擋煙垂壁作用下狹長通道內煙氣輸運特征研究*

王　歡,齊慶杰,姜海洋,周新華,吳　憲

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學 理學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

隨著城市化進程的加快，出現了大量交通運輸與人員通行的通道結構，如地鐵站臺、建筑走廊、交通隧道等，這類空間形式具有相同的結構特征，表現為長度方向尺寸遠大于高度或寬度方向，且通常情況下僅在兩端設有出口，因此可視為狹長通道。一旦處于火災狀況，狹長通道中的火災煙氣撞擊頂棚后受兩側壁面的限制，主要沿通道頂棚下方一維水平方向流動，煙氣的擴散方向與人員疏散路徑一致，增加了人員疏散和火災撲救難度。同時，由于長通道型建筑結構長度尺寸大，水平剪切力作用更強，上部熱煙流在流動過程中會卷吸大量下部冷空氣，導致煙氣質量流率的增加，更容易造成嚴重的人員傷亡事故。因此，掌握火災煙氣在狹長通道的輸運特性，增強建筑內部擋、排煙性能對狹長通道火災防治與人員逃生都具有十分重要的意義。擋煙垂壁是指用不燃材料制成，垂直安裝在建筑頂棚、橫梁或吊頂下，能在火災時形成一定的蓄煙空間的擋煙分隔設施[1]。先前的研究[2-3]表明在通道設置擋煙垂壁，能在一定時間內控制煙氣的蔓延，提高機械排煙效果，延長人員的疏散時間。然而關于擋煙垂壁的設置對煙氣流場影響的相關研究卻鮮見報道。Delichatsios[4]提出狹長通道中煙氣穩(wěn)定流動前，存在一種特殊物理現象—密度跳躍。Regev[5]從理論研究了密度跳躍的性質，指出它將導致煙流能量的突然損失和質量流率的突然增大，并且密度跳躍形式受火災下游通道頂棚條件的影響?？梢姡瑩鯚煷贡诘淖饔貌粌H在于阻擋煙氣蔓延，還將對整個狹長空間內煙氣的輸運過程產生很大的影響。然而目前狹長通道煙流運動的研究成果[6]多基于無障礙頂棚下進行的，亟需開展擋煙垂壁作用下的煙流特征參數變化的研究。

為了探明擋煙垂壁對狹長通道煙流輸運特征的影響，本文在密度跳躍理論分析的基礎上，采用數值模擬方法，對不同高度擋煙垂壁下的煙流特征參數在頂棚附近的變化規(guī)律展開研究，試圖揭示擋煙垂壁的作用機理。研究結果對狹長通道擋煙垂壁與煙氣控制系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。

1　煙氣“密度跳躍”現象理論分析

根據Oka等人的研究將火災煙氣在狹長通道的蔓延過程概括為4個階段[7-8]。如圖1所示，階段Ⅰ：煙氣受熱浮力驅動向上運動，形成火羽流；階段Ⅱ：煙氣運動到達頂棚后，開始徑向蔓延，直到碰到通道側壁；階段Ⅲ：撞擊側壁后形成反浮力壁面射流，煙氣由徑向蔓延過渡到軸向蔓延，成為過渡階段；階段Ⅳ：煙氣開始進入穩(wěn)定的一維水平運動。

圖1　狹長通道煙氣流動示意Fig.1　Schematic diagram of the smokemovement in corridor

在階段Ⅲ，由于熱煙氣與冷空氣存在密度差，在煙氣與冷空氣混合過程中，會發(fā)生快速變化，這時煙氣由超臨界狀態(tài)過渡到亞臨界狀態(tài)。這種現象與流體力學中的水躍相似，叫做密度跳躍，可以通過普朗特數Fr進行描述。Fr的表達式為：

(1)

式中：v為煙氣層的平均速度；Δρ/ρ為上部煙氣層與下部冷空氣的平均密度差；g為重力加速度；D為煙氣層厚度。當Fr<1時，煙氣所受的重力起主導作用，此時流動狀態(tài)為緩流；當Fr=1時，煙氣所受重力與慣性力作用相等，煙流為臨界流；當Fr>1時，慣性力對煙流起主導作用，煙流為急流。因此密度跳躍過程也是煙流的Fr數由>1變?yōu)?1的過程。

通常情況下，密度跳躍包括2個區(qū)域:卷吸區(qū)和翻滾區(qū)。幾乎所有的空氣卷吸都發(fā)生在卷吸區(qū)，翻滾區(qū)中煙氣在冷空氣接觸面附近的流動方向與主流方向相反，形成翻滾狀[5]。而擋煙垂壁的設置，阻礙了煙流在沿通道頂板的水平運動，直接影響密度跳躍的形式，造成煙流特征參數發(fā)生變化。

