豎井排煙口對(duì)L型高層建筑煙氣流動(dòng)特性影響的模擬研究

梁 瑞，戴淑靈，文 博

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

火災(zāi)煙氣是火災(zāi)事故中人員死亡的最主要因素。高層建筑內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)較多且連接相對(duì)復(fù)雜，其中豎井和走廊是高層建筑的主要通道結(jié)構(gòu)。在各樓層中，走廊結(jié)構(gòu)往往又與豎井結(jié)構(gòu)直接相連，是發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)的主要路徑[1-3]。當(dāng)建筑內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣會(huì)通過(guò)走廊等結(jié)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)至各類(lèi)豎井結(jié)構(gòu)中，并在煙囪效應(yīng)的作用下向上豎直運(yùn)動(dòng)，直至煙氣蔓延到整個(gè)建筑物。在高層建筑設(shè)計(jì)中，為了能夠促進(jìn)室內(nèi)外氣流交換，及時(shí)排出室內(nèi)熱煙氣，通常會(huì)在豎井結(jié)構(gòu)最高處設(shè)置排煙口進(jìn)行排煙，鑒于該方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因此被廣泛普及使用[4-6]。

李元洲等[7]以高層建筑的豎井排煙為研究對(duì)象，利用全尺寸實(shí)驗(yàn)對(duì)不同豎井高度和火源功率下豎井的控?zé)熜ЧM(jìn)行分析，得出在火源功率不變時(shí)，豎井高度與煙囪效應(yīng)成正比，而火源功率增大時(shí)需提高豎井高度或減小補(bǔ)風(fēng)口面積才能達(dá)到最好的控?zé)熜Ч?。張靖巖等[8]利用FDS模擬驗(yàn)證高層建筑利用豎井排煙的可行性。楊云春等[9]以長(zhǎng)廊型風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究自然通風(fēng)下走廊中常見(jiàn)的幾種煙氣控制模式效果，比較得出在排煙量不變并同時(shí)開(kāi)啟排煙口和擋煙垂壁時(shí)效果最好的煙氣控制模式，但是并未將走廊與豎井相結(jié)合來(lái)研究煙氣的控制效果。畢偉民等[10]利用FDS軟件模擬高層建筑物在防火門(mén)開(kāi)啟的狀態(tài)下各層樓梯間及走廊中火災(zāi)煙氣各參數(shù)的變化情況，得出在中性面以上，危險(xiǎn)性和高度成正相關(guān)，中性面以下成負(fù)相關(guān)。張威等[11]以高層建筑L型走廊模型為研究對(duì)象，采用FDS軟件分別對(duì)設(shè)置排煙口排煙和設(shè)置緩沖區(qū)排煙2種模式進(jìn)行模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出更適用于L型走廊的防排煙模式。目前國(guó)內(nèi)外研究中，多是單獨(dú)對(duì)走廊或豎井內(nèi)煙氣的流動(dòng)特性和控制方法進(jìn)行研究，尚未有結(jié)合走廊和豎井結(jié)構(gòu)探究?jī)?nèi)部各因素對(duì)煙氣流動(dòng)特性影響的研究，且學(xué)者們大多關(guān)注直線走廊，對(duì)類(lèi)似于L型的較復(fù)雜建筑研究較少。L型建筑結(jié)構(gòu)特殊，平面2部分既有分割又相互聯(lián)系，便于對(duì)某些要求既聯(lián)系又相對(duì)要求隔離的房間進(jìn)行設(shè)計(jì)布置，如學(xué)校建筑的普通教室和聲樂(lè)教室。因此，本文利用FDS軟件建立L型高層建筑模型，研究豎井排煙口面積對(duì)結(jié)構(gòu)中煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

1 理論分析

火災(zāi)實(shí)驗(yàn)表明，如果煙氣流動(dòng)過(guò)程中未受到外界干擾，則煙氣呈層流流動(dòng)狀態(tài)；若煙氣受到通風(fēng)口以及排氣設(shè)備的干擾，則由層流狀態(tài)變?yōu)橥牧髁鲃?dòng)。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)建筑物內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，室內(nèi)外空氣的密度隨之出現(xiàn)差異，引發(fā)浮力驅(qū)動(dòng)的煙氣流動(dòng)[12]，而當(dāng)浮力驅(qū)動(dòng)煙氣進(jìn)入到豎井中時(shí)，豎井中由于熱浮力的作用導(dǎo)致氣體豎直向上運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生煙囪效應(yīng)[13]。煙囪效應(yīng)在豎井底部產(chǎn)生負(fù)壓，這會(huì)對(duì)火災(zāi)環(huán)境內(nèi)煙氣蔓延形式及規(guī)律產(chǎn)生重大影響[14]。隨著壓差的增大，煙囪效應(yīng)在煙氣運(yùn)動(dòng)中占主導(dǎo)因素，壓差越大豎井中的煙囪效應(yīng)越強(qiáng)。

