環(huán)境風(fēng)作用下弧形立面機(jī)場航站樓自然排煙效果的數(shù)值模擬研究

趙鵬程，姚 斌

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

機(jī)場航站樓、高鐵站、體育館等大空間建筑具有通透性的要求，多采用自然排煙方式進(jìn)行排煙。自然排煙效果除與建筑結(jié)構(gòu)形式、火災(zāi)荷載、火源類型等因素有關(guān)外，還在很大程度上會受到環(huán)境風(fēng)的影響。韓見云等[1]利用FDS和Rhino模擬軟件模擬1.5 MW火災(zāi)發(fā)生時自然排煙窗的排煙效果，考慮到外界環(huán)境的熱障效應(yīng)，為使煙氣順利排至室外，研究給出了指廊區(qū)域高側(cè)窗的安裝高度范圍。孫亮和黃文麗[2]采用FDS模擬軟件分析了中庭頂部和側(cè)面自然排煙窗在有風(fēng)條件下的排煙效果，結(jié)果表明外界側(cè)向風(fēng)會阻礙煙氣的排放，風(fēng)速越大，排煙效果越差。高為剛和楊云[3]研究了不同火源功率的火災(zāi)在外界風(fēng)作用下的自然排煙效果，認(rèn)為在迎風(fēng)側(cè)的側(cè)向排煙口排煙效果會隨著風(fēng)速的增加而受到越來越強(qiáng)的抑制。Chow和Li[4]利用數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法，研究了環(huán)境風(fēng)和煙羽流對中庭頂部自然排煙速率的影響，當(dāng)環(huán)境風(fēng)是排煙速率的主要影響因素時，會很大程度上降低排煙口處的煙氣流速，降低程度取決于建筑物側(cè)壁距中庭的距離。W?grzyński和Krajewski[5]對比了有外界風(fēng)和無風(fēng)條件下，壁掛式的煙氣導(dǎo)流裝置的效率，發(fā)現(xiàn)有風(fēng)時，排煙效率降低37%，外界風(fēng)對自然排煙有重要影響。Li等[6]研究了外界風(fēng)作用于高層建筑中庭屋頂時的自然排煙效果，當(dāng)外界風(fēng)作用于建筑物時，迎風(fēng)面的排煙口將直接失去排煙能力。竇清華[7]對某機(jī)場航站樓自然排煙窗的排煙效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，該航站樓立面平整，排煙窗位于頂部與側(cè)面四周，考慮了頂窗與側(cè)窗的7種啟閉方式，發(fā)現(xiàn)若火源功率超過6 MW，且室外風(fēng)速大于5 m/s時，迎風(fēng)面的側(cè)窗不能將煙氣有效排至室外，此時需要打開頂部排煙窗以及背風(fēng)面的側(cè)窗以使煙氣順利排至室外。

前人研究多集中于簡單立面結(jié)構(gòu)建筑，但對環(huán)境風(fēng)作用于弧形立面等復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)形式的航站樓時研究不足，排煙窗局部的風(fēng)向、風(fēng)速分布復(fù)雜，可能會導(dǎo)致排煙失敗，這需要進(jìn)一步優(yōu)化啟閉自然排煙窗的控制模式，保證排煙的有效性。在前人工作的基礎(chǔ)上，本文以某弧形立面航站樓為例，以候機(jī)指廊為研究對象，以危險(xiǎn)到達(dá)時間作為量化排煙效果的代表性參數(shù)，選取典型區(qū)域的自然排煙窗分段控制，采用FDS模擬軟件模擬有環(huán)境風(fēng)作用時排煙窗分段控制和不分段控制下的煙氣運(yùn)動特性，獲得煙氣的危險(xiǎn)到達(dá)時間，以期得到不同的排煙窗控制模式和發(fā)煙量對航站樓到達(dá)危險(xiǎn)時間的規(guī)律，為排煙窗的優(yōu)化控制提供參考。