2　數值模擬實驗設計

2.1　模型及參數設置

《建筑防火設計規(guī)范》、《人民防空工程設計防火規(guī)范》中要求長度超過20 m的內走道需設排煙設施，采用擋煙垂壁、隔墻或頂棚突出不小于0.5 m的梁劃分防煙分區(qū)。本文參照建筑內走道這一典型狹長通道結構建立如圖2所示的FDS通道模型，如圖通道長度24 m，橫截面積為2 m×3 m，墻體厚度0.1 m，通道中墻壁、頂棚、地面材料均設為混凝土，通道左右端設置為“open”邊界，處于自然通風狀態(tài)。火源位于通道中心線上，距左端口2 m，面積為1 m×1 m。通道右端口10 m處頂板下垂有擋煙垂壁，考慮到不同擋煙垂壁垂高的影響，分別設置0，0.3，0.5，0.7，0.9 m，5個高度的模擬場景。實驗火源功率采用全尺寸火災試驗數據，設為1.6 MW[9]，火源類型為穩(wěn)定火源。研究表明[10]，在建筑開口位置擴展計算區(qū)域，可以消除“open”邊界對模擬結果的不利影響。為此本文在通道左右兩端沿長度方向分別擴展1 m區(qū)域，得到的擴展計算區(qū)域如圖2(b)。整個計算區(qū)域網格尺寸為0.08 m×0.08 m×0.08 m，足夠精度模擬羽流動力特征。

圖2　FDS通道模型與計算區(qū)域Fig.2　FDS channel model and calculation region

針對燃燒氣體的湍流結構采用大渦模擬(LES)中的亞網格模型處理，大渦模擬中亞網格模型主要

取決于3個參數：Smagorinsky常數Cs、普朗特數pr、施密特數SC。本文設置這3個參數分別為0.2，0.7，0.7[11]。環(huán)境初始溫度20 ℃，一個標準大氣壓。模擬時長400 s。

2.2　監(jiān)測點布置

自然通風狀態(tài)下，煙流在長通道的運動特征以火源位置為軸線呈現對稱相似性[12]，因此本文僅在火源到通道遠端口一側進行測點布置，用來測量頂棚附近煙氣層的最高溫度。前人研究表明狹長通道煙氣層最高溫度出現在頂棚下方通道高度H的0.01～0.02位置，本文選擇在頂棚下方0.016H即0.05 m位置，火源正上方設置1組水平熱電偶記作A組，如圖2(a)的測點布置所示。熱電偶在火源近場(從火源中心位置到距離火源9 m范圍區(qū)域)被局部加密，間距為0.6 m?；鹪? m以外區(qū)域，間距增大為1 m，共計29個熱電偶。除此以外，在離火源距離6 m(Ⅰ處)和18 m(Ⅱ處)位置分別設置了一組豎向速度監(jiān)測點用來測量煙氣豎向速度分布。每組包括40個監(jiān)測點，其中最低測點位置離地面0.1 m，最高點距離地面2.9 m，其余測點均勻分布在最低、最高監(jiān)測點之間，間隔0.1 m。

3　結果與分析

3.1　擋煙垂壁下煙氣“密度跳躍”特征

首先需要確定火災煙流在本文通道模型內運移各階段的起始位置。根據前人已有的研究結果[13-14]可以求得，火羽流階段的終止位置xe=0.2H=0.2×3=0.6 m；徑向蔓延階段的終止位置xo=1/2B=0.5×2=1 m；而過渡階段的終止位置，也是一維水平運動的起始位置，無法直接求得，需要進一步通過溫度值判斷。理想狀態(tài)下一維水平運動階段任一橫截面處通道2側與通道中心線煙氣溫度值應該相等[15]。于是這里依靠布置在長通道頂棚附近3組平行熱電偶確定一維水平運動的起始位置。具體通過在2.2中介紹A組熱電偶左右兩側分別加設1組平行熱電偶B和C，3組熱電偶間距0.6 m，測得的平均溫度值如圖3。

圖3　頂棚下方煙氣層溫度Fig.3　Smoke layer temperature under the ceiling

從圖3中可以看出，3組煙氣溫度值均隨火源距離的增大逐漸遞減，在距火源1 m內溫差顯著，巷道中軸線位置煙氣溫度遠高于巷道兩側煙氣溫度，距火源6 m內，3組溫差值逐漸縮小，在離火源6 m處3組溫度值基本趨于一致。因此可認為距離火源6 m位置為階段Ⅲ，Ⅳ的分界點，根據以上分析在圖3上標出各階段起止位置，同時可知密度跳躍發(fā)生在階段Ⅲ，即離火源1～6 m位置。

