高層建筑火災(zāi)中氣霧混流風(fēng)幕阻煙性能模擬研究

趙志鵬 陳浩然 劉楚悅

摘要：采用FireDynamicSimulation（FDS）模擬軟件模擬了高層建筑條形走廊內(nèi)四種不同工況下的煙氣蔓延擴(kuò)散特征，對(duì)比分析煙氣傳播規(guī)律，通過比較關(guān)鍵位置處的溫度和一氧化碳體積分?jǐn)?shù)，評(píng)估氣霧混流風(fēng)幕的防煙效果。研究結(jié)果表明，氣霧混流風(fēng)幕能夠有效地阻隔高溫有毒煙氣蔓延，延長人員疏散時(shí)間且不影響人員的自由出入，從而保證人員安全疏散。

關(guān)鍵詞：風(fēng)幕;數(shù)值模擬;煙氣控制;氣霧混流

中圖分類號(hào)：TU892? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）02-0018-03

2020年1—10月間，共發(fā)生火災(zāi)19.6萬起，相當(dāng)于每?jī)煞昼娋陀幸黄鸹馂?zāi)發(fā)生，火災(zāi)仍然是對(duì)我們的生活產(chǎn)生威脅最大的一種災(zāi)害。當(dāng)城市出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)煙氣的高溫和毒性是致人傷亡的直接原因，煙氣中固態(tài)微粒的遮光作用會(huì)降低能見度，影響人員逃生，因此火災(zāi)煙氣對(duì)人員生命安全構(gòu)成極大的威脅。

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，超高層建筑不斷涌現(xiàn)，由于煙囪效應(yīng)的影響，超高層建筑火災(zāi)中煙氣的危害比一般建筑更加嚴(yán)重。

20世紀(jì)80年代初日本對(duì)防煙空氣幕展開研究，取得了一定成績(jī)，美國90年代初開始研究高層建筑中空氣幕的防煙效果，韓國Uk-Hee Jung分析隧道內(nèi)空氣幕的氣流模式特征，證明安裝狹縫噴嘴的角度為20度，在狹縫噴嘴處排出空氣速度為35m/s，以便有效地阻擋煙氣。Gao等研究了空氣幕在隧道內(nèi)阻止煙氣擴(kuò)散的有效性，并進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)和模擬。

目前國內(nèi)空氣幕防煙研究主要集中在探討單吹式防煙空氣幕的寬度、噴射角度、噴射速度等關(guān)鍵參數(shù)的最佳值和不同火災(zāi)場(chǎng)景下防煙空氣幕的擋煙效率。

何嘉鵬等建立了高層建筑火災(zāi)時(shí)防煙空氣幕流量、吹風(fēng)口寬度和吹風(fēng)口的射流速度的計(jì)算模型。通過實(shí)驗(yàn)研究， 采用空氣幕防煙對(duì)于高層建筑火災(zāi)時(shí)的疏散是可行的。黃松提出了一種新型空氣幕復(fù)式空氣幕的概念，即為一種由兩個(gè)單空氣幕組合，聯(lián)動(dòng)共同阻煙的阻斷方式，研究表明：在大門處布置空氣幕時(shí)，復(fù)式空氣幕在某些參數(shù)條件下優(yōu)于單空氣幕。肖蓓探究了復(fù)式空氣幕在建筑火災(zāi)中的阻煙效果，經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)式空氣幕在建筑防煙上具有良好的效果。黃冬梅研究了利用單吹式防煙空氣幕阻擋煙氣擴(kuò)散的有效性，得出空氣幕的最佳射流角度為10-15度，且當(dāng)火源的總釋放速率為500kw時(shí)，空氣幕的出口風(fēng)速與火源的總釋放速率滿足一定函數(shù)關(guān)系。

筆者利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，建立了高層建筑同比例模型，研究四種不同工況條件下高層建筑走廊內(nèi)的煙氣傳播規(guī)律，通過分析走廊內(nèi)關(guān)鍵位置的參數(shù)，評(píng)估氣霧混流風(fēng)幕的防煙效率。

1? 數(shù)值模擬

本文模擬選用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，F(xiàn)DS是以火災(zāi)中煙氣為主要模擬對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，本文中所使用的大渦模擬比方式數(shù)據(jù)解決了在低速的、熱力驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)的微分方程，以火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)和熱傳遞為研究對(duì)象， 它首先使用質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程，以及能量守恒的偏微分方程來逼近有限差分，，并將空間劃分為一系列網(wǎng)格，在單體網(wǎng)格內(nèi)求解方程，確定火災(zāi)基本參數(shù)在空間各點(diǎn)上的分布及隨時(shí)間發(fā)生的變化。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

高層建筑的條形走廊模型建筑平面圖見圖1所示，酒店共15層，層高2.6m，走廊寬為1.8m，走廊中線長20m，起火位置為第11層的房間。設(shè)定建筑環(huán)境初始溫度為20℃，根據(jù)高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范，酒店房間火源功率取為1000kW/m2，著火樓層第11層的計(jì)算空間網(wǎng)格設(shè)置為165×18×26，最小網(wǎng)格尺寸為0.1×0.1×0.1?；鹪催吔绲拇笮?0.5×0.6m。

