速可以增大空氣幕的阻隔能力；而當(dāng)空氣幕出口風(fēng)速相等時(shí)，場(chǎng)景1的臨界壓差為場(chǎng)景2的159．27％～202．33％，而釋放系數(shù)C則為場(chǎng)景2的280．41％～315．46％。這說明在火災(zāi)情況下，高溫?zé)煔庑枰_(dá)到更高的壓差才會(huì)導(dǎo)致空氣幕失效，而空氣幕一旦失效，高溫?zé)煔鉂B入的發(fā)展速率將是風(fēng)壓場(chǎng)景滲入發(fā)展速率的3倍。

導(dǎo)致這種區(qū)別的主要原因可能是空氣幕射流上方壓強(qiáng)集中程度的不同。在場(chǎng)景2中，風(fēng)壓在整個(gè)斷面上分布較為平均，因此空氣幕射流平面自上向下所受的壓強(qiáng)基本相同。而由于空氣幕射流動(dòng)量的逐漸衰減，射流下端的阻隔能力最弱，在風(fēng)壓作用下，氣體更容易由空氣幕下端最薄弱處滲入，因此臨界壓差較小，而由于失效高度較小，氣體滲入發(fā)展速率也相對(duì)較小。而在場(chǎng)景1中，由于高溫?zé)煔獾臒岣×ψ饔茫瑲鈮悍植贾饕性诳諝饽簧淞鞯纳习氩糠?，而該部分射流由于具有較高動(dòng)量，阻隔能力較強(qiáng)，所需的臨界壓差也相應(yīng)較大，但由于其失效位置相對(duì)較高，因此一旦發(fā)生失效，所導(dǎo)致的失效面積也會(huì)較大，因此氣體滲入的發(fā)展速率也會(huì)明顯大于風(fēng)壓下的氣體滲入速率。這也是場(chǎng)景1中空氣幕射流失效位置較場(chǎng)景2高的主要原因。

由此可知，在火災(zāi)情況下，空氣幕一旦失效，高溫?zé)煔鈱?huì)迅速對(duì)保護(hù)區(qū)域造成威脅，因此，在使用空氣幕進(jìn)行阻煙時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)事前控制，盡可能采取多種控制措施進(jìn)行綜合防煙，以提高空氣幕阻隔能力，一旦煙氣發(fā)生滲入，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，在進(jìn)行空氣幕相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定以及空氣幕參數(shù)的設(shè)定時(shí)，應(yīng)該考慮空氣幕的用途及使用范圍，而不應(yīng)同一而論。

表3 場(chǎng)景1與場(chǎng)景2回歸分析結(jié)果Table 3 Results of regression analysis in case 1 and 2

4．3 熱壓與風(fēng)壓共同作用對(duì)空氣幕阻隔性能影響

為了研究熱壓與風(fēng)壓共同作用對(duì)空氣幕阻隔效果的影響，本文在場(chǎng)景1中的走廊兩端同時(shí)設(shè)置出風(fēng)口以提供風(fēng)壓，分析了在風(fēng)壓為1、2及3 Pa時(shí)，空氣幕阻隔作用的變化情況。圖8給出了空氣幕出口風(fēng)速為10 m／s時(shí)，在兩種壓強(qiáng)共同作用下，壓差與滲入流量的回歸分析圖，表4總結(jié)了回歸分析結(jié)果的相關(guān)參數(shù)（當(dāng)風(fēng)壓設(shè)定值為n Pa時(shí)，表示為場(chǎng)景1+Pn）。

通過圖8及表4可知，隨著風(fēng)壓的增大，空氣幕臨界壓差不減反增，這可能是因?yàn)轱L(fēng)流增加了煙氣的湍流程度，減小了煙氣對(duì)空氣幕的垂直沖擊。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，釋放系數(shù)C隨著風(fēng)壓值的增加明顯增大，這說明在兩種作用下，空氣幕一旦失效，煙氣滲入的發(fā)展速率將比單純的熱壓作用更大，這將導(dǎo)致空氣幕保護(hù)區(qū)域更易受到高溫及有毒煙氣的威脅。

圖8 兩種壓強(qiáng)共同作用時(shí)氣流的滲入情況Fig．8 The seepage of gas under both kind of pressure difference

表4 兩種壓強(qiáng)共同作用時(shí)回歸分析參數(shù)Table 4 Results of regression analysis under different pressure

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種壓強(qiáng)共同作用對(duì)空氣幕阻隔的影響，本文分別研究了HRR為6、8及10 MW時(shí)，熱壓與風(fēng)壓共同作用下，走廊內(nèi)2．8 m高處溫度及一氧化碳的平均分布情況（如圖9所示），下方二維曲線為空氣幕保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)的局部放大圖。

