基于湍流大渦算法的防護工程火災煙氣擴散仿真研究

鄧忠凱，茅靳豐，周 進

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

基于湍流大渦算法的防護工程火災煙氣擴散仿真研究

鄧忠凱，茅靳豐，周 進

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

以氣體流動控制方程為基礎，基于湍流大渦算法對設置擋煙垂壁的防護工程煙氣擴散情況進行仿真研究，以煙氣擴散范圍和溫度來評價擋煙垂壁的設置對火場煙氣擴散的影響。仿真結果表明：擋煙垂壁的設置使走廊頂棚處形成蓄煙池，有效減小了煙氣的擴散范圍；垂壁設置個數(shù)越多、下垂高度越大對煙氣擴散的阻擋效果越明顯。

湍流大渦算法；煙氣擴散；防護工程；擋煙垂壁

0 引言

防護工程是一種相對封閉且與外界連通有限的地下空間，遇襲、工程內(nèi)部線路老化或人員偶然因素都可能引起火災，火災產(chǎn)生的高溫煙氣對人員疏散造成巨大威脅。擋煙垂壁對建筑內(nèi)部火災煙氣的擴散具有較好的阻擋作用，在工程中已得到越來越多的應用[1-3]，因此研究擋煙垂壁在工程中的防煙作用具有重大意義。

由于火災實驗的破壞性，利用數(shù)值模擬對煙氣在工程內(nèi)擴散情況進行研究已成為當今較為重要的研究手段，國內(nèi)外學者對其進行了大量的研究[4]。本文在Fire Dynamic Simulator平臺上，以湍流大渦算法對設置擋煙垂壁的防護工程煙氣擴散情況進行了仿真研究。

1 數(shù)學模型

火災發(fā)生后，煙氣在工程內(nèi)的流動是一種高度復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉的不規(guī)則運動，煙氣的各種物理參數(shù)都隨時間和空間發(fā)生變化。

1.1流動控制方程

煙氣的流動遵循能量質量守恒定律：連續(xù)性方程、組分方程、動量方程、能量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程。

連續(xù)性方程：

(1)

組分方程：

(2)

動量方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

理想氣體狀態(tài)方程：

(5)

1.2湍流大渦算法

煙氣的流動是一種湍流現(xiàn)象，湍流流體中的各種物理參數(shù)(速度、壓力、溫度等)隨時間和空間的變化均會隨機地發(fā)生難以預測的變化，從物理結構上來看，可以把渦流看作是各種不同尺度的渦旋疊加而成的流動，但這些渦旋旋轉的方向和尺度的大小是隨機的，正是流體內(nèi)這些不同尺度的渦旋隨機運動使湍流表現(xiàn)出一個重要特點——物理量的脈動[5]。

湍流渦旋認為大尺度渦導致了湍流中的脈動與混合，大尺度渦的能量從主流中獲得，并且這些渦非各向同性，同時隨流動而異，大尺度渦與小尺度渦在湍流中相互作用，這樣大尺度渦就把能量傳遞給小尺度的渦，因此小尺度渦的主要作用認為是耗散能量，并且它們幾乎各向同性，不同流動中的小尺度渦也有許多共性。

湍流大渦算法采用了低馬赫數(shù)下的三維可壓縮Navier-Stokes方程，結合Smgaorinsky亞格子尺度模型對火災熱羽流驅動的煙氣輸運進行數(shù)值模擬。Smgaorinsky亞格子模型中，流體的導熱系數(shù)和物質擴散系數(shù)可以表示為：

(6)

其中：Sct為流體施密特數(shù)；Prt為湍流普朗特數(shù)；cp為流體定壓比熱，單位為J/(kg·K)。

Smgaorinsky亞格子模型對湍流粘性的考慮為：

(7)

其中：Δ=(δxδyδz)1/3；Cs為Smgaorinsky常數(shù)；μLES為流體動力粘性系數(shù)，單位為Pa·s。

由于浮力與湍流的相互作用表現(xiàn)在對大渦輸運過程的影響上，而小渦則表現(xiàn)出強烈的隨機特性，故小渦幾乎不受浮力的影響，所以湍流大渦算法能夠較好地處理浮力和湍流之間的相互作用，可以求解出較為精細的湍流結果[6]。

2 結果與分析

防護工程一般處于地下，通風條件受限，走廊狹長，通?？梢詫?nèi)部結構簡化為單室走廊火災模型[7]。故以“單室—走廊”為研究對象，火源選用歐洲標準火庚烷火[8]，火源模型為快速增長t2火模型。通過分析熱釋放速率最大時走廊內(nèi)煙氣特征參數(shù)(擴散范圍、溫度)，得出擋煙垂壁對煙氣擴散的影響。

2.1煙氣擴散

火災時煙氣的流動規(guī)律使用煙灰濃度來反映，如圖1、圖2所示。黑色部分即為煙灰，顏色越深表示煙灰濃度越高，相反則越低。

由圖1可知，在火災發(fā)生后同一時間，不設置擋煙垂壁(自然擴散)時，煙氣在走廊內(nèi)擴散范圍要比設置擋煙垂壁的情況大，走廊充滿高溫煙氣。從煙氣前鋒位置可以

