非封閉式天井形狀對煙氣蔓延影響的模擬

袁?滿，韓?崢，陳艷秋，陳龍飛

非封閉式天井形狀對煙氣蔓延影響的模擬

袁?滿1，韓?崢1，陳艷秋2，陳龍飛2

(1. 應(yīng)急管理部四川消防研究所，成都 610036；2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031)

住宅建筑中非封閉式天井常被用于改善中間戶型的通風(fēng)和采光，構(gòu)造上一般為外立面凹槽內(nèi)設(shè)置敞開外廊的形式．本文采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對給定天井面積和高度情況下，非封閉式天井的形狀對煙氣蔓延特征以及外廊安全性的影響進行數(shù)值模擬和分析．研究表明非封閉式天井煙氣上升過程中，會通過外廊上部鏤空區(qū)域與外界進行熱量和質(zhì)量交換，但天井形狀對煙氣溫度影響較?。炀纳疃扰c寬度比值越大，煙囪效應(yīng)越弱，上升速度越慢，水平擴散越明顯，非封閉式天井的煙氣前鋒上升時間越長，無量綱煙氣上升時間與無量綱高度的0.67～0.73次方呈正比關(guān)系．

天井；非封閉式天井；外廊；火災(zāi)煙氣

非封閉式內(nèi)天井常見于住宅建筑中，用于改善一梯多戶中間戶型的通風(fēng)和采光條件．在結(jié)構(gòu)形式上，非封閉式內(nèi)天井與外立面凹槽結(jié)構(gòu)相似，二者區(qū)別在于非封閉式內(nèi)天井在凹槽內(nèi)設(shè)有外廊，該外廊一般作為疏散通道或前室．在消防工作中，一般將此類結(jié)構(gòu)作為室外開放空間處理，實際上，由于凹槽的約束作用，此類非封閉式天井會成為火勢蔓延和煙氣上升的快速通道．非封閉式天井結(jié)構(gòu)，一方面具有外立面凹槽的特點，另一方面外廊對向上的煙氣流動起到一定阻礙作用．

近年來，相對于各種類型豎井煙氣運動規(guī)律的研究，非封閉式天井火災(zāi)危險性和煙氣蔓延特點的研究較少，基本都是針對某具體建筑開展的案例研究，以此得到性能化設(shè)計角度所關(guān)注的參數(shù)范圍[1-2]．極少有研究系統(tǒng)針對非封閉式天井的煙氣蔓延特征．少數(shù)研究者對凹槽的煙氣和火焰蔓延開展了規(guī)律性分?析[3-6]，其中對于凹槽火蔓延特點的研究較為系統(tǒng)[4-5].研究者定義凹槽的深度與寬度的比值作為結(jié)構(gòu)因子來量化凹槽形狀[4]．潘曉菲等[7]對凹槽的結(jié)構(gòu)因子對煙氣上升過程的影響規(guī)律利用計算流體力學(xué)(CFD)方法開展了研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)因子不大于0.4的凹槽無煙囪效應(yīng)，當結(jié)構(gòu)因子在0.6～1.2范圍時，煙囪效應(yīng)逐漸增強，而繼續(xù)增大結(jié)構(gòu)因子，煙囪效應(yīng)趨于穩(wěn)定．但是，其研究中凹槽的寬度為定值，而深度為變量，這樣凹槽的面積隨深度線性變化，得到的結(jié)論很難區(qū)分是形狀差異導(dǎo)致，還是面積變化導(dǎo)致．

1?模擬場景設(shè)計

1.1?FDS軟件簡介

研究使用美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS開展，F(xiàn)DS在火災(zāi)煙氣模擬方面的可靠性已經(jīng)得到了大量驗證．FDS一般采用大渦模擬方法LES(large eddy simulation)來求解控制方程，側(cè)重于模擬空間熱場、煙粒子的擴散、熱傳導(dǎo)、空間熱流速率等現(xiàn)象．由于火災(zāi)動力學(xué)模擬尺度通常很大，為了加速計算，控制方程是從Navier-Stokes方程組上進行了系列簡化，例如不求解動量守恒方程、燃燒反應(yīng)簡化等，詳細控制方程和計算模型見FDS技術(shù)文檔和用戶手冊[8-9]．