1 研究對象

如圖1所示，為某機(jī)場航站樓的效果圖，航站樓的構(gòu)型為指廊式，長為1 270 m，寬為514 m，高度為45 m，建筑分五層，一層標(biāo)高±0.0 m，為到達(dá)層，二層標(biāo)高+4.8 m，為中轉(zhuǎn)層，三層標(biāo)高+8.8 m，為國際出發(fā)層，四層標(biāo)高+14.0 m，為國內(nèi)出發(fā)層，其中三層、四層與四層夾層相貫通，為大空間區(qū)域。選取三層國際出發(fā)層指廊區(qū)域弧形立面段為研究對象，該區(qū)域面積約為59 000 m2，如圖1黑色框線區(qū)域。自然排煙窗由側(cè)面高位排煙窗和頂部排煙窗組成，圖2為指廊大空間區(qū)域的側(cè)面高位排煙窗示意圖，側(cè)面高位排煙窗底部距三層地面9.2 m，單個排煙窗長2.0 m，高1.0 m，排煙窗有效面積占地面面積的2.38%，其中側(cè)面高位窗占1.32%，頂部排煙窗占1.06%。

圖1 某機(jī)場航站樓效果圖Fig.1 Rendering of the airport terminal

圖2 航站樓指廊區(qū)域側(cè)面高位排煙窗示意圖Fig.2 Schematic diagram of high side exhaust windows of corridor of airport terminal

2 數(shù)值模擬

2.1 危險(xiǎn)狀態(tài)判定

參考國內(nèi)眾多工程案例以及學(xué)者研究[8,9]，確定火災(zāi)發(fā)生時，煙氣的毒性、能見度和溫度的危險(xiǎn)臨界值如表1所示。

表1 煙氣特征參數(shù)危險(xiǎn)臨界值Table 1 Hazard threshold of smoke characteristic parameter

后續(xù)小節(jié)中，在模擬時間內(nèi)，安全出口處出現(xiàn)危險(xiǎn)，能見度先達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，因此全文的危險(xiǎn)到達(dá)時間以能見度10 m這一參數(shù)作為判定依據(jù)，危險(xiǎn)到達(dá)時間越長，排煙窗的排煙效果越好[8]。

2.2 模型建立與工況設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用FDS軟件按1∶1比例搭建機(jī)場航站樓全尺寸模型，模型如圖3所示，模擬區(qū)域?yàn)楹驒C(jī)指廊區(qū)域及相鄰的室外空間，如圖3矩形框線區(qū)域。圖4為火源位置及測點(diǎn)布置示意圖，火源位于航站樓三層國際出發(fā)廳指廊區(qū)域的商鋪，與排煙窗的水平投影距離為10.0 m，火源熱釋放速率取10.0 MW，火災(zāi)類別設(shè)定為t2-快速火，火災(zāi)增長系數(shù)取0.044[9]。在指廊區(qū)域共設(shè)置8束熱電偶樹，均勻分布在指廊區(qū)域內(nèi)，每束熱電偶樹上均勻布置7只熱電偶，熱電偶的間隔為2.0 m。同時在距離頂棚2.0 m處布置煙氣流速測點(diǎn)，煙氣層高度測點(diǎn)、煙氣流速測點(diǎn)共布置8組，用以監(jiān)測煙氣流動特性。如圖5所示，側(cè)面高位排煙窗按弧度均勻分為三組以進(jìn)行分段控制，在每段排煙窗組處各設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向傳感器，用以監(jiān)測環(huán)境風(fēng)的具體參數(shù)。在近火源處，網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m，在遠(yuǎn)火源處，網(wǎng)格劃分為1.0 m×1.0 m×1.0 m，環(huán)境溫度設(shè)置為21.0 ℃，大氣壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模擬時間為20 min。

圖3 某機(jī)場航站樓數(shù)值模擬模型圖Fig.3 Simulation model diagram of the airport terminal

圖4 火源位置及測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Fire location and measurement points layout diagrammatic sketch of airport terminal

圖5 側(cè)面高位排煙窗分組示意圖Fig.5 High side exhaust windows grouping diagram of airport terminal

