含階梯結(jié)構(gòu)的高層樓梯井內(nèi)煙氣湍流及輸運特征量的全局敏感性分析

徐君儒，邱 榕*，熊才溢，蔣 勇，黃 玥

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,合肥,230026; 2.重慶市渝北區(qū)公安消防支隊,重慶,401120)

含階梯結(jié)構(gòu)的高層樓梯井內(nèi)煙氣湍流及輸運特征量的全局敏感性分析

徐君儒1，邱 榕1*，熊才溢1，蔣 勇1，黃 玥2

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,合肥,230026; 2.重慶市渝北區(qū)公安消防支隊,重慶,401120)

高層建筑豎井火災(zāi)中影響因素眾多，并且各因素對高層樓梯井火災(zāi)中重要現(xiàn)象、關(guān)鍵數(shù)值等的影響大小不一，使得此類火災(zāi)中的實驗或理論研究成本較高。通過建立全局敏感性分析平臺，定量考察了高層樓梯井結(jié)構(gòu)所涉及因素的影響大小，并能夠方便地篩選掉對所考察量影響較小的因素，以降低實驗或計算成本。使用數(shù)值模擬方法，通過CFD軟件對包含階梯幾何框架的高層樓梯井結(jié)構(gòu)火災(zāi)進(jìn)行了共計60次工況計算。并且根據(jù)計算結(jié)果，使用全局參數(shù)敏感性分析方法，得出建筑尺寸、熱釋放速率、環(huán)境參數(shù)對高層樓梯井內(nèi)煙氣湍流特性及輸運特性的敏感性排序。結(jié)果表明，火源熱釋放速率對各輸出參數(shù)的影響均占38%以上。

樓梯井；敏感性分析；高層建筑；煙氣；中性面

0 引言

城市化發(fā)展使得有著更高土地利用率的高層建筑被更多地使用，而高層建筑中因其高度較大、人員集中、功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點使得其有著較大的火災(zāi)安全隱患。另外，高層建筑中的樓梯井等豎井結(jié)構(gòu)使得此類型建筑中的火災(zāi)有著火災(zāi)發(fā)展迅速、煙氣擴散快、人員疏散難的特點[1]。因此，針對高層建筑中的豎井結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者做過大量的研究。

加拿大國家研究院的Klote等[2, 3]對火災(zāi)煙氣控制系統(tǒng)的計算機數(shù)值模擬、測試方法等進(jìn)行了研究，并且在之后的數(shù)年間，對豎井內(nèi)煙囪效應(yīng)進(jìn)行了研究并提出豎向通道結(jié)構(gòu)內(nèi)煙囪效應(yīng)的產(chǎn)生原因是溫度差帶來的壓力分布。Sun等[4]分析了在樓梯井結(jié)構(gòu)中樓梯結(jié)構(gòu)對流場的影響，并得出了流場渦旋和溫度的關(guān)系。

參數(shù)敏感性分析方法通過線性變化、傅里葉展開等方法得到特定輸入?yún)?shù)對于特定輸出參數(shù)的定性或定量分析。對于局部參數(shù)敏感性分析方法在火災(zāi)領(lǐng)域中的運用，可追溯至Khoudja[5]考察若干輸入?yún)?shù)對早期CFAST輸出結(jié)果的影響時使用的數(shù)學(xué)方法。Peacock等[6]通過偏導(dǎo)數(shù)敏感性分析方法研究了導(dǎo)熱熱損失分?jǐn)?shù)對煙氣層高度的影響。Kong等[7]使用相關(guān)系數(shù)、回歸系數(shù)等統(tǒng)計系數(shù)也對DETACT- T2模型進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。而對于全局參數(shù)敏感性分析方法，Albrecht和Hosser[8]采用自適應(yīng)響應(yīng)面法得到FDS中熱釋放速率、CO及soot生成量對煙氣密度等的影響。Suard等[9]使用基于部分因子設(shè)計的敏感性分析方法對腔室火災(zāi)模型中部分輸入?yún)?shù)進(jìn)行了敏感性分析。全局參數(shù)敏感性分析方法的研究運用至火災(zāi)領(lǐng)域中的研究相對較少，且未運用至高層建筑豎井結(jié)構(gòu)相關(guān)的火災(zāi)研究中。