通過圖9可知，在選定的三種HRR中，空氣幕保護(hù)區(qū)域均已受到高溫有毒煙氣的影響，且隨著風(fēng)壓的增大，保護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度及一氧化碳濃度都顯著增大。由局部數(shù)據(jù)放大圖可知，風(fēng)壓每提高1 Pa，空氣幕保護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度提高約10～20℃，而一氧化碳濃度約提高5×10-6～15×10-6。同時(shí)，由圖9（b）還可發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)壓作用下，空氣幕近前方一氧化碳濃度明顯上升，且隨著風(fēng)壓的增大，累積在空氣幕近前方的一氧化碳濃度也隨之增大。由于一氧化碳極易導(dǎo)致火場(chǎng)中人員的窒息死亡，因此這種累積現(xiàn)象非常不利于人員的疏散與火災(zāi)撲救，應(yīng)當(dāng)考慮采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行控制，例如，采用機(jī)械排煙與空氣幕配合使用，以減小在環(huán)境風(fēng)壓下一氧化碳在空氣幕近前方的累積濃度，提高人員疏散的安全性。

圖9 兩種壓強(qiáng)共同作用下溫度及一氧化碳縱向分布圖（Z=2．8 m）Fig．9 Temperature and carbon monoxide distribution under both pressure difference（Z=2．8 m）

5 結(jié)論

本文通過FDS構(gòu)建空氣幕全尺寸模型，研究了火災(zāi)熱壓、常溫風(fēng)壓以及兩種場(chǎng)景共同作用對(duì)空氣幕阻隔作用的影響。通過研究可以得到以下結(jié)論:

1）空氣幕阻隔能力隨著出口風(fēng)速的增加而增大；高溫?zé)煔庠斐煽諝饽皇恢玫母叨燃s為常溫風(fēng)壓的166．67％～200％；

2）火災(zāi)情況下，高溫?zé)煔庑枰蟮膲簭?qiáng)才能導(dǎo)致空氣幕失效，然而空氣幕一旦失效，其高溫?zé)煔鉂B入的發(fā)展速率將是風(fēng)壓場(chǎng)景下滲入發(fā)展速率的3倍。因此在利用空氣幕進(jìn)行阻煙時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)事前控制。同時(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)將空氣幕的用途及使用范圍納入考慮范圍；

3）在風(fēng)壓與熱壓共同作用下，高溫有毒煙氣對(duì)空氣幕保護(hù)區(qū)域產(chǎn)生更大威脅，風(fēng)壓每提高1 Pa，空氣幕保護(hù)區(qū)域內(nèi)溫度約提高10～20℃，一氧化碳濃度約提高5×10-6～15×10-6。同時(shí)，隨著風(fēng)壓的增加，一氧化碳在空氣幕近前方會(huì)產(chǎn)生明顯的累積效應(yīng)，不利于人員的疏散與火災(zāi)撲救。建議采用機(jī)械排煙與空氣幕配合使用，以降低空氣幕近前方一氧化碳的累積濃度，提高人員疏散的安全性。

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Influence of normal and high temperatures on the obstruction efficiency of air curtains

ZHANG Xiaotao，LYU Kui，LU Yushi
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

To analyze the influence of normal and high temperatures gas medium on the obstruction efficiency of an air curtain，a local air curtain model was numerically constructed by fire dynamic simulator（FDS）．Two cases of pressure caused by fire effect and wind effect were simultaneously simulated using the large eddy simulation technique after rationality validation．The disable position at air curtain jet，the critical pressure difference，and the speed of gas seepage at different air curtain jet supply velocity were discussed in this study．The mutual action of the thermal pressure and wind pressure on the obstruction efficiency of air curtain was also analyzed．Research results show that the disable positions at air curtain jet caused by thermal pressure in the fire environment are 166．67％～200％of that caused by wind pressure．The critical pressure differences caused by fire effect are 159．27％～202．33％of that caused by wind pressure while infiltration rates are 280．41％～315．46％of that caused by wind pressure．When the air curtain jet supply velocity is 10 m／s under the influence of thermal pressure and wind pressure，the temperature and carbon monoxide concentration will respectively increase by approximately 10～20°C and 5×10-6～15×10-6when the wind pressure increases by 1 Pa．Meanwhile，the obvious CO accumulating effect will appear at the front of air curtain zone with the increase of the wind pressure，which is adverse to fire suppression and evacuation．

air curtain；air dielectric；thermal pressure；wind pressure；critical pressure difference；FDS；numerical simulation

10．11990／jheu．201506027

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1390．u．20161026．0910．006．html

X928．7

A

1006-7043（2016）12-1677-08

張曉濤，呂奎，陸愈實(shí)．冷熱氣體介質(zhì)對(duì)空氣幕阻隔作用的影響［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（12）:1677-1684．

2015-06-09．

2016-10-26．

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61202197）．

張曉濤（1987-），男，博士研究生；

陸愈實(shí)（1958-），男，教授，博士生導(dǎo)師．

陸愈實(shí)，E-mail:cuglys＠foxmail．com．

ZHANG Xiaotao，LYU Kui，LU Yushi．Influence of normal and high temperatures on the obstruction efficiency of air curtains［J］．Journal of Harbin Engineering University，2016，37（12）:1677-1684．