根據(jù)航站樓所在地的氣象資料，該地區(qū)的年平均風(fēng)速約1.5 m/s，考慮到特殊氣候條件，最大風(fēng)級選取強(qiáng)風(fēng)，本文的環(huán)境風(fēng)速分別取0 m/s、1.5 m/s、5 m/s、10 m/s四種情況，同時考慮到風(fēng)向?qū)ε艧熜Ч挠绊?，風(fēng)向分別選取北風(fēng)、西風(fēng)、西北風(fēng)三種情況。在機(jī)場中，可燃物種類多，其發(fā)煙量也不同，如：膠合板等木材裝飾類、衣物等棉麻紡織類、室內(nèi)裝飾和座椅沙發(fā)墊材等高聚物商品類，考慮發(fā)生火災(zāi)時，可能會有多種可燃物參與燃燒，發(fā)煙量分別取0.05、0.10、0.15、0.20?？紤]不利情況，本文在關(guān)閉頂部排煙窗而啟閉側(cè)面高位排煙窗的條件下進(jìn)行研究。表2是設(shè)計(jì)的6種控制方式，W6為不分段控制模式，W1～W5為分段控制模式，W0為空白對照組。

表2 側(cè)面高位排煙窗控制模式表Table 2 Control modes of high side exhaust windows

當(dāng)環(huán)境風(fēng)作用于弧形立面航站樓時，為研究環(huán)境風(fēng)作用下排煙窗控制方式對自然排煙的影響，發(fā)煙量選取0.20，環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速考慮0 m/s、1.5 m/s、5.0 m/s和10.0 m/s四種情況，風(fēng)向考慮北風(fēng)、西北風(fēng)和西風(fēng)三種情況，排煙窗控制方式考慮六種方式，共設(shè)置60組工況，分別為A1～A6、B1～B6、C1～C6、D1～D6、E1～E6、F1～F6、G1～G6、H1～H6、J1～J6、K1～K6。當(dāng)環(huán)境風(fēng)為北風(fēng)時，為研究發(fā)煙量和危險(xiǎn)到達(dá)時間之間的關(guān)系，在僅開啟排煙窗組一(即控制模式W1)的條件下，發(fā)煙量考慮0.05、0.10、0.15和0.20四種情況，風(fēng)速考慮0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s、4.0 m/s、5.0 m/s、7.5 m/s和10.0 m/s八種情況，共設(shè)計(jì)32組工況，分別為L1-1～L1-4、L2-1～L2-4、L3-1～L3-4、L4-1～L4-4、L5-1～L5-4、L6-1～L6-4、L7-1～L7-4、L8-1～L8-4。

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

網(wǎng)格尺寸可以通過式(1)估算得到：

(1)

其中，L為網(wǎng)格尺寸，m；D*為火源特征直徑；δx為無量綱數(shù)。

Hamins和McGrattan[10]認(rèn)為δx的取值范圍應(yīng)在4～16之間。通過計(jì)算可知，網(wǎng)格尺寸的取值范圍為0.15 m～0.60 m。本文近火源處，網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m，進(jìn)一步通過FDS模擬驗(yàn)證。本文就計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了4種網(wǎng)格，分別為網(wǎng)格Ⅰ、網(wǎng)格Ⅱ、網(wǎng)格Ⅲ和網(wǎng)格Ⅳ，對應(yīng)的網(wǎng)格邊長分別為0.4 m、0.5 m、0.6 m和1.0 m?；鹪垂β蕿?0.0 MW，溫度測點(diǎn)位于火源正上方6 m處，圖6給出了火源正上方的溫度曲線。從圖6中可以看出網(wǎng)格Ⅳ的計(jì)算結(jié)果與其他三種網(wǎng)格相比，計(jì)算結(jié)果明顯偏低，網(wǎng)格Ⅰ、網(wǎng)格Ⅱ與網(wǎng)格Ⅲ的計(jì)算結(jié)果基本一致?？紤]到節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算效率，本文選擇網(wǎng)格Ⅱ，即網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

圖6 火源正上方6 m處溫度曲線Fig.6 Temperature curve at 6 m above the fire source

3 結(jié)果討論與分析

3.1 環(huán)境風(fēng)作用下自然排煙窗控制模式對排煙效果的影響

排煙窗不分段控制時，不同風(fēng)速下火源位置處600 s時的溫度云圖如圖7所示，通過對比可知當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于5 m/s時，煙氣倒灌入航站樓內(nèi)，使煙氣羽流向遠(yuǎn)離排煙窗側(cè)傾斜，危險(xiǎn)到達(dá)時間下降至354 s，甚至更低，影響人員安全疏散。為了降低環(huán)境風(fēng)對自然排煙效果的影響，自然排煙窗應(yīng)分段控制。