本文使用CFD軟件進(jìn)行高層樓梯井火災(zāi)算例的數(shù)值重構(gòu)，設(shè)計了10組實驗，共計60個工況。通過CFD計算，得到敏感性分析所需輸入輸出參數(shù)數(shù)據(jù)，再利用全局敏感性分析方法，給出高層樓梯井火災(zāi)煙氣行為中部分關(guān)鍵因素的定量敏感性排序。另外，前人對豎井火災(zāi)的研究模型通常僅考慮類似電梯井的空洞豎直結(jié)構(gòu)，對樓梯井中的階梯結(jié)構(gòu)通常保持省略且未做研究，但在火災(zāi)發(fā)生時，電梯通道等常處于關(guān)閉狀態(tài)，含階梯結(jié)構(gòu)的樓梯井內(nèi)煙氣現(xiàn)象對人員逃生等有著更直接的影響，并且階梯結(jié)構(gòu)對豎井中的煙氣對流等行為影響顯著，因此本文考慮加入階梯結(jié)構(gòu)的樓梯井通道中的煙氣湍流及輸運情況。

1 理論模型

1.1 參數(shù)敏感性分析方法

參數(shù)敏感性分析可以通過計算輸入?yún)?shù)變化時所考察輸出結(jié)果參數(shù)的變化，變化的輸入?yún)?shù)對計算結(jié)果的影響定量分析。敏感性分析包含了局部及全局兩種類型[10]。全局敏感性分析可以分析所有參數(shù)對輸出的影響，可以考察參數(shù)間的交互作用，較局部敏感性分析更為優(yōu)越[11]。故本文采用全局敏感性分析法。

Morris篩選法在每次變動某一參數(shù)的取值同時保持其它參數(shù)不變，在此條件下計算各參數(shù)的基本影響程度[12]。此篩選法得出的基本影響程度可以作為衡量參數(shù)重要性的指標(biāo)，不同輸入?yún)?shù)間不同的基本影響程度可以通過比較其大小甚至數(shù)量級來衡量其對輸出參數(shù)的影響大小，并使用線性以及非線性的水平值，將參數(shù)的局部影響消除，是一種全局敏感性分析方法。Morris篩選法的核心公式如下：

di(x)=[y(x1,x2,…,xi-1,xi

+Δ,xi+1,…,xk)-y(x)]/Δ

(1)

式中di表示第i個參數(shù)的敏感性，Δ表示輸入?yún)?shù)變化量。

按照Morris敏感性分析要求設(shè)置輸入?yún)?shù)，如式2所示進(jìn)行輸入?yún)?shù)的初始化：

(2)

式中m表示k+1，k表示輸入?yún)?shù)個數(shù)。式(2)中各變量含義匯總?cè)绫?所示，表示了輸入?yún)?shù)設(shè)置的過程。矩陣B中0、1的位置在此式中分別表示了還未變化的參數(shù)和變化后的參數(shù)的位置，經(jīng)過式(2)，矩陣B*中也僅有0、1，表示變換后的相應(yīng)參數(shù)位置。

表1 式(2)中各變量含義

通過式(2)的變換，降低所選取的輸入?yún)?shù)的值對結(jié)果的影響。式(2)還保證每組有(輸入?yún)?shù)個數(shù)+1)個工況，其中每兩個工況間隨機變動一個參數(shù)。通過變換，使得這k+1個工況中每個輸入?yún)?shù)都會變化且僅變化一次。

1.2 湍流模型

FDS的計算中使用大渦模擬作為湍流模型或采用直接數(shù)值模擬[13]。本文使用大渦模擬模型進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值實驗的計算。

(3)

FDS6中大渦模擬默認(rèn)選用Deardorff模型，定義湍流粘度為:

(4)

(5)

2 數(shù)值模擬準(zhǔn)備及設(shè)置

2.1 敏感性分析平臺

將參數(shù)敏感性分析運用至高層建筑火災(zāi)領(lǐng)域。首先在FDS軟件中，針對不同的輸入?yún)?shù)，設(shè)置不同參數(shù)下的工況。每個工況經(jīng)過CFD計算，得到相應(yīng)的溫度場、速度場、粘度場、濃度場等信息。這些信息通過后處理后，可以得出各輸出參數(shù)。將對應(yīng)的輸入?yún)?shù)及后處理后的輸出參數(shù)共同加入敏感性分析模塊后得出敏感性分析結(jié)果。流程如圖1所示。

