不同外立面超高層建筑窗口羽流火焰數(shù)值模擬研究

王 宇，邢 佳，劉鐵林

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

根據(jù)超高層建筑[1]高聳，內(nèi)部裝飾復(fù)雜等特點(diǎn)，使其起火因素眾多，若起火位置過(guò)高，對(duì)救援撲救難度大大提高。不同的外立面形式，對(duì)超高層建筑外部火蔓延程度也不相同，因此對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題的研究已成眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

對(duì)于高層建筑火災(zāi)，潘曉菲等[2]對(duì)無(wú)保溫層凹型高層建筑外部火蔓延進(jìn)行研究，得到結(jié)構(gòu)因子、環(huán)境壓力以及氧氣濃度越大，火蔓延速度越快；崔崳等[3]對(duì)有保溫材料豎直平面高層建筑進(jìn)行研究，表明火焰貼墻壁情況決定其沖擊材料角度，沖擊角度越大，保溫材料越不易被點(diǎn)燃；張俊偉[4]，楊瞬博[5]對(duì)無(wú)保溫層的高層建筑縱向多窗口羽流火焰進(jìn)行研究，并給出外部蔓延防火阻隔區(qū)高度；高層建筑火災(zāi)[6-10]在其他方面的研究不做過(guò)多贅述。對(duì)于超高層建筑火災(zāi)，D.Lange等[11]對(duì)一幢實(shí)際超高層建筑進(jìn)行火災(zāi)倒塌模擬研究；A.S.Usmani等[12]對(duì)紐約世貿(mào)中心采用有限元模型對(duì)不同火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬研究；王曉華等[13]針對(duì)超高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)，提出一系列防火疏散設(shè)計(jì)方法；黃斌等[14]采用足尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)超高層建筑豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)部煙氣流動(dòng)做了相關(guān)研究。

上述工作未對(duì)有保溫材料的超高層建筑外部火蔓延進(jìn)行研究，故研究較大室內(nèi)外溫差對(duì)外部火蔓延的影響具有一定意義。基于此，筆者通過(guò)改變不同超高層建筑外立面形式，施加一定的自然風(fēng)速，采用數(shù)值模擬軟件，并引入危險(xiǎn)溫度540 ℃[15-16]，分析室內(nèi)外溫差為45 ℃(室外溫度設(shè)置為-25 ℃，室內(nèi)溫度設(shè)置為20 ℃)時(shí)外部火蔓延特征，得到了不同外立面超高層建筑火焰融合高度的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 模型尺寸

以某一實(shí)際超高層建筑為計(jì)算模型，建筑總層數(shù)為34層，每層層高均為3 m，窗口的長(zhǎng)×寬為2.4 m×1.8 m?；馂?zāi)發(fā)生在層高19層，房屋長(zhǎng)×寬為5.4 m×4.5 m的房間內(nèi)。分別對(duì)圖1(a)中3種不同著火位置的超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口、三窗口、四窗口羽流火焰進(jìn)行數(shù)值模擬分析，網(wǎng)格長(zhǎng)寬高[17]設(shè)置為0.35 m×0.35 m×0.35 m，著火點(diǎn)1，2，3分別為無(wú)側(cè)墻，L型外立面，凹型外立面的起火位置。在超高層建筑每層窗戶(hù)中心處布置熱電偶(Thermocouple,THCP)THCP1—THCP34，超高層建筑計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 超高層建筑計(jì)算模型Fig.1 The computational model of super high-level building

1.2 工況設(shè)置

超高層建筑計(jì)算模型的工況設(shè)置如表1所示。

表1 不同建筑外立面工況Table 1 Different building facade working condtions

1.3 火源參數(shù)設(shè)置

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，臥室發(fā)生火災(zāi)時(shí)的火源熱釋放率為6 MW，計(jì)算可得著火房間火荷載密度為0.28 MW/m2，選用超快速火模擬整個(gè)燃燒過(guò)程，當(dāng)熱釋放率達(dá)到6 MW時(shí)，所用時(shí)間為179 s。

2 火災(zāi)模擬結(jié)果

圖2～圖4為室外風(fēng)速為4 m/s時(shí)，連續(xù)豎向兩窗口，三窗口，四窗口的溫度等溫線(xiàn)圖及溫度曲線(xiàn)圖。橫坐標(biāo)Y是超高層建筑外立面圖的橫向?qū)挾龋v坐標(biāo)Z是超高層建筑外立面圖的豎向高度?；鹧嫒诤细叨葹樵谶_(dá)到危險(xiǎn)溫度時(shí)，火焰上升的總高度減去火源所在位置的高度。

圖2 無(wú)側(cè)墻外立面Fig.2 Facade without side wall

2.1 無(wú)側(cè)墻外立面

圖2為室內(nèi)外溫差45 ℃，無(wú)側(cè)墻外立面超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口至四窗口溫度分布等溫線(xiàn)圖和溫度曲線(xiàn)圖。THCP2.21表示豎向連續(xù)兩窗口時(shí)，21層窗口中心處溫度曲線(xiàn)；THCP3.23表示豎向連續(xù)三窗口時(shí)，23層窗戶(hù)中心處溫度曲線(xiàn)；THCP4.24表示豎向連續(xù)四窗口時(shí)，24層窗戶(hù)中心處溫度曲線(xiàn)。

