頂部構筑物對狹長空間煙氣蔓延阻滯機理研究

邵琳,姜昱辰,楊金溢,李志涌,蔡永壯,吳則琪

鄭州輕工業(yè)大學 建筑環(huán)境工程學院，河南 鄭州 450001

0 引言

隨著我國城市建設步伐的加快，在城市建筑中長度遠大于高度和寬度的狹長空間大量出現(xiàn)，如地鐵隧道、地下商業(yè)街、公路隧道等.這種狹長空間內(nèi)部一旦發(fā)生火災，煙氣極易擴散，難以控制[1].現(xiàn)代建筑中的狹長空間往往設置有橫梁、擋煙垂壁等頂部構筑物，這些頂部構筑物可以作為防排煙系統(tǒng)中防煙分區(qū)的分隔，將煙氣限制在一定范圍內(nèi).《建筑防火規(guī)范》[2]規(guī)定，長度>20 m的內(nèi)走道需要設置排煙設施，并在該區(qū)域劃分防煙分區(qū)，防煙分區(qū)間的分隔物往往采用擋煙垂壁.行業(yè)標準GA533—2012[3]中對擋煙垂壁的定義為：用不燃材料制成，垂直安裝在建筑頂棚、橫梁或吊頂下，能在火災發(fā)生時形成一定蓄煙空間的擋煙分隔設施.擋煙垂壁在建筑物中的作用一般是阻斷煙氣運移，將煙氣限制在一定區(qū)域內(nèi).然而，當火勢太猛或煙氣生成速度較快時，煙氣可能越過擋煙垂壁繼續(xù)向其他區(qū)域蔓延，這時，擋煙垂壁就失去了限制煙氣范圍的作用[4].J.Huang等[5]研究了擋煙垂壁高度與越過擋煙垂壁后煙氣層氣體流量、厚度、溫度等參數(shù)的關系，結果表明，隨著擋煙垂壁高度的增加，空氣的卷吸量和煙氣層的厚度減少，煙氣的溫度升高.王歡等[6]研究發(fā)現(xiàn)，擋煙垂壁可以減少空氣卷吸量、降低煙氣流速.這些研究結果表明，煙氣越過擋煙垂壁后，擋煙垂壁能夠持續(xù)影響煙氣的流動，主要表現(xiàn)為對煙氣運移的阻滯作用，但對其作用機理的研究還不夠深入.

煙氣主要是由燃燒生成物、未燃物質和卷吸空氣組成的混合物.一般認為，煙氣的生成量與燃燒物及燃燒狀態(tài)有關[7].擋煙垂壁的存在難以對火災的燃燒狀態(tài)造成影響，但卻能阻滯煙氣的流動速度[6].煙氣流動速度的減緩可能會降低空氣卷吸量，從而降低煙氣生成量，進而促使煙氣流量下降.因此，如果擋煙垂壁可以降低煙氣生成量，則很有可能是其影響了空氣卷吸量.

目前大多學者認同煙氣在狹長空間的運移一般分為4個階段[8-12]：羽流上升階段；徑向蔓延階段(煙氣接觸頂棚后開始向四周蔓延)；由徑向蔓延轉為軸向蔓延的過渡階段(兩側的煙氣接觸墻壁后發(fā)生反射，徑向流動逐漸被限制)；穩(wěn)定一維流動階段.在這4個階段中，煙氣對冷空氣均會發(fā)生不同程度的卷吸[11-14].紀杰等[15]通過實驗證明，第二階段和第三階段的空氣卷吸量不容忽視，大約為第一階段空氣卷吸量的15%.此外，還有研究表明[16]，煙氣蔓延的第三階段存在類似水躍現(xiàn)象的密度跳躍現(xiàn)象，且該現(xiàn)象受下風側頂棚狀態(tài)的影響.密度跳躍階段分為卷吸區(qū)和翻滾區(qū)，其中卷吸區(qū)是發(fā)生空氣卷吸的主要區(qū)域，而擋煙垂壁會縮短卷吸區(qū)的長度[6].