需要先針對單組進(jìn)行敏感性的計算，單組流程也可參考圖1。在這樣的一輪循環(huán)結(jié)束后，還需循環(huán)進(jìn)行多次此過程，得出多組的敏感性分析結(jié)果以降低隨機性。每個組的輸入?yún)?shù)設(shè)置不同。如圖2所示，首先使用輸入?yún)?shù)，以及使用后處理所需數(shù)據(jù)通過各個后處理函數(shù)所得到的輸出參數(shù)，計算單組敏感性。重復(fù)此過程，多組的敏感性分析結(jié)果。通過各組的敏感性分析結(jié)果，最后得到最終的敏感性分析結(jié)果。通過此耦合Morris篩選法的平臺實現(xiàn)對高層樓梯井火災(zāi)的敏感性分析。

圖1 敏感性分析流程Fig.1 Progress of sensitivity analysis

圖2 敏感性分析平臺框架Fig.2 Framework of the sensitivity analysis platform

2.2 計算設(shè)置

2.2.1 模型設(shè)置

本文根據(jù)實際某高層建筑樓梯井部分建模，得到長5.4 m、寬3.0 m、高36.55 m的樓梯井結(jié)構(gòu)，樓梯井與樓層房間直接相連，中間無前室分隔。模型按照工程實際布局，包含各層及各半層平臺以及樓梯道，如圖3(a)所示。在火災(zāi)發(fā)生時，電梯通道常處于關(guān)閉設(shè)置，含階梯結(jié)構(gòu)的樓梯井對人員逃生等有著更直接的影響，因此本文在此對樓梯井的建模按照實際情況設(shè)置，考慮階梯結(jié)構(gòu)。設(shè)置火源發(fā)生于與樓梯井相連的房間內(nèi)。此房間與樓梯井一層相連，房間尺寸按照建筑原型內(nèi)與樓梯井相連房間參數(shù)設(shè)置，如圖3(b)所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the model

2.2.2 輸入輸出參數(shù)

考慮樓梯井中影響較大的因素。Harish和Venkatasubbaiah[14]研究了高層豎井橫向縱向開口對內(nèi)部氣體流動的耦合作用，指出豎井與相連腔室的豎直連接口以及豎井內(nèi)對外的豎直通風(fēng)口對豎井內(nèi)煙氣流動模式影響巨大。Black[15]研究了眾多因素對電梯井結(jié)構(gòu)中火災(zāi)煙氣運動的影響，得出電梯井寬度、室外風(fēng)速、建筑材料屬性等因素對此結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣運動影響很小，而室外溫度、井內(nèi)通風(fēng)口的影響相對較大，且不同季節(jié)的環(huán)境溫度下結(jié)果差異可達(dá)50%。在許等[16]對豎井中性面位置的預(yù)測模型研究中，側(cè)向開口的參數(shù)是預(yù)測模型中性面的重要參數(shù)。張[17]在其博士論文中得出火源功率與羽流上升時間的次方之間符合反比關(guān)系且影響溫度峰值，并且火源規(guī)格對煙氣溫度、CO濃度的影響較為顯著。因此，綜合豎井結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究成果，考慮豎井內(nèi)窗口尺寸、環(huán)境溫度、火源房間與樓梯間房門尺寸、火源熱釋放速率5個因素作為本文研究的模型輸入?yún)?shù)。

考慮樓梯井內(nèi)煙氣行為的重要指標(biāo)作為輸出參數(shù)。除上述豎井結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究[14- 17]中考慮的煙氣上升速度、中性面高度、煙氣溫度、有害氣體濃度這些火災(zāi)中關(guān)鍵問題外，Zhang等[18]在其對腔室火災(zāi)湍流特性的研究中考察了煙氣湍流中溫度場、速度場的脈動均值及脈動強度。因此，本文考慮井內(nèi)中心線上某相同無量綱高度點的湍流溫度均值、湍流溫度脈動強度、縱向湍流速度均值、法向湍流速度均值以及建筑內(nèi)中性面高度、煙氣上升速度、煙氣溫度峰值、CO濃度峰值作為輸出參數(shù)。