表3列出了在環(huán)境風(fēng)作用下，候機(jī)指廊發(fā)生發(fā)煙量為0.20的火災(zāi)時，排煙窗在各控制模式下的危險(xiǎn)到達(dá)時間。通過增加空白對照，本文模擬了排煙窗全部關(guān)閉(即W0控制模式)時的工況，發(fā)現(xiàn)在365 s時達(dá)到危險(xiǎn)。從表3中可知，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時，W2的危險(xiǎn)到達(dá)時間為399 s，W3的危險(xiǎn)到達(dá)時間為424 s，W5的危險(xiǎn)到達(dá)時間為406 s，而W6的危險(xiǎn)到達(dá)時間為354 s，W2/W3/W5(分段控制模式)的危險(xiǎn)到達(dá)時間大于W6/W0(不分段控制模式/空白對照)；當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為10 m/s時，W2的危險(xiǎn)到達(dá)時間為358 s，W3的危險(xiǎn)到達(dá)時間為438 s，W5的危險(xiǎn)到達(dá)時間為310 s，而W6的危險(xiǎn)到達(dá)時間為278 s，W2/W3/W5(分段控制模式)的危險(xiǎn)到達(dá)時間大于W6(不分段控制模式)，W3(分段控制模式)的危險(xiǎn)到達(dá)時間大于W0(空白對照)。其他風(fēng)向結(jié)果類似，此處不做贅述。

表3 環(huán)境風(fēng)作用下危險(xiǎn)到達(dá)時間Table 3 Hazard occurrence time under the action of surrounding wind

圖8給出了排煙窗不同控制模式下的危險(xiǎn)到達(dá)時間，可以從圖8各分圖中看出不分段控制模式W6在環(huán)境風(fēng)速較大時，危險(xiǎn)到達(dá)時間偏小，通過比較分段控制模式和不分段控制模式的危險(xiǎn)到達(dá)時間，發(fā)現(xiàn)均有一個或多個分段控制模式下的危險(xiǎn)到達(dá)時間大于不分段控制模式，以圖8(a)為例可知，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速超過5 m/s時，折線W2、W3和W5均位于折線W6上部，W2/W3/W5(分段控制模式)的危險(xiǎn)到達(dá)時間大于W6(不分段控制模式)。航站樓發(fā)生火災(zāi)時，為了降低環(huán)境風(fēng)的影響，排煙窗應(yīng)分段控制，分段控制模式下的排煙效果優(yōu)于不分段控制模式。

圖8 不同排煙窗控制模式下危險(xiǎn)到達(dá)時間Fig.8 Hazard occurrence time under different control modes of exhaust windows

圖9給出了環(huán)境風(fēng)作用下不同控制模式的危險(xiǎn)到達(dá)時間。排煙窗組一處的切向環(huán)境風(fēng)為西風(fēng)，法向環(huán)境風(fēng)為北風(fēng)。從圖9(a)中可知，在W1控制模式下(排煙窗組一開啟，排煙窗組二和組三關(guān)閉)，西風(fēng)和西北風(fēng)作用下的危險(xiǎn)到達(dá)時間明顯大于北風(fēng)，西風(fēng)和西北風(fēng)作用下的危險(xiǎn)到達(dá)時間相差較小，說明法向環(huán)境風(fēng)(即北風(fēng))作用于排煙窗組一區(qū)域時，排煙效果較差；從圖9(b)中可知，在W4控制模式下(排煙窗組一和組二開啟，排煙窗組三關(guān)閉)，北風(fēng)和西北風(fēng)作用下的危險(xiǎn)到達(dá)時間明顯小于西風(fēng)，北風(fēng)和西北風(fēng)作用下的危險(xiǎn)到達(dá)時間相差較小，說明切向環(huán)境風(fēng)(即西風(fēng))作用于排煙窗組一區(qū)域時，排煙效果較好。所以當(dāng)環(huán)境風(fēng)作用于弧形立面航站樓時，在法向方向的環(huán)境風(fēng)(即北風(fēng))作用下排煙效果較差，切向方向的環(huán)境風(fēng)(即西風(fēng))作用下排煙效果較好。