在計算流體力學(xué)中，計算網(wǎng)格尺寸選取是影響模擬精度的重要因素之一．對于火災(zāi)這類典型熱驅(qū)動流場，網(wǎng)格尺寸與火源功率密切相關(guān)．特征火源直徑*由火源功率確定，其表達式為

經(jīng)過系列驗證研究，McGrattan等[9]發(fā)現(xiàn)火源特征直徑*與網(wǎng)格尺寸的比值*/在4～16之間的能夠較好捕捉火源驅(qū)動流場參數(shù)．

1.2?模型建筑結(jié)構(gòu)

利用FDS構(gòu)建一個33m含非封閉式天井的高層住宅建筑．模型建筑的層高為3m，即共有11層樓．天井部分截面積為6.0m2，考慮兩種結(jié)構(gòu)的天井，天井1的寬度為2.4m，深度t為2.5m，形狀系數(shù)為1.04；天井2的寬度為4.0m，深度t為1.5m，形狀系數(shù)為0.375．外廊外側(cè)到建筑外沿為1.0m，外廊寬度為1.0m，外廊兩側(cè)護墻高度為1.2m.模型的平面示意圖和FDS建模圖見圖1．

圖1?非封閉式天井結(jié)構(gòu)示意圖和FDS建模圖

1.3?場景設(shè)計及模擬參數(shù)

本文共開展了6組模擬，分別針對天井1和天井2，開展不同火源功率的數(shù)值模擬研究．模擬場景如表1所示．考慮最不利場景，將火源設(shè)置在一層靠近天井的房間內(nèi)，忽略火災(zāi)增長過程．

表1?模擬研究工況

Tab.1?Working conditions for simulation study

表中，火源功率2MW、4MW和6MW的火源特征直徑分別為1.25m、1.65m和2.18m，選取網(wǎng)格尺寸為0.25m，能夠滿足所有場景的計算需求．

2?結(jié)果與討論

2.1?非封閉式天井的煙氣上升過程形態(tài)特征

當火災(zāi)發(fā)生在靠近天井的房間內(nèi)時，火焰及煙氣以窗口溢流的形式進入天井．蔣亞強等[6]對凹槽內(nèi)溢流火特征開展研究顯示，凹槽內(nèi)溢流火的火焰高度和壁面接收熱流強度都遠高于平面溢流火．在相同開口時，溢出煙氣的水平動能相同，形狀系數(shù)越小，直接受溢出煙氣影響的可能性越大．相比封閉式天井中煙氣只能向上運動，且煙羽流基本不能卷吸外界空氣，非封閉式天井中煙氣在向上運動過程中可以從未封閉一側(cè)卷吸空氣，且可能具有橫向擴散特征[10]．特別是在較高位置，煙氣溫度大幅降低，卷吸作用減弱，部分煙氣會從未封閉一側(cè)流出，如圖2所示．

圖2?典型時刻非封閉天井煙氣蔓延情況

非封閉天井內(nèi)煙氣的向上運動、與外界環(huán)境的交互影響可以從天井剖面的速度場觀察出來．圖3給出了實驗2中天井中心線剖面的速度矢量分布圖.天井內(nèi)以向上的煙氣流動為主，但是在外廊位置，可以看到明顯的水平流動，這對外廊的安全性具有很大影響．在上部樓層，外廊上方呈現(xiàn)明顯的雙向流動特征，靠近天花板的流動為向外，而下方則是向內(nèi)的流動．即煙氣從上方流出，新鮮空氣從下方流入．而在下部樓層，幾乎不可見向外的流動，只有向內(nèi)方向的空氣流入．所以，可以推測影響下部樓層外廊安全性的主要是火焰和熱煙氣輻射，而影響上部樓層外廊安全性的則是煙氣流動．