目前研究多集中于單個擋煙垂壁或頂部構筑物，較少涉及利用擋煙垂壁等頂部構筑物的阻滯作用減緩煙氣蔓延的探索.鑒于此，本文擬通過對設置多個擋煙垂壁的走廊中煙氣流動規(guī)律進行研究，初步揭示多個擋煙垂壁對煙氣的阻滯機理，以期為限制狹長空間煙氣蔓延提供理論依據(jù).

1 數(shù)值模擬方案

本文應用火災動力學模擬軟件(Fires Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)對狹長空間煙氣運移情況進行數(shù)值模擬.FDS軟件是一種以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學的軟件.建立的狹長通道FDS模型如圖1所示，其中狹長通道長30 m，寬2 m，高3 m.通道兩端設置為open邊界狀態(tài)，未設置機械或自然通風，起火前空氣靜止.火源位于距左端出口2 m處，為1 m×1 m的正方形，功率為1.6 MW[17].擋煙垂壁高度為0.5 m，分別設置無擋煙垂壁、1個(20 m 處)、2個(10 m、20 m處)和4個(5 m、10 m、15 m、20 m處)擋煙垂壁進行4組模擬.網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，網(wǎng)格范圍略大于狹長通道模型.

模型在軸向長度上每隔1 m設置1個流量監(jiān)測面，用于監(jiān)測不同區(qū)段空氣卷吸量的變化；在15 m和25 m處分別設置一串垂向速度監(jiān)測點，監(jiān)測垂直方向風速的變化，監(jiān)測點間距0.1 m.此外，模型沿狹長通道中軸線設置切片，用于觀測煙氣流動的狀態(tài).

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 煙氣蔓延時間對比

為了研究擋煙垂壁在狹長通道煙氣運移過程中的阻滯作用，測試無擋煙垂壁和分別設置1個、2個、4個擋煙垂壁情況下煙氣到達30 m處(即右端出口)的時間，并對4種情況下煙氣前鋒到達右端出口時狹長通道的煙氣狀態(tài)進行對比，結果如圖2所示.

4種情況下煙氣從右端出口溢出的時間測試結果分別為15.9 s、17.1 s、18.8 s和25.5 s.由圖2可以看出，在設置擋煙垂壁的情況下，煙氣須先填滿擋煙垂壁左側區(qū)域才能越過擋煙垂壁繼續(xù)向右蔓延，因此安裝擋煙垂壁會延長煙氣前鋒到達右端出口的時間，這與上述溢出時間的測試結果相符；安裝擋煙垂壁的情況下，煙氣填滿的區(qū)域是相同的，但煙氣前鋒到達右端出口的時間不同，說明煙氣越過擋煙垂壁后，擋煙垂壁對煙氣流動仍有阻滯作用，且多擋煙垂壁對煙氣運移的阻滯作用更明顯，可為人員逃生贏得寶貴時間.

2.2 垂向速度分布分析

為了分析擋煙垂壁對其前后煙氣運移速度的影響規(guī)律，對無擋煙垂壁和分別設置1個、2個擋煙垂壁的情況進行分析研究.由于只對有無擋煙垂壁的情況進行比較，所以暫未考慮4個擋煙垂壁的情況.分別對20 m處的擋煙垂壁前后5 m處的煙氣速度垂向分布進行分析，

圖1 狹長通道FDS模型Fig.1 FDS model of long-narrow space

圖2 煙氣前鋒到達右端出口時狹長通道的煙氣狀態(tài)對比Fig.2 Comparison of flue gas state in narrow channel when the front of flue gas reaches the right exit

結果如圖3所示.由圖3可以看出，1個擋煙垂壁的情況下，煙氣在擋煙垂壁左側和右側的軸向速度有所不同，擋煙垂壁左側的煙氣運移速度明顯小于右側；對比無擋煙垂壁和1個擋煙垂壁的情況，擋煙垂壁左側煙氣的運移速度小于無擋煙垂壁的情況，擋煙垂壁右側的煙氣運移速度與無擋煙垂壁時相當，說明擋煙垂壁主要對上風側煙氣流動產(chǎn)生作用，這與王歡等[6]的研究結果一致；對比1個和2個擋煙垂壁的情況，兩處監(jiān)測點的速度變化不大，可見距左端出口10 m處的擋煙垂壁對下游煙氣流動速度也沒有明顯影響.

