水幕隔熱阻斷效果數(shù)值模擬

摘 要：本文對引起煙氣運(yùn)動的原因進(jìn)行分析，通過PyroSim軟件建立長20m的走廊模型，運(yùn)用FDS軟件對設(shè)置6種水幕設(shè)置方式的工況進(jìn)行模擬，討論分析不同設(shè)置方式下水幕對建筑走廊中煙氣的隔熱阻斷效果。模擬結(jié)果表明：水幕的開啟能夠有效地減緩煙氣的流動速度及對被保護(hù)側(cè)的空間起到隔熱降溫的效果，在走廊頂部設(shè)置水幕及在頂部和地面同時設(shè)置水幕的方式能夠更好地為人員逃離火災(zāi)現(xiàn)場及為消防人員滅火爭取寶貴的時間。

關(guān)鍵詞：安全工程；建筑走廊；水幕；煙氣運(yùn)動；煙氣溫度

Abstract：In this paper， the causes of smoke movement is analyzed， 20m long corridor is established by PyroSim software.FDS software is used to simulate the smoke movement in six kinds of water curtain working condition. The effect of water curtain blocking smoke ability in building corridor is discussed under different kinds of water curtain setting condition. Simulation results show that the water curtain can effectively reduce the smoke moving velocity， it also can insulate heating and cool down the protected space temperature. Water curtain set at the top single and both of the top and the ground in the building corridor can win more precious times for the firefighters to extinguish the fire. so as the trapped people can quickly flee the scene of the fire.

Key words：safety engineering； building corridor； water spray； smoke movement； smoke temperature

前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，高層建筑不斷增多，帶來的火災(zāi)隱患也越來越大。在眾多建筑火災(zāi)中，火災(zāi)危害主要是熱量、煙氣和缺氧三種因素共同作用造成的[1]。近年來水幕作為一種常見的阻火隔熱手段，應(yīng)用到了高層建筑防煙的設(shè)計(jì)中，所謂消防水幕是指將水噴灑成水簾幕狀，用以阻止火災(zāi)煙氣穿過開口部位，從而防止火災(zāi)蔓延的一種消防設(shè)備[2]。

魏東[2-3]等人對防火分隔水幕的隔熱機(jī)理及輻射衰減模型進(jìn)行了分析與求解，鐘濤[4]等人對大跨度、高空間的水幕進(jìn)行了一系列的全尺寸試驗(yàn)研究，得出用水量、水幕厚度及水幕水滴的密集程度和均勻性是影響水幕效果的主要因素，段云、王新[5-6]等人針對水幕在隧道中的滅火阻煙效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證水幕在隧道中能夠使隧道內(nèi)煙霧的溫度降低，但是由于水幕的作用，使隧道內(nèi)的CO濃度增加，對隧道內(nèi)人員的逃離產(chǎn)生不利的影響。秦俊[7]等在實(shí)驗(yàn)室條件下對貯油罐區(qū)防火水幕技術(shù)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究。展望[8]等人通過對4種不同施加方式的水幕建立模型，分析建筑走廊中煙氣的阻斷效果。

本文通過PyroSim軟件建立三維模型，利用FDS軟件模擬不同水幕布置方式下，分析水幕對建筑走廊中煙氣的隔熱阻斷效果。

1.火災(zāi)煙氣的流動與控制

建筑中走廊具有狹長等特點(diǎn)，發(fā)生火災(zāi)時煙氣在浮力、煙囪效應(yīng)、膨脹力等驅(qū)動下，由火災(zāi)區(qū)沿著走廊內(nèi)部迅速地向非火災(zāi)區(qū)蔓延，同時還會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，致使整個走廊內(nèi)溫度升高并在熱湍流的作用下填充滿整個走廊，使整個走廊的能見度迅速降低，導(dǎo)致建筑內(nèi)部人員在經(jīng)過走廊逃生時增加不同程度上的難度。因此，有效阻斷煙氣在走廊的擴(kuò)散，降低走廊中火災(zāi)的煙氣溫度，是減少火災(zāi)危害的重要途徑之一[9]。

1.1 浮升力引起的煙氣運(yùn)動

著火區(qū)域溫度升高，空氣和煙氣的混合物密度減小，與相鄰的房間或室外的空氣形成密度差，具有向上的浮升力而引起煙氣流動。實(shí)際上著火房間與鄰室或室外形成熱壓差，導(dǎo)致著火房間內(nèi)的煙氣與鄰室或室外的空氣相互流動，中性面的上部煙氣向鄰室或室外流動，而鄰室或室外的空氣從中性面以下進(jìn)入。這是煙氣在著火區(qū)域水平方向流動的原因之一。