圖4　有無擋煙垂壁時煙氣層速度矢量Fig.4　Velocity vector of smoke layer with vswithout smoke barrier

圖4為無擋煙垂壁與擋煙垂壁高度z為0.9 m時通道中軸面上的速度矢量圖。如圖自然通風狀態(tài)下，聚積在頂棚附近的熱煙氣向通道兩端運移，新鮮空氣從通道下部進入，放大火源附近區(qū)域速度矢量圖，可以看到在密度跳躍區(qū)有明顯的空氣卷吸與翻滾部分。受擋煙垂壁的阻擋，當z=0.9時通道煙氣運移速度變小，煙氣層分界面處的相對速度減小，水平剪切力也相應減弱，因此設有擋煙垂壁的流場中煙氣翻滾區(qū)比無擋煙垂壁時明顯增長，卷吸區(qū)域縮小。在頂棚下方熱電偶所在通道截面設有煙氣質量流率監(jiān)測面，將各擋煙垂壁高度下煙氣的質量流率變化進行對比，得到圖5。

圖5　不同擋煙垂壁高度煙氣質量流率沿程分布對比Fig.5　Comparison smoke mass flow rate distribution along the channel with different height of smoke barriers

如圖5所示，無擋煙垂壁時，隨著距離火源位置的增大，煙氣的質量流率也增大。在一維穩(wěn)定流前，煙氣的質量流率增長速度較快，特別是在密度跳躍區(qū)距離火源1～3 m區(qū)間，得到極大的增加，這是煙流卷吸周圍空氣造成的結果。進入穩(wěn)定一維流階段后，煙氣質量流率開始增長緩慢。有擋煙垂壁時，在擋煙垂壁上游，擋煙垂壁高度越大，相同位置處的煙氣質量流率越小。在擋煙垂壁高度z≥0.5 m工況中，煙氣質量流率曲線在距離火源4～6 m區(qū)間近似于平直線，質量流率未見增加。這與速度矢量分布的分析一致，即擋煙垂壁縮小了密度跳躍中卷吸區(qū)的長度，降低了煙氣的質量流率。在靠近擋煙垂壁位置附近，由于擋煙垂壁的蓄煙作用，煙氣質量流率出現了激增，跨越擋煙垂壁后，煙氣質量流率先迅速衰減至最小值，隨后開始新的密度跳躍過程，由于擋煙垂壁下游通道頂棚無障礙，卷吸不受影響，離火源越遠位置，煙氣的質量流率越大。

3.2　煙氣速度垂直分布規(guī)律

為了研究擋煙垂壁對煙氣速度垂直分布特征的影響，將圖2中2組豎向速度測點測得的速度平均值，繪制成如圖6和8的速度垂直分布圖。其中Ⅰ處位于擋煙垂壁上游6 m，在擋煙垂壁作用下的擋煙區(qū)內。如圖6所示，無擋煙垂壁時各高度位置的速度分布符合高斯函數特征。擋煙垂壁高度較小時對速度垂直分布的影響不大，從圖中可以發(fā)現z=0.3 m時的速度曲線與z=0時速度曲線相近，均在頂棚下方0.1 m位置速度達到最大值，且最大速度值分別為2.48，2.43 m/s。垂直方向速度從最大值位置向地面方向開始衰減，于是頂棚附近的速度曲線呈現了凸起狀。在垂直高度1.8 m附近，煙氣層速度衰減至0 m/s，在低于煙氣中性面位置，外界空氣進入通道中，與煙氣流動方向相反，顯示為負值，速度大小保持在0.5 m/s。而擋煙垂壁高度z>0.3 m時，在距離頂棚0.1～0.2 m位置速度達到最大值，受擋煙垂壁作用，最大速度值明顯小于無擋煙垂壁工況，分別為2.03，1.92，2.12 m/s。此外，在垂直高度1.5～2 m位置出現了與頂棚附近凸起相反的凹陷區(qū)。這是因為煙氣運移至一定高度的擋煙垂壁后，碰撞反彈形成煙氣逆流的結果，擋煙垂壁越高，煙氣逆流速度越大，速度曲線凹陷程度越大。圖7對比了有無擋煙垂壁時，狹長通道內煙氣蔓延的瞬時狀態(tài)，捕捉到了煙氣碰撞擋煙垂壁部分反向彈回的過程。

圖6　Ⅰ處不同擋煙垂壁高度煙氣速度垂直分布Fig.6　Vertical distribution of smokevelocity with different smoke barriers at positionⅠ

圖7　有、無擋煙垂壁下煙氣蔓延過程對比Fig.7　Comparison of smoke spreading process with & without smoke barrier