豎井底部A點(diǎn)和頂部B點(diǎn)的壓力[15]，如式(1)～(2)所示：

pA=pC+Δp1

(1)

pB=pD+Δp2

(2)

式中：pC為豎井底部外壓力，Pa；pD為豎井頂部外壓力，Pa；Δp1，Δp2為豎井底部開(kāi)口流入和頂部開(kāi)口流出的局部阻力，Pa。

又由于豎井底部和頂部外壓力如式(3)～(4)所示：

pC=pD+ρ0gh

(3)

pA=pB+ρSgh

(4)

由式(1)～(4)可得：

(ρ0-ρS)gh=Δp1+Δp2

(5)

式中：ρS，ρ0分別為豎井內(nèi)部煙氣密度和空氣密度，kg/m3；h為豎井高度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

設(shè)煙氣距中性層上部或下部的高度為hN，則豎井內(nèi)外壓差Δph的絕對(duì)值如式(6)所示：

Δph=|(ρ0-ρS)ghN|

(6)

將空氣和煙氣視為理想氣體，則空氣和煙氣的密度分別如式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：T0，TS分別為空氣和豎井內(nèi)煙氣的絕對(duì)溫度，K；p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Pa；pS為豎井內(nèi)外煙氣壓力，Pa；R0和RS分別為空氣和煙氣的氣體常數(shù)。

豎井內(nèi)外氣體的平均壓力取當(dāng)?shù)卮髿鈮?，即p0=pS=101 325 Pa；空氣和煙氣的氣體常數(shù)相近，可取為空氣的氣體常數(shù)，即R0=RS≈R，簡(jiǎn)化可得中性面位置處的內(nèi)外壓差如式(9)所示：

(9)

2 模型的建立

2.1 基本參數(shù)設(shè)置

以某高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)樓為建筑背景，構(gòu)建L型走廊和豎井，該建筑共9層，每層層高4.0 m，L型走廊的短走廊長(zhǎng)9.5 m，長(zhǎng)走廊長(zhǎng)20 m，走廊寬為3.0 m。在每層的短走廊頂端設(shè)置面積為1.5 m×1.5 m的窗口，距離地面高度1.0 m，結(jié)合實(shí)驗(yàn)樓實(shí)際結(jié)構(gòu)以及《自然排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》[16]，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，保留建筑結(jié)構(gòu)煙氣流動(dòng)特征，刪除不參與分析目標(biāo)的次要特征。同時(shí)，需要排煙的房間和疏散走道內(nèi)的通風(fēng)口的有效面積不應(yīng)小于該房間和走道地面面積的2%，固排煙口面積不應(yīng)小于1.6 m2。在右端設(shè)置寬度為2 m，高度為2.5 m的雙開(kāi)門(mén)與豎井結(jié)構(gòu)連通。豎井其右端為采光區(qū)域，一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，保留底層和頂層面積為1.5 m×1.5 m的窗口開(kāi)啟進(jìn)行自然通風(fēng)，平面圖如圖1所示。

圖1 某高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)樓平面圖Fig.1 Floor plan of a chemical laboratory building in a university

2.2 網(wǎng)格劃分

(10)

計(jì)算可得D*為1.12 m，所以網(wǎng)格尺寸d應(yīng)在0.07～0.28 m之間。此外，網(wǎng)格尺寸越小，計(jì)算精度越高，但計(jì)算量也會(huì)大大增加，嚴(yán)重的情況下，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不收斂，因此對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證。

在同一模型下，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.025 m×0.025 m×0.025 m,0.05 m×0.05 m×0.05 m,0.1 m×0.1 m×0.1 m,0.25 m×0.25 m×0.25 m,0.5 m×0.5 m×0.5 m,在這5種網(wǎng)格尺寸下對(duì)豎井中部的煙氣溫度變化分別進(jìn)行模擬，由圖2可以看出隨著網(wǎng)格尺寸的減小，溫度逐漸趨向某一定值，網(wǎng)格尺寸為0.025 m和0.05 m時(shí)豎井中部的煙氣溫度與尺寸為0.1 m時(shí)相比變化不大。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下豎井中部溫度變化Fig.2 Temperature change at middle of shaft under different grid sizes

綜上所述，考慮模擬工作量的大小，本次FDS模擬采用網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m最為合適。

2.3 火源設(shè)計(jì)