煙氣在走廊內(nèi)流動過程中受頂棚和墻壁的冷卻作用，靠墻的煙氣將逐漸下降，形成走廊的周邊都是煙氣的現(xiàn)象。

1.2 煙囪效應(yīng)引起的煙氣運(yùn)動

當(dāng)建筑物室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，室內(nèi)外存在明顯的溫差，在煙氣和空氣的密度差作用下引起垂直通道內(nèi)（樓梯間、電梯井、強(qiáng)弱電橋架等）的空氣向上（或向下）流動，從而攜帶煙氣向上（或向下）傳播，一旦煙氣由豎井流出，進(jìn)入建筑物上部各樓層，隨后氣流通過各樓層的外墻開口排至室外，如果樓層之間存在縫隙時，如果著火層的燃燒強(qiáng)烈，熱煙氣的浮力克服了豎井內(nèi)的煙囪效應(yīng)，則煙氣仍可進(jìn)入上層樓層，著火房間內(nèi)的煙氣將隨著建筑物中的氣流通過外墻開口排至室外。

1.3 膨脹力引起的煙氣運(yùn)動

溫度升高引起氣體膨脹是影響煙氣流動較重要的因素。若著火房間只有一個小的墻壁開口于建筑物其他部分相連時。煙氣將從開口的上部流出。外界空氣將從開口下部流進(jìn)。若著火房間門窗關(guān)閉并假定其中有足夠多的氧氣支持較長時間的燃燒，則燃?xì)馀蛎浺鸬膲翰顚⑹篃煔馔ㄟ^各種縫隙向非著火區(qū)流動。

1.4 外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動

風(fēng)的存在可在建筑物的周圍產(chǎn)生壓力分布，而這種壓力分布能夠影響建筑物內(nèi)的煙氣流動。風(fēng)的作用受到多種因素的影響，包括風(fēng)速、風(fēng)向、建筑物高度和幾何外形及鄰近建筑物等。風(fēng)朝建筑物吹過來會在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較高的滯止壓力，這可增強(qiáng)建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)向的流動。

2.物理模型及工況設(shè)置

2.1 理論基礎(chǔ)

火災(zāi)是一個流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)及其相互作用的復(fù)雜燃燒過程。對火災(zāi)數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)為該物理現(xiàn)象的各數(shù)學(xué)模型及其耦合。由于實(shí)際火災(zāi)中的空氣流動均為三維空間的不規(guī)則非定常流動，所以，液滴的運(yùn)動模擬采用歐拉-拉格朗日粒子運(yùn)動模型，采用大渦湍流模型（LES）模擬煙氣，火災(zāi)煙氣運(yùn)動的控制方程采用可壓縮Navier-Stokes方程[6]。

其質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程如下：

2.2 模型建立

模型以某高層建筑辦公樓為原型，其條形走廊尺寸為20m×1.6m×2.5m，本文利用PyroSim軟件建立走廊模型，如圖1所示。著火點(diǎn)設(shè)置在距離樓梯間門最遠(yuǎn)處即走廊的左端，燃燒器尺寸為0.5m×0.6m，在左側(cè)的墻上設(shè)置通風(fēng)窗，窗尺寸為0.8m×1m，在走廊右端的左側(cè)設(shè)有樓梯間門，尺寸1.5m×2m。

模擬設(shè)置條件：

1） 模擬時，設(shè)置初始環(huán)境溫度20℃，四周的墻壁均為絕熱表面；

2） 采用網(wǎng)格精度為0.1m來劃分網(wǎng)格；

3） 走廊兩側(cè)的窗戶和樓梯間門始終處于開啟狀態(tài)，且左側(cè)窗戶有從左向右速度為1m/s的穩(wěn)定氣流吹入；

4） 熱釋放速率是衡量火災(zāi)危害的重要參數(shù)之一。鐘委[10]等人就熱釋放速率的設(shè)定進(jìn)行了詳細(xì)的討論，針對此次模擬選擇熱釋放速率為3500kW/m2的穩(wěn)定熱釋放速率的火源；

5） 模型選擇在距離走廊左端8m處的天花板處設(shè)置水幕，水平方向的水幕設(shè)置7個噴頭，噴頭之間的間距為0.2m；豎直方向的水幕設(shè)置5個噴頭，水幕噴頭之間的間距為0.5m；

6） 水流量為20L/min，工作壓力為10MPa，流量系數(shù)為0.5；

7） 水滴直徑根據(jù)魏東[3]等人對水透射率以及水滴半徑之間關(guān)系的論述，并結(jié)合本模擬所對應(yīng)的工況，選擇水滴直徑為500μm；

8） 朱云翔[11]在對水幕防火分隔效果數(shù)值模擬研究中指出水幕噴水速度的大小對其防火分隔效果影響不大，此次模擬選擇水滴速度為5m/s。

2.3 工況設(shè)置

本文共設(shè)置6個工況：1.無水幕設(shè)置；2.在走廊頂部設(shè)置一道水幕；3.分別在走廊的兩側(cè)設(shè)置兩道水幕；4.在走廊頂部和兩側(cè)墻壁同時設(shè)置水幕；5.在走道的地面水平設(shè)置一道水幕；6.在走廊的頂端和地面分別設(shè)置一道水幕。本文中為簡化敘述，下文使用工況+編號敘述各種布置方式。