在走廊中心線上15m處的頂部設(shè)置產(chǎn)生風(fēng)幕的送風(fēng)口，送風(fēng)口尺寸為1.8×0.3m，送風(fēng)口風(fēng)速為8m/s;在送風(fēng)口的下方設(shè)置排煙口，大小為0.3×1.8m;模擬的時(shí)間設(shè)置為100s。同時(shí)在走廊中線面上的2.6m高度上設(shè)置探測(cè)點(diǎn)，測(cè)定不同工況和模式下的CO體積分?jǐn)?shù)和煙氣溫度，如表1所示。

2? 模擬結(jié)果比較與分析

2.1? 溫度分析

圖2為4種不同工況下建筑走廊空間內(nèi)溫度隨時(shí)間的變動(dòng)情形，經(jīng)過大量科學(xué)研究證實(shí)：人體對(duì)高溫?zé)煔獾娜淌芏仁怯邢薜摹Ｔ?5℃時(shí)，人體可以短暫忍受;在120℃時(shí)，15min內(nèi)將產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷。工況1在100s時(shí)就達(dá)到70℃，可見高溫?zé)煔鈱?duì)人員逃生的影響，工況2和工況3的溫度均有小范圍升高，而工況4在100s內(nèi)溫度始終保持在20℃，確保了走廊煙氣溫度在人員的可承受范圍內(nèi)，為人員安全疏散提供了有效時(shí)間，分析原因主要有三方面：第一，水霧顆滴與高溫?zé)煔庀嘤龊螽a(chǎn)生熱量交換，水霧顆滴從熱煙氣中吸收的熱量，霧滴的吸熱作用降低了煙氣溫度;第二，氣霧混流風(fēng)幕通過幕內(nèi)外壓力差來阻止橫貫射流面的氣體流動(dòng)，從而有效地減少風(fēng)幕兩側(cè)區(qū)域的質(zhì)量、組分與能量交換;第三，氣霧混流阻擋了煙氣向隧道蔓延，隧道內(nèi)高溫?zé)煔鉂舛认陆?，隧道?nèi)溫度也隨之下降。

2.2? 一氧化碳濃度分析

火災(zāi)中，煙氣在水平方向擴(kuò)散的流動(dòng)速度約為0.3～0.8m/s，而氣霧混流場(chǎng)，由于高速運(yùn)動(dòng)的氣霧混流誘發(fā)的垂直向下的氣霧混流場(chǎng)速度在8～12m/s，遠(yuǎn)大于煙氣的流動(dòng)速度。氣霧混流能量密集程度高，能在設(shè)置截面上形成具有一定強(qiáng)度的氣霧混流幕墻，煙氣流股與之相遇后隨氣霧混流風(fēng)幕偏轉(zhuǎn)，從而阻擋CO等有毒氣體擴(kuò)散。圖3為不同工況條件下，走廊內(nèi)檢測(cè)到的一氧化碳濃度值隨時(shí)間變化情況，無風(fēng)幕條件下CO峰值濃度值為30ppm，添加風(fēng)幕和排煙口后CO峰值濃度均有較大下降，且在工況3和工況4條件下CO濃度保持為零，說明了氣霧混流風(fēng)幕延緩了一氧化碳沿走廊通道向前蔓延的作用，同時(shí)風(fēng)幕下設(shè)置的排煙口使風(fēng)幕的阻斷能力更強(qiáng)。

3? 結(jié)語

（1）氣霧混流風(fēng)幕通過幕內(nèi)外的壓力差阻斷橫貫面的氣體流動(dòng)，阻擋高溫有毒煙氣蔓延，同時(shí)水霧顆粒可以蒸發(fā)吸熱，和煙氣粒子間發(fā)生凝并，形成水滴和炭黑粒子團(tuán)，炭黑粒子團(tuán)在重力和水霧液滴的作用下沉降，從而有效地降低了狹長通道內(nèi)的煙氣溫度，通過模擬發(fā)現(xiàn)在風(fēng)幕下方設(shè)置排煙口可使風(fēng)幕的阻斷能力更強(qiáng)，從而獲得較高的防煙效率。

（2）使用氣霧混流風(fēng)幕進(jìn)行防煙氣分隔的方式，能夠有效遏制煙氣的擴(kuò)散，減少狹長通道內(nèi)CO含量。

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Simulation study on smoke resistance performance

of aerosol mixed flow air curtain in high-rise building fire

Zhao Zhipeng ，Chen Haoran，Liu Chuyue

（Anhui University of Science and Technology，Anhui? Huainan 232001）

Abstract：This author uses the Fire Dynamic Simulation（FDS） field simulation software to simulate the characteristics of smoke spread and diffusion under four different working conditions in the strip corridor of high-rise buildings. By comparing the temperature and carbon dioxide volume fraction at key positions， the smoke prevention effect of the aerosol mixed flow air curtain is evaluated. The result shows that the air curtain of aerosol mixed flow can effectively block the spread of high-temperature toxic smoke， prolongs the evacuation time without affecting the free entry and exit of personnel and ensure the safe evacuation of personnel

Keywords：air curtain; numerical simulation; smoke control; aerosol mixed flow