輸入?yún)?shù)設(shè)置取值范圍設(shè)定首先參考建筑實際尺寸及相關(guān)規(guī)程[19]，并參考中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的許，張，李等[16, 20, 21]在對高層建筑豎井通道研究中的工況設(shè)置，考慮各輸入?yún)?shù)取值范圍。外窗寬度取值[0.8 m,1.2 m]，環(huán)境溫度取值[5 ℃,30 ℃]，豎井及火源房間連通門寬度取值[0.8 m,1.2 m]，火源熱釋放速率取值[3 MW,6 MW]。對輸入輸出參數(shù)無量綱化后再進(jìn)行敏感性分析以降低模型間非獨立關(guān)系。記豎井寬度為特征長度，特征長度與重力加速度之積的算術(shù)平方根為特征速度，特征長度除以重力加速度之商的算術(shù)平方根為特征時間。

3 結(jié)果與討論

3.1 CFD結(jié)果后處理

因為FDS的計算結(jié)果給出的測點信息及場信息中并不能直接得出本文考量的所有輸出參數(shù)，所以需要編寫后處理函數(shù)以得到所需輸出參數(shù)。按照前文所列輸出參數(shù)，分別編寫后處理函數(shù)。

3.1.1 湍流均值及脈動強度

圖4 相同無量綱時刻下第一組前三個工況中心線上溫度均值比較Fig.4 Mean temperature at centerline of the first three cases in group 1 at the same non- dimensional time moment

選取中心線上某無量綱高度相同的位置在相同無量綱時間范圍內(nèi)溫度、速度分量均值。圖4為某相同無量綱時間段內(nèi)第一組前三個工況中心線上湍流均值比較，其中縱坐標(biāo)均為無量綱高度。由圖4可以看出單個參數(shù)變動對這些物理量存在影響。圖4中所選取無量綱時間點為穩(wěn)定前時間點，該時間點下煙氣未在井內(nèi)完全發(fā)展，僅顯示至流場變化明顯的位置。和無階梯結(jié)構(gòu)豎井中的湍流均值圖形相比[18]，加入階梯結(jié)構(gòu)中的湍流均值有較明顯的隨樓層的波動，此波動是由規(guī)律的階梯結(jié)構(gòu)造成的波動。

溫度湍流脈動強度同Zhang等[18]使用的湍流強度公式，公式如下：

(6)

其中t′為湍流脈動。

湍流脈動計算選取相同無量綱時間段內(nèi)湍流脈動。圖5為第一組前三個工況在相同無量綱時間段內(nèi)湍流溫度脈動，單一參數(shù)變動對湍流脈動強度及均值均有較明顯影響。

圖5 第一組前三個工況在相同無量綱時間段內(nèi)溫度脈動Fig.5 Intensity of temperature fluctuation of the first three cases in group 1 at the same non- dimensional time period

3.1.2 中性面高度

中性面位置取煙氣流動發(fā)展穩(wěn)定時的煙氣流動情況進(jìn)行計算，本算例取煙氣流動穩(wěn)定時的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。其中，各個工況所選取流動穩(wěn)定的無量綱時間相同。按照中性面的定義，中性面為與外界壓強相等的一層[22]。中性面高度計算首先選取各樓層窗戶的中心點，考察此處的窗口法向速度，其中窗口朝外為正向。圖6(a)為第一組第一個工況中各窗口法向速度隨樓層高度的關(guān)系，其中的散點為窗口各樓層窗戶的中心點，曲線為擬合曲線。如圖6(a)所示，隨著樓層增高，煙氣有著由向樓梯井內(nèi)部流動轉(zhuǎn)為向樓梯井外部流動的趨勢。在這里選取擬合曲線與直線V=0交點的縱坐標(biāo)為中性面的高度。

圖6(a)中各樓層窗口中心點速度分量擬合曲線中性面現(xiàn)象明顯。圖6(b)為未設(shè)置階梯結(jié)構(gòu)的豎井中的中性面計算情況。無樓梯階梯結(jié)構(gòu)的豎井模型中，中性面計算較高，符合Black[15]對于無階梯結(jié)構(gòu)豎井結(jié)構(gòu)的研究數(shù)據(jù)，但是實際情況是包含階梯結(jié)構(gòu)的，中性面會因階梯的存在對氣體向上的對流造成阻礙。加入階梯結(jié)構(gòu)后，樓梯井內(nèi)中性面位置較不加時偏低，本文加入階梯結(jié)構(gòu)以研究真實情況下樓梯井結(jié)構(gòu)。

圖6 各樓層窗口中心點速度分量散點及擬合曲線Fig.6 Horizontal velocity scatter at the center of windows and the fitting line