2.2?天井上下壓差

對于非封閉式天井這類未完全封閉的空間，本文使用天井底部與頂部的壓力差來定量分析煙囪效應(yīng)．圖4給出了天井1和天井2在2MW、4MW和6MW火源下的上下壓差隨時間變化情況．天井1中的形狀系數(shù)接近1，對應(yīng)凹槽的結(jié)構(gòu)因子/為1.875，兩側(cè)翼墻對煙流的限制作用明顯，壓差也會隨著火源增大而擴大．當火源為2MW時，上下壓差隨時間變化不明顯，過程中基本維持在0～-1Pa．當火源為4MW和6MW時，模擬過程中后期壓差逐漸變大，4MW時后期壓差達到-3Pa，而6MW時后期壓差達到-5Pa．在天井1中，上下壓差隨著火源功率增大而擴大．天井2的形狀系數(shù)為0.375，對應(yīng)凹槽的結(jié)構(gòu)因子/為0.875．此時天井與環(huán)境的連通面積大幅提高，天井上下壓差隨火源增大并未有明顯改變，除了前期壓力波動，數(shù)值基本未超過1Pa，說明天井2基本沒有煙囪效應(yīng)．

近年來，國家體育總局及相關(guān)部門出臺了一系列有關(guān)競技體育退役運動員的保障政策，為退役運動員成功再就業(yè)保駕護航，使已經(jīng)退役或即將退役的競技體育運動員更好地立足于社會，吸引更多的體育后備人才加入，在世界高水平競技體育角逐中彰顯中國的體育力量和精神。退役運動員的相關(guān)保障政策是中國開始建立新的退役運動員安置保障體系的起點，亦為舉國體制進程中競技體育退役運動員的就業(yè)和生活保障提供了理論依據(jù)。

圖3?非封閉天井中心剖面速度矢量分布

圖4?天井1和天井2上下壓差隨時間變化情況

2.3?天井中心溫度分布

圖5給出了兩個天井在不同火源功率時，下部、中部和上部典型樓層的溫度對比，其中圖5(d)為已經(jīng)到達穩(wěn)定狀態(tài)的200～250s階段，不同場景、不同樓層高度熱電偶溫度的平均值．圖中，下部樓層即2樓的熱電偶溫度差異明顯，天井2在低樓層的溫度高于天井1．這是由于天井下部的熱電偶距離起火房間較近，直接受到窗口溢流火和煙氣的影響．天井2的深度僅1.5m，天井中心點距離起火房間窗戶的水平距離僅為0.75m，其受溢流火的影響更強．隨著高度升高，兩者趨于一致．這說明兩個天井對外的熱量損失基本相同，即煙氣溫度主要與天井截面積有關(guān)，而與天井形狀相關(guān)較弱．

2.4?煙氣上升時間

圖7中，相同天井中煙氣上升時間隨火源功率升高而降低．形狀系數(shù)較小的天井2在相同火源功率時煙氣上升時間長于天井1．在非封閉式天井中，煙囪效應(yīng)和湍流混合作用同時存在，且隨著密閉性減弱，煙氣與壁面的換熱以及在外廊位置與外界氣體的交換使得湍流混合作用所起作用增強．通過量綱分析，引入特征時間和特征高度來消除火源功率的影響，可以得到如圖6所示的無量綱煙氣上升時間與高度的關(guān)系圖．對于兩個天井，參考Chow等[11]的數(shù)據(jù)擬合方式，可以得到天井1和2的無量綱煙氣上升時間與無量綱高度之間的關(guān)系為

圖5?非封閉式天井溫度分布特點

系數(shù)和指數(shù)的差異就是由于天井結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的．Chow等[11]對距離火源較遠高度豎井中無量綱上升時間和高度之間擬合關(guān)系為，其研究對象為四周均封閉的天井結(jié)構(gòu)，而在非封閉式天井中，相同功率火源驅(qū)動的煙氣上升時間更長．