圖9 環(huán)境風(fēng)作用下的危險(xiǎn)到達(dá)時間Fig.9 Hazard occurrence time under different surrounding wind

圖10給出了迎風(fēng)側(cè)側(cè)面高位排煙窗的控制流程圖。當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向傳感器測得排煙窗法向方向的風(fēng)速小于5 m/s時，排煙窗分段控制模式和不分段控制模式均可有效排煙；當(dāng)測得風(fēng)速小于10 m/s時，為了有效排煙，可選擇分段控制模式W2、W3或W5；當(dāng)測得風(fēng)速大于10 m/s，則需關(guān)閉迎風(fēng)側(cè)排煙窗，以防煙氣倒灌。

圖10 自然排煙窗控制模式流程圖Fig.10 The flow diagram of control modes of exhaust windows

3.2 環(huán)境風(fēng)作用下火災(zāi)發(fā)煙量對自然排煙的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)為北風(fēng)，排煙窗在W1控制模式下(即風(fēng)向?yàn)榕艧煷暗姆ㄏ蚍较?，不同發(fā)煙量下危險(xiǎn)到達(dá)時間如表4所示。圖11給出了不同風(fēng)速下的危險(xiǎn)到達(dá)時間變化曲線。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不變時，隨著發(fā)煙量的增加，危險(xiǎn)到達(dá)時間減小，同時危險(xiǎn)到達(dá)時間的增幅減小。當(dāng)發(fā)煙量不變時，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，危險(xiǎn)到達(dá)時間呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

表4 不同發(fā)煙量下危險(xiǎn)到達(dá)時間Table 4 Hazard occurrence time under different smoke densities

在圖11中，發(fā)煙量分別為0.05、0.10、0.15和0.20時，危險(xiǎn)到達(dá)時間分別在898 s、674 s、587 s和409 s達(dá)到最大值。通過對危險(xiǎn)到達(dá)時間最大值tmax和發(fā)煙量x擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間存在線性關(guān)系，滿足關(guān)系式：tmax=-3018x+1030.5，圖12給出了不同發(fā)煙量下危險(xiǎn)到達(dá)時間最大值的擬合曲線以及擬合公式。

圖11 不同風(fēng)速下的危險(xiǎn)到達(dá)時間變化曲線Fig.11 The curve of hazard occurrence time under different wind speed

圖12 不同發(fā)煙量下危險(xiǎn)到達(dá)時間最大值擬合圖Fig.12 The fitting curve of maximum hazard occurrence time under different smoke densities

4 結(jié)論

(1)環(huán)境風(fēng)對弧形立面航站樓的自然排煙效果有較大影響，火源附近的側(cè)面高位排煙窗法向方向風(fēng)速過大時會導(dǎo)致煙氣倒灌，影響人員安全疏散。

(2)當(dāng)環(huán)境風(fēng)速過大時，采取分段控制弧形立面段側(cè)面高位排煙窗的方法可以有效降低環(huán)境風(fēng)對弧形立面航站樓自然排煙的影響，分段控制模式下的排煙效果要優(yōu)于不分段控制模式。本文提出了優(yōu)化排煙窗控制模式流程，建議在各組排煙窗安裝風(fēng)速風(fēng)向傳感器，在航站樓內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)幕馂?zāi)探測設(shè)備，確定火災(zāi)的具體位置，以優(yōu)化控制。

(3)當(dāng)排煙窗法向方向的風(fēng)速小于5 m/s時，分段控制模式和不分段控制模式下的排煙窗均可有效排煙；當(dāng)排煙窗法向方向的風(fēng)速大于10 m/s時，須關(guān)閉火源附近的側(cè)面高位排煙窗，以防煙氣倒灌。

(4)在本文研究條件下，當(dāng)發(fā)煙量在0.05～0.20之間時，危險(xiǎn)到達(dá)時間最大值tmax與發(fā)煙量x滿足線性函數(shù)關(guān)系式：tmax=-3018x+1030.5，應(yīng)控制航站樓內(nèi)可燃物的種類和數(shù)量，限制使用發(fā)煙量高的物品。