3.1.3 煙氣上升速度

單點速度瞬時值或均值不能體現(xiàn)井內(nèi)宏觀煙氣上升的快慢，本文考察宏觀的煙氣上升速度，即一定濃度煙氣上升至一定高度的速度。煙氣中煙顆粒帶來的消光系數(shù)與火場中可見度有強相關(guān)性[23]，本文引用視覺設(shè)備在火場中運行極限值[24]及性能化設(shè)計中小空間可見度的極限值5米為閾值，判定在火災(zāi)煙氣發(fā)展穩(wěn)定前相同無量綱時刻下，可見度低于閾值的最高點為煙氣蔓延的最大高度，并以此定量分析煙氣上升的快慢。通過遍歷數(shù)據(jù)，標(biāo)記在樓梯井結(jié)構(gòu)內(nèi)部的、能見度低于閾值的點，并忽略可見度高于閾值的點，且僅保留高度最高的點作為返回的輸出參數(shù)。

3.1.4 物理量峰值

選取火災(zāi)煙氣發(fā)展穩(wěn)定前相同無量綱時間內(nèi)所考察物理量湍流均值的峰值進(jìn)行分析。選取該時刻下的最大CO濃度及最大溫度。

3.2 數(shù)據(jù)整合后的敏感性分析結(jié)果

單組敏感性分析流程如圖1所示，計算所有單組敏感性后，對各單組的敏感性結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并通過敏感性分析平臺中計算總敏感性函數(shù)得出最終結(jié)果。圖7及圖8為通過10組獨立數(shù)據(jù)得出的湍流敏感性計算結(jié)果。各圖的輸入?yún)?shù)由上至下分別為窗口寬度、環(huán)境溫度、豎井與火源房間連通口寬度、熱釋放速率。

圖7 影響樓梯井內(nèi)湍流特性的各輸入?yún)?shù)敏感性Fig.7 Sensitivity result of influence factors associated with turbulence characteristics

圖7(a)中的敏感性數(shù)據(jù)顯示了對于豎井內(nèi)湍流溫度均值影響最大的是火源熱釋放速率。外窗及連通口尺寸、環(huán)境溫度三項遠(yuǎn)小于火源熱釋放速率對湍流溫度均值的影響?；鹪礋後尫潘俾蕟雾棇囟染档拿舾行詳?shù)值達(dá)到了+0.841，可以表示熱釋放速率對溫度均值的數(shù)值為正向影響，即增大火源熱釋放速率將增大溫度均值，且對湍流溫度均值的定量影響在所有輸入?yún)?shù)中的比值達(dá)到84.1%。火源房間與樓梯井的連通口尺寸的敏感性數(shù)值在所有因素中僅次于熱釋放速率，但數(shù)值僅有+0.130，明顯小于熱釋放速率的影響。雖然環(huán)境溫度、外窗尺寸對溫度均值的影響非常直觀，即環(huán)境溫度給定了豎井內(nèi)的起始溫度且外窗尺寸和環(huán)境溫度都影響著井內(nèi)與外界對流換熱，但是通過定量的敏感性分析，可得此二者對溫度均值的影響與火源熱釋放速率相比而言可忽略不計。值得注意的是敏感性分析結(jié)果表明的影響大小是相對與本文各所選輸入?yún)?shù)而言的，如輸入?yún)?shù)中不考慮火源熱釋放速率，則連通口尺寸與其它參數(shù)相比將會對溫度均值有較大影響。圖7(b)中可反映上述四個輸入?yún)?shù)對樓梯井內(nèi)湍流溫度脈動強度的影響程度。火源熱釋放速率在所有輸入?yún)?shù)中仍然是影響最大的參數(shù)，敏感性數(shù)值達(dá)-0.547，其中負(fù)值表示此輸入?yún)?shù)增大將抑制湍流脈動強度。外窗尺寸相比于對溫度均值可忽略不計的敏感性，其對于溫度脈動強度的敏感性較為顯著，僅次于火源熱釋放速率，達(dá)+0.283。環(huán)境溫度對脈動的影響較小。圖7(c)為各輸入?yún)?shù)對水平方向(外窗法向)速度分量均值的敏感性結(jié)果，火源熱釋放速率敏感性數(shù)值最高，達(dá)+0.733。不同于溫度均值，對法向速度均值，外窗尺寸影響比火源房間與樓梯井連通口尺寸大。外窗尺寸敏感性數(shù)值為+0.217，遠(yuǎn)大于連通口敏感性的數(shù)值-0.036，因為井內(nèi)煙氣的水平運動和外窗有直接關(guān)聯(lián)，讓外窗尺寸影響更大。相比其他因素，環(huán)境溫度影響仍然很小。圖7(d)中展示了4個輸入?yún)?shù)對速度絕對值均值的敏感性。其規(guī)律與速度分量均值類似，但火源房間與樓梯井連通口尺寸敏感性比重增大，由-0.036增至+0.339。連通口尺寸限制煙氣發(fā)展階段煙氣進(jìn)入樓梯井內(nèi)的煙氣流率，相比于氣體在進(jìn)入豎井后的水平運動，其對于煙氣速度絕對值有更直接的影響。