圖8為擋煙垂壁下游6 m位置煙氣速度垂直分布曲線。與Ⅰ位置的曲線變化不同，Ⅱ處各擋煙垂壁高度下的速度垂直分布變化趨于一致，采用Gauss函數對圖中所有速度散點進行非線性擬合，得到該位置所有擋煙垂壁高度下垂直速度的統(tǒng)一分布公式：

v=0.621 86+3.423 79×exp[-0.5×((x-

2.763 77)/0.476 45)2]

(2)

該式表明了垂直速度分布中最大速度值為3.423 79，對應所在高度為2.763 77，相關系數R2=0.97，表明該擬合公式可以較好地反映出速度垂直分布的特征。綜合以上分析說明擋煙垂壁對垂直速度的影響主要在擋煙區(qū)，對其下游垂直速度分布影響并不大。

圖8?、蛱幉煌瑩鯚煷贡诟叨葻煔馑俣却怪狈植糉ig.8　Vertical distribution of smokevelocity with different smoke barriers at position Ⅱ

3.3　煙氣溫度衰減規(guī)律

由于高溫煙氣在頂棚流動過程中與通道壁面及冷空氣的熱交換作用，溫度沿程發(fā)生衰減。無擋煙垂壁時，Oka總結前人典型試驗數據建立了煙氣運動階段Ⅲ、Ⅳ頂棚溫度的衰減公式[5]如下：

階段Ⅲ：

(3)

階段Ⅳ：

(4)

本節(jié)將位于頂棚下方水平熱電偶測得的溫度值按照公式(3)和(4)左端形式進行無量綱處理，得到圖9無量綱溫度與無量綱距離(離火源距離x與通道高H的比值)的關系，并與Oka公式進行對比，驗證模擬結果的可靠性。從圖9中可以看出模擬計算結果與理論公式具有較高的一致性。由于理論公式在推導過程忽略了摩擦與熱交換作用，因此圖中曲線上預測的溫度值略高于模擬值。

圖9　z=0時不同煙氣流動階段溫度衰減對比Fig.9　Temperature attenuation in different smoke flow phase when z=0

為了研究擋煙垂壁對頂棚溫度分布的影響，將頂棚附近沿通道長度方向取各擋煙垂壁高度與無擋煙垂壁高度之間的溫度差△T繪制成圖10。如圖所示，擋煙垂壁把通道分為了上游擋煙區(qū)與下游非擋煙區(qū)，2個區(qū)域溫差分布顯示出一定的差異。在擋煙區(qū)，擋煙垂壁的存在使得上游頂棚附近所有溫度升高，溫差幾乎均為正值。z=0.3 m時溫度增量在4 ℃以下，而z>0.3 m時，溫度增量在10～26 ℃。非擋煙區(qū)內，溫差在遠離擋煙垂壁位置直線下降，且下降程度與擋煙垂壁高度正相關。擋煙垂壁高度越高，非擋煙區(qū)溫度下降的越快，z=0.9時溫度最高降低23 ℃。

圖10　有、無擋煙垂壁頂棚溫差沿通道變化Fig.10　Ceiling temperature differencebetween with and without smoke barrier along the channel

4　結論

1)針對寬、高比W/H=2/3的通道建筑，火源功率為1.6 MW時，煙氣沿通道頂棚蔓延在離火源中心6 m位置開始進入一維穩(wěn)定流階段。密度跳躍過程發(fā)生在離火源1～6 m范圍內。

2)有擋煙垂壁時，煙氣密度跳躍過程的翻滾區(qū)增長，空氣卷吸范圍縮短，煙氣質量流率減少。隨著擋煙垂壁高度的增加，煙氣質量流率曲線在密度跳躍區(qū)越趨于平穩(wěn)，在擋煙垂壁附近激增后形成另一個密度跳躍過程。

3)不同擋煙垂壁高度下煙氣垂直速度最大值在頂棚下方0.1～0.2 m取得。擋煙垂壁高度對煙氣垂直速度的影響主要作用在擋煙區(qū)，當擋煙垂壁高度大于0.3 m時較為明顯，表現為在垂直高度1.5～2 m位置產生具有一定速度的與頂棚煙氣速度方向相反的煙氣逆流，且逆流速度隨擋煙垂壁高度的增加而增大。非擋煙區(qū)各擋煙垂壁高度下的煙氣垂直速度具有統(tǒng)一的分布規(guī)律，即v=0.621 86+3.423 79×exp[-0.5×((x-2.763 77)/0.476 45)2]。

4)擋煙垂壁上游頂棚溫度表現出絕對增長，這是阻擋煙氣擴散與限制空氣卷吸量共同作用的結果。下游頂棚溫度的衰減速率受擋煙垂壁高度影響，垂壁越高，下游頂棚溫度衰減速率越快。

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