盡管可燃物種類(lèi)不同，但在火災(zāi)初期增長(zhǎng)階段，熱釋放速率近似按照時(shí)間的t2規(guī)律發(fā)展，因此火災(zāi)的增長(zhǎng)曲線可由式(11)表示[17]:

Q=αt2

(11)

式中：Q為熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/m2；t為火災(zāi)發(fā)生后的時(shí)間，s。

在火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)中，根據(jù)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的不同，t2火又進(jìn)一步分為慢速型、中速型、快速型和超快速型4種類(lèi)型。在性能化設(shè)計(jì)中，火災(zāi)類(lèi)型常選為快速型或中速型，本文選取中速型火災(zāi)，其火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.011 27。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[18]，存在噴淋系統(tǒng)的辦公室、教室、客房、走道的火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)熱釋放速率可取1.5 MW。又因火災(zāi)單位面積熱釋放速率為500 kW/m2，因此設(shè)置火源面積為1.5 m×2.0 m，燃料選擇為聚氨酯。湯靜等[19]在對(duì)4種典型結(jié)構(gòu)走廊中煙氣流動(dòng)特性的研究中指出：L型走廊在其拐角處受到建筑封閉結(jié)構(gòu)的阻礙和反浮力作用，熱煙氣容易積聚，不利于人員疏散，形成危險(xiǎn)區(qū)域。安偉光等[20]通過(guò)研究火源及通風(fēng)對(duì)L型走廊火災(zāi)的影響得出：當(dāng)火源在L型走廊拐角處時(shí)，對(duì)走廊的破壞最大。因此，本文將火源設(shè)置在走廊拐角，研究其煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.4 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置

假設(shè)該建筑的消防系統(tǒng)完好，為測(cè)量火災(zāi)過(guò)程中溫度的分布特點(diǎn)，每層窗口中間設(shè)置1個(gè)溫度探測(cè)器，每層走廊設(shè)置溫度探測(cè)器和CO濃度探測(cè)器各3個(gè)，短走廊探測(cè)器距離窗口0.2 m，中間探測(cè)器分布在拐角處，長(zhǎng)走廊探測(cè)器距雙開(kāi)門(mén)0.2 m，探測(cè)器距地板高度均為1.8 m。豎井中豎直方向每隔4 m設(shè)置1個(gè)溫度探測(cè)器和1個(gè)CO濃度探測(cè)器，各設(shè)置9個(gè)。因?yàn)樗俣忍綔y(cè)器只能檢測(cè)到某一個(gè)點(diǎn)的速度，沒(méi)有流量測(cè)量裝置覆蓋全面，故在走廊各窗口和門(mén)的表面安裝流量測(cè)量裝置，以探測(cè)各表面的氣流流量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

2.5 排煙口面積設(shè)計(jì)

其他參數(shù)保持不變，選取5種不同的排煙口面積，將排煙口設(shè)置在豎井的頂端進(jìn)行機(jī)械排煙，具體面積參數(shù)如表1所示。數(shù)值模型圖如圖3所示。

表1 排煙口面積參數(shù)Table 1 Area parameters of smoke exhaust vent

圖3 某高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)樓模型Fig.3 Model of a chemistry laboratory building in a university

3 結(jié)果分析

3.1 排煙口面積對(duì)煙氣蔓延的影響

不同排煙面積下，煙氣蔓延到頂部的運(yùn)動(dòng)分布如圖4所示。對(duì)比面積0～5 m2，隨著排煙口面積的增大，低層區(qū)域煙氣的運(yùn)動(dòng)范圍明顯減小，且到達(dá)豎井頂部的時(shí)間從140，130，120，115，110 s依次減少。封閉豎井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)較為緩慢，煙氣到達(dá)豎井后向其他走廊擴(kuò)散，火災(zāi)前期低層走廊煙氣蔓延更為明顯。當(dāng)排煙口面積增大，低層走廊中的煙氣蔓延程度也逐漸減小。

圖4 火災(zāi)前期不同排煙口面積下煙氣運(yùn)動(dòng)分布圖Fig.4 Distribution of smoke movement under different smoke exhaust vent areas in early stage of fire

圖5為火災(zāi)相對(duì)穩(wěn)定階段(365 s)時(shí)不同排煙口面積下走廊和豎井中的煙氣運(yùn)動(dòng)分布情況，可以看出，在5種面積下豎井底部的通風(fēng)口均未有煙氣溢出，說(shuō)明此處的風(fēng)壓值較室外氣壓值??；而在豎井頂部的通風(fēng)口處均有煙氣溢出，表明此處的內(nèi)部壓力大于室外壓力。隨著排煙面積的增大，豎井上下的壓差增大，煙氣在豎井中的運(yùn)動(dòng)速度加快，到達(dá)豎井頂部的時(shí)間明顯減少。在火災(zāi)后期，隨著排煙口面積的增大，建筑和豎井內(nèi)部以及和豎井頂部通風(fēng)口煙氣的蔓延程度均減小，對(duì)高層煙氣的控制效果更強(qiáng)。