3.模擬結(jié)果比較與分析

3.1 速度場分析

如圖3中工況1所示，火災(zāi)發(fā)生后燃燒所產(chǎn)生的煙氣由于浮升力作用向上流動，并在上升的過程中卷吸外界的空氣，使得走廊內(nèi)外形成壓差，壓差決定了空氣的卷吸量的大小，卷吸進(jìn)的空氣會不斷的進(jìn)入走廊。煙氣在自身浮力和走廊內(nèi)外的壓差的聯(lián)合作用下到達(dá)走廊頂部，在受到天花板的阻擋之后，煙氣流動變?yōu)槭芟薜闹亓Ψ至?，沿著天花板向著非著火區(qū)域水平流動，在到達(dá)整個走廊的右端后遇墻壁受限停滯，并迅速堆積，到達(dá)一定程度后發(fā)生水平流動，充滿整個走廊。

在施加水幕的5個工況中，如圖3、4所示，水幕打開后會形成一個較強(qiáng)的氣流，將周圍空氣卷吸，使得到達(dá)水幕左側(cè)的煙氣在水幕流場的作用下下沉，形成一個順時針的流場，一部分的上升氣流向上擴(kuò)散，一部分的混合氣流穿過水幕在水幕氣流的作用下在水幕的右側(cè)形成逆時針的流場，在到達(dá)水幕的后方時，由于缺少上升氣流的作用，氣流在重力的作用下開始回落，最后平穩(wěn)地向出口處擴(kuò)散[12]。

從上圖可知，隨著時間的增加，噴出的液滴越來越多，氣流作用越來越強(qiáng)并處于紊亂的狀態(tài)，由于煙氣與水幕所產(chǎn)生的水滴發(fā)生了動量傳遞，使煙氣在被保護(hù)側(cè)的擴(kuò)散速度減緩。在施加水幕的5個工況中在頂部設(shè)置水幕及在頂部和地面同時設(shè)置水幕的方式對煙氣的流場的阻擋作用較其他形式的水幕形式明顯。

3.2 溫度場分析

研究表明：人體對高溫?zé)煔獾娜棠褪怯邢薜?。?5℃時，可短時忍受；在120℃時，15min內(nèi)就將產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷；在140℃時約5min，170℃時約1min。結(jié)合煙層高于人眼特征高度時（通常1.2～1.8m），若上部煙氣的熱輻射強(qiáng)度已對人產(chǎn)生危害就認(rèn)為到了危險狀態(tài)，溫度180℃為危險狀態(tài)的判定界限[13]。

1） 從圖5、6、7可以看出在5種施加水幕的工況中，工況2、工況4及工況6的隔熱阻煙效果最好，工況3次之，工況5水幕設(shè)置方式的走廊內(nèi)環(huán)境溫度變化與未施加水幕趨于一致，效果最差；

2） 在工況1中，未施加水幕的走廊內(nèi)溫度隨著時間的推移不斷的升高，最高溫度高達(dá)196℃，且增漲趨勢呈冪次增長；

3） 在工況2、工況4及工況6的方式下，水幕的降溫效果趨于一條平行的直線，且能夠?qū)⒈槐Ｗo(hù)趨于的環(huán)境溫度控制在50℃以下；工況2、6均能夠?qū)⒈槐Ｗo(hù)區(qū)的煙氣溫度控制在57℃以下，工況4能夠?qū)⒈槐Ｗo(hù)側(cè)的煙氣溫度平均在31℃左右，阻擋效果最好；

4） 工況3由于水幕所噴出的水沿Y軸水平方向射出，射出后受重力作用下落，水流的速度在Z軸方向的分解速度明顯小于工況2中水流在Z軸方向的速度。而煙氣流動沿X軸正方向流動，看出水幕對煙氣的氣流呈橫向阻擋，由圖3、4可以看出垂直流動的部分煙氣穿過水幕，使被保護(hù)側(cè)的溫度升高，從圖6、7可知工況3降溫效果優(yōu)于工況5，但是相比工況2、工況4及工況6還是稍顯遜色，僅將被保護(hù)側(cè)的溫度控制在90℃左右，且溫度隨時間的變化趨勢沒有工況2、工況4及工況6的穩(wěn)定。

4.結(jié)論

1） 在走廊頂部設(shè)置水幕及在走廊頂部和地面同時設(shè)置水幕的方式對煙氣的速度的減緩作用較其他形式的水幕形式明顯；

2） 水幕能夠有效阻隔火災(zāi)的熱量擴(kuò)散，降溫隔熱的效果明顯；

3） 在走廊頂部設(shè)置水幕比在走廊的側(cè)面設(shè)置水幕及在走廊的地面設(shè)置水幕的隔熱阻斷效果要好；

4） 未設(shè)置水幕時，火源側(cè)的溫度高達(dá)196℃左右，設(shè)置水幕之后能夠?qū)囟茸畹徒档偷狡骄?1℃左右，給人員逃離火災(zāi)現(xiàn)場及消防人員滅火爭取寶貴的時間。

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【文章編號】1627-6868（2017）05-0018-04

【作者簡介】姚建芳（1987-），女，寧夏銀川，回族，碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能，建筑防排煙，可再生能源建筑應(yīng)用等研究工作。

【基金項(xiàng)目】江蘇省2014年度省建設(shè)系統(tǒng)科技項(xiàng)目（2014JH26）。