煙氣流動速度云圖(距左端出口2～7 m)如圖4所示.由圖4可以看出，煙氣蔓延第三階段中垂直速度變化有差異，在無擋煙垂壁的情況下，煙氣層與下部冷空氣流速差異較大，云圖中界限明顯；隨著擋煙垂壁數(shù)量的增多，煙氣層與下部冷空氣流速差異逐漸減小，說明煙氣層和冷空氣的流速差異隨擋煙垂壁的增多而減小.

2.3 不同截面煙氣流量對比

實際上，煙氣的運移速度與卷吸量相關.煙氣的卷吸是氣體的黏滯力導致的氣體動量傳遞現(xiàn)象[18]，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，煙氣層與下部冷空氣交界面處的速度梯度(速度差)與卷吸速率成正比.因此，擋煙垂壁左側煙氣流速的降低將會影響空氣的卷吸量，進而造成煙氣流量的降低.觀察各截面煙氣流量的對比圖(見圖5)可以發(fā)現(xiàn)，在2.5～5.0 m范圍內(nèi)的煙氣流量隨擋煙垂壁的增多而減少，煙氣的最終流量也隨擋煙垂壁的增多而減少.可見在火源附近的煙氣與下部冷空氣流速差異隨擋煙垂壁數(shù)量的增加而減小，造成了空氣卷吸量減少，這是擋煙垂壁對煙氣運移產(chǎn)生阻滯作用的一個重要原因.

2.4 多擋煙垂壁情形下煙氣流動狀態(tài)分析

為進一步分析多個擋煙垂壁可以降低煙氣蔓延速度的原因，對多擋煙垂壁情況下煙氣運移的速度進行分析，結果如圖6所示.由圖6可以發(fā)現(xiàn)，煙氣在越過每個擋煙垂壁時，都會造成在擋煙垂壁處的煙氣層明顯下降，可見煙氣越過擋煙垂壁所經(jīng)過的路線要比直接通過長.此外，由于煙氣繞過擋煙垂壁進入減速增壓區(qū)后，會出現(xiàn)附面層脫離現(xiàn)象，形成渦旋，而煙氣氣流的渦旋又會消耗煙氣的能量.基于這兩個原因，擋煙垂壁上游的煙氣流動速度會下降，進而使空氣卷吸量和煙氣流量下降，煙氣到達右端所用時間增長.

圖3 擋煙垂壁前后5 m處的煙氣速度垂向分布圖Fig.3 Vertical distribution diagram of flue gas velocity 5 m before and after smoke barriers

3 結語

本文對無擋煙垂壁和分別設置1個、2個、4個擋煙垂壁情況下狹長空間煙氣運移情況進行了FSD數(shù)值模擬，4種情況下煙氣前鋒到達狹長通道模型右端出口的時間分別為15.9 s、17.1 s、18.8 s和25.5 s.對擋煙垂壁前后垂向速度分布、煙氣分層流動云圖的分析表明，在狹長空間中，擋煙垂壁不僅有蓄煙作用，還能對煙氣越過擋煙垂壁后的運移繼續(xù)產(chǎn)生阻滯作用.進一步對狹長空間頂棚多擋煙垂壁情況下的速度矢量圖進行分析可知，設置多個擋煙垂壁可以明顯減緩煙氣前鋒的運移速度，對煙氣的阻滯效果優(yōu)于單擋煙垂壁.在實際應用中，可以考慮在同一防煙分區(qū)內(nèi)的走廊頂棚設置阻礙物，以減緩煙氣蔓延速度，贏得逃生時間.擋煙垂壁等頂部構筑物對煙氣蔓延速度影響的定量化研究和最優(yōu)布置形式的確定將是下一步的工作重點.

圖4 煙氣流動速度云圖(距左端出口2～7 m)Fig.4 Cloud chart of flue gas flow velocity (2～7 m away from left end outlet)

圖5 各截面煙氣流量對比圖 Fig.5 Comparison diagram of flue gas flow in each section

圖6 多擋煙垂壁狹長空間煙氣運移速度矢量圖Fig.6 Vector diagram of smoke movement velocity in long-narrow space with several smoke barriers