圖1 h=0.9時不同間距對煙氣控制效果

看出，當走廊內(nèi)平均分布的垂壁個數(shù)越多時，形成的蓄煙池個數(shù)越多，對煙氣在走廊縱向擴散的阻擋效果越明顯。

由圖2可知，當垂壁個數(shù)一定時，下垂高度越大，蓄煙池的容積越大，在相同時間內(nèi)蓄煙量越多，對煙氣擴散的阻擋效果越明顯。

圖2 n=5時不同下垂高度對煙氣控制效果

2.2溫度分布

火災發(fā)生時，由于可燃物的劇烈燃燒，會產(chǎn)生大量的高溫煙氣，超過50 ℃的煙氣會造成人體呼吸系統(tǒng)的嚴重不適，嚴重時會造成生命危險，因此走廊內(nèi)的煙氣溫度是評價人員安全標準的重要參數(shù)，也是火災研究者的重點研究對象。在走廊中間人眼特征高度處平均布置9個溫度測點。

從圖3可以看出，自然擴散時各測點的煙氣溫度分布沿走廊變化趨于一致，且同一時間各測點溫差相差不大，因為走廊沒有垂壁的阻擋作用，煙氣在縱向擴散過程中，只通過與周圍壁面和下層冷空氣傳熱散失熱量，相較于設置垂壁工況，并不具有蓄煙池對煙氣的累積和阻擋作用，故自然擴散時的縱向溫度衰減均勻且相對較小。

圖3 h=0,n=0工況下走廊各測點溫度變化

從圖4可以看出，當設置下垂高度h=0.9 m，個數(shù)n=5的垂壁時，同一時間內(nèi)走廊煙氣溫度分布沿縱向呈明顯的溫度分布梯度，隨著縱向距離的增加，走廊內(nèi)煙氣溫度逐漸變低。

其次，在火災發(fā)生前300 s，煙氣在設有擋煙垂壁的走廊內(nèi)最高溫度達到400 ℃，遠高于不設擋煙垂壁的溫度值(250 ℃)，且離著火房間越近，煙氣溫度變化越大，離著火房間較遠處，煙氣溫度變化較小。主要由于擋煙垂壁間形成的蓄煙池使得煙氣聚集，減緩煙氣擴散速度，煙氣與周圍冷空氣對流換熱和對周圍圍護結構輻射換熱量增大。在靠近火源的走廊內(nèi)換熱量較大，測點溫度較高，遠離火源測點位置煙氣溫度較低。

圖4 h=0.9,n=5工況下走廊各測點溫度變化

圖5表示當火源熱釋放速率達到最大時，走廊末端測點9的溫度在所有工況下的對比圖。從圖中可以看出，走廊內(nèi)設置擋煙垂壁后，各測點煙氣溫度明顯降低。同一時刻下設置擋煙垂壁與不設擋煙垂壁對走廊末端溫度影響達到12.4%～52.9%，且垂壁下垂高度越大，設置個數(shù)越多，對走廊末端煙氣的溫降效果越明顯。

圖5 測點9在各工況下溫度對比

當垂壁下垂高度一定時，走廊內(nèi)垂壁設置個數(shù)不同，走廊另一端溫度的變化范圍也不同。垂壁設置個數(shù)越多，走廊另一端降溫效果越明顯。對垂壁設置為h=0.9 m，n=5個的走廊末端溫度最大降幅達到40%。當設置個數(shù)一定時，對垂壁下垂高度而言，具有相同的變化趨勢，主要表現(xiàn)為垂壁下垂高度越大，溫度降幅效果越明顯。對比分析同一下垂高度不同垂壁個數(shù)與同一垂壁個數(shù)不同下垂高度測點9的溫度差值可以看出，下垂高度相同時走廊垂壁個數(shù)的設置對煙氣溫降效果大于垂壁個數(shù)相同時下垂高度對煙氣的溫降效果。

3 結論

本文以氣體流動控制方程為基礎，基于湍流大渦算法對設置擋煙垂壁的防護工程煙氣擴散情況進行了研究分析，結果表明：

(1)擋煙垂壁的設置使得走廊頂棚處形成蓄煙池，有效減小了煙氣的擴散范圍。

(2)走廊內(nèi)擋煙垂壁的下垂高度和個數(shù)的設置對煙氣特征參數(shù)均有影響。主要表現(xiàn)為擋煙垂壁個數(shù)的設置對煙氣特征參數(shù)的影響效果大于下垂高度對煙氣特征參數(shù)的影響效果。

(3)通過比較所有工況發(fā)現(xiàn)，擋煙垂壁設置個數(shù)越多、下垂高度越大對煙氣擴散的阻擋效果越明顯。

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Simulation on smoke diffusion in protective engineering fire based on turbulent large eddy algorithm

Deng Zhongkai, Mao Jinfeng, Zhou Jin

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China )

The smoke diffusion in protective engineering fire with smoke screen was simulated based on the turbulence large eddy algorithm, which based on air flow control equation in general. The effect of smoke screen on smoke diffusion was assessed by smoke diffusion range and temperature. The result shows that smoke screen shaped the smoke pools near the corridor ceiling, which effectively reduced the diffusion range of smoke. The more the number of smoke screen was and the greater the drooping height was, the more obvious the obstruction effect on smoke diffusion was.

turbulent large eddy algorithm; smoke diffusion; protective engineering; smoke screen

TU998.1

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.004

鄧忠凱，茅靳豐，周進.基于湍流大渦算法的防護工程火災煙氣擴散仿真研究[J].微型機與應用，2017,36(17)：12-14.

2017-03-15)

鄧忠凱(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：煙氣擴散，人員疏散仿真。茅靳豐(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：工程內(nèi)部設備及系統(tǒng)防護研究。周進(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：煙氣擴散，人員疏散仿真。