由圖2(a)、(b)、(c)可知，室內(nèi)外溫差45 ℃，在達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃時(shí)，豎向連續(xù)兩窗口至豎向連續(xù)四窗口火焰溫度總高度分別為62.52 m，66.05 m，69.45 m；火焰融合高度分別為5.52 m，6.05 m，6.45 m。

由圖2(d)可知，無(wú)側(cè)墻外立面超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口燃燒，火焰高度可上升至21層；豎向連續(xù)三窗口燃燒，火焰高度繼續(xù)增加，可達(dá)到23層；豎向連續(xù)四窗口燃燒，火焰高度繼續(xù)增加，可達(dá)到24層。

2.2 L型外立面

圖3為室內(nèi)外溫差45 ℃，L型外立面超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口至四窗口溫度分布等溫線(xiàn)圖和溫度曲線(xiàn)圖。THCP2.22表示豎向連續(xù)兩窗口時(shí)，22層窗口中心處溫度曲線(xiàn)；THCP3.24表示豎向連續(xù)三窗口時(shí)，24層窗戶(hù)中心處溫度曲線(xiàn)；THCP4.25表示豎向連續(xù)四窗口時(shí)，25層窗戶(hù)中心處溫度曲線(xiàn)。

圖3 L型外立面Fig.3 L-shaped facade

由圖3(a)、(b)、(c)可知，室內(nèi)外溫差45 ℃，在達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃時(shí)，豎向連續(xù)兩窗口至豎向連續(xù)四窗口火焰溫度總高度分別為64.55 m，70.61 m，75.11 m；火焰融合高度分別為7.55 m，10.61 m，12.11 m。

由圖3(d)可知，L型外立面超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口燃燒，火焰高度可上升至22層；豎向連續(xù)三窗口燃燒，火焰高度繼續(xù)增加，可達(dá)到24層；豎向連續(xù)四窗口燃燒，火焰高度繼續(xù)增加，可達(dá)到25層。

2.3 凹型外立面

圖4為室內(nèi)外溫差45 ℃，凹型外立面超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口至四窗口溫度分布等溫線(xiàn)圖和溫度曲線(xiàn)圖。THCP2.22表示豎向連續(xù)兩窗口時(shí)，22層窗口中心處溫度曲線(xiàn)；THCP3.25表示豎向連續(xù)三窗口時(shí)，25層窗戶(hù)中心處溫度曲線(xiàn)；THCP4.28表示豎向連續(xù)四窗口時(shí)，28層窗戶(hù)中心處溫度曲線(xiàn)。

圖4 凹型外立面Fig.4 Concave facade

由圖4(a)、(b)、(c)可知，室內(nèi)外溫差45 ℃，在達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃時(shí)，豎向連續(xù)兩窗口至豎向連續(xù)四窗口火焰溫度總高度分別為65.80，73.86 m，81.20 m；火焰融合高度分別為8.80 m，13.60 m，18.20 m。

由圖4(d)可知，凹型外立面超高層建筑豎向連續(xù)兩窗口燃燒，火焰高度可上升至22層；豎向連續(xù)三窗口燃燒，火焰高度繼續(xù)增加，可達(dá)到25層；豎向連續(xù)四窗口燃燒，火焰高度繼續(xù)增加，可達(dá)到28層。

2.4 結(jié)果分析

(1)室內(nèi)外溫差為45 ℃時(shí)，達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃時(shí)，無(wú)側(cè)墻、L型、凹型外立面豎向連續(xù)三窗口火焰融合高度比兩窗口分別增長(zhǎng)了0.53 m，3.06 m，4.80 m,四窗口火焰融合高度比三窗口增長(zhǎng)了0.40 m，1.50 m，4.60 m。L型外立面超高層建筑在達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃，相比無(wú)側(cè)墻外立面超高層建筑火焰融合高度增高，相比凹型外立面超高層建筑火焰融合高度增高。

(2)在室內(nèi)外溫差為45 ℃，達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃時(shí)，豎向連續(xù)兩窗口到豎向連續(xù)四窗口，火焰融合高度L型外立面比無(wú)側(cè)墻外立面分別增長(zhǎng)了2.03 m，4.56 m，5.66 m；火焰融合高度凹型外立面比無(wú)側(cè)墻外立面分別增長(zhǎng)了3.28 m，7.55 m，11.75 m。凹型外立面超高層建筑在達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃，火焰融合高度最高，增長(zhǎng)最快；并隨著豎向連續(xù)窗口數(shù)目的增加，火焰融合高度大幅度增長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

(1)無(wú)側(cè)墻外立面超高層建筑在達(dá)到危險(xiǎn)溫度540 ℃，室內(nèi)外溫差及豎向連續(xù)窗口數(shù)目對(duì)火焰融合高度幾乎無(wú)影響，對(duì)于無(wú)側(cè)墻的超高層建筑外部蔓延防火阻隔區(qū)可設(shè)置為7 m。

(2)對(duì)比無(wú)側(cè)墻外立面、L型外立面、凹型外立面超高層建筑火焰融合高度變化，可知室內(nèi)外溫差對(duì)凹型外立面超高層建筑是主要影響因素，對(duì)無(wú)側(cè)墻外立面、L型外立面超高層建筑影響較小。