圖7?不同場景煙氣上升時間

可見，在擬合關(guān)系式中，非封閉式天井的煙氣前鋒上升時間與無量綱高度的0.67～0.73次方呈正比關(guān)系．

2.5?外廊的溫度和CO濃度分析

以火源功率為6MW的場景為例，分析外廊上方的溫度和CO質(zhì)量濃度，分別如圖8和圖9所示．圖8中，所有樓層的外廊溫度均維持在較低值，且存在劇烈振蕩，這是由于外廊位置天井內(nèi)煙氣與外界空氣存在交換．總體上，隨著火災(zāi)持續(xù)，溫度以較慢的速度持續(xù)上升，對于中上部樓層外廊，后期溫度趨于穩(wěn)定．下部樓層的外廊溫度高于上部樓層，相同樓層天井2的溫度高于天井1．對比圖5天井中心點溫度，可以發(fā)現(xiàn)，外廊能夠有效阻礙煙氣的水平運動過程．

進一步分析外廊的CO質(zhì)量濃度，并將其與同高度天井中心的CO質(zhì)量濃度對比．由于下部樓層受窗口溢流的影響明顯，在此僅分析中上部樓層的數(shù)據(jù)，如圖9所示．圖中，天井1和天井2在中心的CO質(zhì)量濃度差異并不明顯，均遠高于同樓層的外廊位置數(shù)值．而外廊位置的CO質(zhì)量濃度，隨著火災(zāi)持續(xù)而保持上升．雖然數(shù)據(jù)存在一定振蕩，但是可以發(fā)現(xiàn)6層和11層外廊的CO質(zhì)量濃度差異并不明顯．相同位置上，天井2的CO質(zhì)量濃度明顯高于天井1．這說明天井形狀系數(shù)越小，外廊越容易受到煙氣的影響，危險性越高.

圖8?走廊上方溫度

圖9?走廊上方CO質(zhì)量濃度

3?結(jié)?論

(1)非封閉式天井煙氣上升過程中，會通過外廊上部鏤空區(qū)域卷吸外部空氣，當煙氣上升到一定高度后，溫度降低，上升動力減弱，煙氣會從外廊上部鏤空區(qū)域流出天井．

(2)在一定天井截面積下，相同高度的天井，形狀不同對天井煙氣溫度影響可忽略不計．煙囪效應(yīng)隨著天井形狀系數(shù)增大而升高，而煙氣上升時間則隨著天井形狀系數(shù)增大而減小，長于相同條件下封閉式天井的煙氣上升時間．無量綱煙氣上升時間與無量綱高度的0.67～0.73次方呈正比．

(3)天井的形狀系數(shù)越小，即天井深度越小，煙囪效應(yīng)越弱，煙氣上升過程中的水平擴散越明顯，外廊安全性越低．

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Impact of Shaft Shape on Smoke Movement in Unsealed Shafts

Yuan Man1，Han Zheng1，Chen Yanqiu2，Chen Longfei2

(1. Sichuan Fire Research Institute of MEM，Chengdu 610036，China ；2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Unsealed shafts are widely used in residential buildings to improve the lighting and ventilation conditions. In this paper，F(xiàn)ire Dynamic Simulator(FDS) was employed to study the smoke movement characteristics in unsealed shafts and the safety of exterior corridors for a given shaft area and height. It was found that heat and mass transfer occurred at the openings above the exterior corridors. However，shaft shape had little influence on smoke temperature. With the growth of the ratio of depth to width，the stack effect was reduced，the smoke velocity dropped，and the horizontal movement was then strengthened. According to the simulations，the dimensionless smoke rising time was proportional to the 0.67—0.73 power of dimensionless height.

shaft；unsealed shaft；exterior corridor；fire smoke

X932，TU241.8

A

1006-8740(2021)01-0029-06

10.11715/rskxjs.R202003031

2020-03-20．

應(yīng)急管理部消防救援局科研計劃應(yīng)用創(chuàng)新資助項目(2017XFCX17).

袁?滿（1986—??），女，博士，助理研究員.

袁?滿，yuanman@scfri.cn.