由圖7各子圖中可知火源熱釋放速率對樓梯井內(nèi)各湍流特性物理量影響在所有輸入?yún)?shù)中均占較大比重，而環(huán)境溫度作為輸入?yún)?shù)之一，與熱釋放速率、外窗尺寸、火源房間與豎井連通口尺寸等參數(shù)相比影響很小。建筑內(nèi)特定的結(jié)構(gòu)，如外窗尺寸、火源房間與豎井連通口尺寸分別對湍流中某些物理量影響較大。

圖8(a)反映出對樓梯井內(nèi)中性面高度影響最大的輸入?yún)?shù)是火源面積。由圖8(a)可知，火源熱釋放速率對中性面高度的影響達(dá)到了+0.549，豎井和火源房間連通口尺寸對其影響達(dá)+0.343。雖然外窗尺寸的影響比起熱釋放速率很小，但仍然是環(huán)境溫度影響的3倍。熱釋放速率、連通口及外窗尺寸的增大使得中性面位置上升。值得注意的是關(guān)于預(yù)測中性面的模型[16]表明連續(xù)的豎井內(nèi)側(cè)向開口寬度對中性面高度影響較大，但其研究未對其它參數(shù)進(jìn)行耦合比較，且本例中為按照普通樓房采光及自然通風(fēng)面積設(shè)置側(cè)向開口，并非連續(xù)側(cè)向開口。此敏感性分析結(jié)果表明正常尺寸的外窗寬度相較于火源熱釋放速率及豎井和火源房間連通口對中性面高度影響較小。另外，本算例中在樓梯井內(nèi)設(shè)置了階梯結(jié)構(gòu)，對煙氣的對流及中性面的形成有直接影響，因此此敏感性分析結(jié)果適用于包含階梯結(jié)構(gòu)的樓梯井結(jié)構(gòu)，可能和未設(shè)置階梯結(jié)構(gòu)的豎井結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果有所不同。煙氣上升速度的影響因素比較可見于圖8(b)。圖8(b)中顯示了火源熱釋放速率對于煙氣上升速度影響較大，達(dá)+0.712。其余3個輸入?yún)?shù)對煙氣上升速度影響均遠(yuǎn)小于火源面積，這3者中影響最大的屬外窗尺寸，達(dá)-0.160。火源熱釋放速率增大、火源房間與豎井連通口尺寸加大將對井內(nèi)煙氣上升產(chǎn)生的促進(jìn)作用和外窗尺寸加大的排煙作用非常直觀，敏感性實驗結(jié)果在此基礎(chǔ)上表明火源熱釋放速率增大的促進(jìn)作用明顯大于外窗尺寸加大的抑制作用，說明若要通過加大外窗尺寸來抵消火源熱釋放速率增大而帶來的煙氣上升速度的加快，在此量綱下加大的尺寸數(shù)值需要明顯大于熱釋放速率增大數(shù)值。由圖8(c)可得火源房間與樓梯井之間連通口和火源熱釋放速率對樓梯井內(nèi)最大CO濃度影響較大。這4個輸入?yún)?shù)中，僅外窗尺寸會對CO峰值造成較為明顯的抑制，其余的參數(shù)如房門尺寸都對其有促進(jìn)作用。樓梯井與火源房間之間的連通口是火源房間與樓梯井內(nèi)CO物質(zhì)交換的直接通道，火源熱釋放速率決定了CO的生成速率，通過外窗井內(nèi)CO排至外界，三者影響均較大，但敏感性分析結(jié)果表明連通口及熱釋放速率對CO峰值的促進(jìn)作用均大于外窗的抑制作用。環(huán)境溫度仍然影響很小，僅有火源熱釋放速率影響的1/20以下，在熱釋放速率等因素加入考量時可忽略不計。圖8(d)中展示了影響溫度峰值的各輸入?yún)?shù)的敏感性?；鹪礋後尫潘俾蕦τ谧罡邷囟扔绊懛浅４?，達(dá)+0.795，其余3個參數(shù)影響之和僅為熱釋放速率影響的1/4。外窗尺寸和環(huán)境溫度對溫度峰值的影響較小。計算結(jié)果顯示各輸入?yún)?shù)所對應(yīng)的敏感性都是正值，表示各輸入?yún)?shù)對最大溫度的影響都是正向的，即這些輸入?yún)?shù)在數(shù)值上的增大將使得最大溫度增加。

圖8 影響樓梯井內(nèi)煙氣特性的各輸入?yún)?shù)敏感性Fig.8 Sensitivity result of influence factors of transport characteristics

通過敏感性分析結(jié)果中的敏感性數(shù)值，可以通過控制可控變量，對所關(guān)注的難以控制的現(xiàn)象進(jìn)行一定程度上的調(diào)控，并且在將特定輸出參數(shù)作為主要考察對象的情況時，著重設(shè)置對此輸出參數(shù)影響較大的因素，而對影響較小的因素不作過多考慮。

4 結(jié)論

本文通過全局敏感性分析方法，對高層建筑樓梯井結(jié)構(gòu)中的溫度速度場湍流均值、脈動強度以及豎井內(nèi)煙氣輸運現(xiàn)象如中性面高度等輸出參數(shù)進(jìn)行了關(guān)于建筑特定結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸、火源熱釋放速率等輸入?yún)?shù)的敏感性排序，得出了各輸入?yún)?shù)對于這些特征輸出量影響大小的定量分析。主要結(jié)論如下：

(1)火源熱釋放速率對樓梯井內(nèi)的湍流現(xiàn)象及輸運特性影響最為明顯。在各輸出參數(shù)的敏感性結(jié)果中，火源熱釋放速率對輸出參數(shù)的影響均占38%以上。

(2)火源房間與樓梯井之間的連通口尺寸對豎井內(nèi)湍流特性及輸運特性影響明顯，除井內(nèi)溫度場的湍流脈動及法向速度分量外，影響僅次于火源熱釋放速率。

(3)環(huán)境溫度對本文所選輸出參數(shù)的影響相比于火源熱釋放速率、自然通風(fēng)口尺寸、火源房間與豎井連通口尺寸很小，對各輸出參數(shù)影響均低于熱釋放速率的1/20。

(4)自然通風(fēng)情況下外窗尺寸對溫度湍流脈動、流場及輸運特性影響不能忽略，而對平均溫度場的影響相比于其他輸入?yún)?shù)較小。

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Globalsensitivityanalysisoncharacteristicsofsmoketurbulenceandtransportinstairwellshaftwithstaircasestructureinahigh-risebuilding

XU Junru1， QIU Rong1， XIONG Caiyi1， JIANG Yong1, HUANG Yue2

(1. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2. Chongqing Municipal Fire Brigade, Chongqing 401120, China)

The cost for research on shafts in high- rise buildings is sometimes unaffordable due to the various factors associated with high- rise buildings and different effects of these factors. In this work, a global sensitivity analysis platform was constructed to investigate the effects of various factors quantitatively and offer a method to lower the computational cost by filtering out those factors with minuscule influence. In total 60 cases of high- rise building stairwell with staircase structures were simulated with numerical methods and then a hierarchy of effects of building structure sizes, heat release rate and ambient parameters on the characteristics of smoke turbulence and transport was derived from the computing results utilizing global sensitivity analysis. The sensitivity analysis results show that the effect ratios of heat release rate of fire source are above 38% to all the responses.

Stairwell shaft；Sensitivity analysis；High- rise building；Smoke；Neutral pressure plane

1004- 5309(2017)- 00147- 10

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.04

2016- 12- 15；修改日期2017- 04- 11

國家重點研發(fā)項目(2016YFC0801505)；國家自然科學(xué)基金(51176181)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20133402110010)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(WK2320000033、WK2320000035)

徐君儒(1991- )，男，安全科學(xué)與工程專業(yè)研究生，研究方向為高層建筑火災(zāi)及煙氣蔓延數(shù)值模擬、火災(zāi)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模擬。

邱榕，E- mail: rqh@ustc.edu.cn

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