圖5 火災(zāi)后期不同排煙口面積下煙氣運(yùn)動(dòng)分布圖Fig.5 Distribution of smoke movement under different smoke exhaust vent areas in later stage of fire

3.2 排煙口面積對(duì)豎井內(nèi)溫度的影響

因系統(tǒng)中存在噴淋，所以建筑內(nèi)溫度未達(dá)到較高值，且在不同排煙口面積下，因豎井底部更靠近火源和通風(fēng)口，豎井頂部存在機(jī)械排煙和通風(fēng)口，溫度不具有穩(wěn)定性和規(guī)律性，故本文選取溫度變化較為穩(wěn)定的豎井中層進(jìn)行分析。

在火災(zāi)前期，未增加排煙口時(shí)，豎井內(nèi)的溫度保持不變?nèi)缓蠓€(wěn)定上升，當(dāng)增加排煙口后，豎井中的溫度均先降低再升高，這是由于在150 s之前煙氣還未從L型走廊蔓延到豎井中，而豎井中的機(jī)械排煙已開(kāi)始運(yùn)作，所以排煙口的抽吸現(xiàn)象導(dǎo)致了豎井中溫度低于室溫，且排煙口面積與豎井內(nèi)的溫度成負(fù)相關(guān)。由圖6可以看出，當(dāng)排煙口面積從4 m2增加為9 m2時(shí)，溫度衰減較為明顯，增大為 12 m2時(shí)溫度衰減變化卻不大。由此可知，排煙口面積并非越大越好，而是存在于9～12 m2的某個(gè)臨界值。

圖6 不同面積排煙口下豎井中層溫度變化Fig.6 Temperature change at middle layer of shaft under different areas of smoke exhaust vent

在火災(zāi)前期，隨著排煙口面積的增大，溫差絕對(duì)值呈冪函數(shù)規(guī)律變化，在200 s以后，9 m2和12 m2面積下的溫差絕對(duì)值呈指數(shù)規(guī)律衰減。結(jié)合圖7可知，200 s以后煙氣蔓延到豎井中，煙氣的溫度中和了排煙口抽吸現(xiàn)象導(dǎo)致的溫度降低，故溫差開(kāi)始減小。0 m2和1 m2面積下的溫差絕對(duì)值呈指數(shù)規(guī)律增加，不存在抽吸現(xiàn)象或抽吸現(xiàn)象不明顯，當(dāng)煙氣進(jìn)入豎井后溫差始終保持遞增。而排煙口面積為4 m2時(shí)，溫差絕對(duì)值變化最小，由式(9)可知溫差越大則壓差越大，驅(qū)動(dòng)力也越強(qiáng)，故豎井中煙氣的驅(qū)動(dòng)力最小。在320 s之前，排煙口面積為12 m2的溫差最大，320 s之后，無(wú)排煙口的豎井溫差最大。

圖7 不同排煙口面積下豎井中層內(nèi)外溫差絕對(duì)值Fig.7 Absolute value of temperature difference between inside and outside at middle layer of shaft under different areas of smoke exhaust vent

3.3 排煙口面積對(duì)豎井內(nèi)CO濃度的影響

在豎井中由于豎井底部靠近火源和底部通風(fēng)口，導(dǎo)致CO濃度不穩(wěn)定，不利于研究其規(guī)律。因此在5種排煙面積下，分別觀察在火源穩(wěn)定階段(365 s)豎井中部以上CO濃度的分布情況。由圖8可以看出在豎井中部位置各工況下的CO濃度均最低，幾乎為0，其后隨著高度的增加CO濃度升高，該現(xiàn)象是因?yàn)樵诮ㄖ捻敳繜煔鉀](méi)有及時(shí)排出，存在聚集情況。在豎井中上部位置，排煙口面積越大，CO濃度越低。

圖8 火災(zāi)后期不同排煙口面積下CO濃度變化Fig.8 Change of CO concentration under different smoke exhaust vent areas in later stage of fire

3.4 排煙口面積對(duì)走廊窗口氣流流量的影響

窗口的氣流速度等于流量除以面積，窗口的面積為定值2.25 m2。隨著排煙口面積增大，豎井排煙能力增強(qiáng)。如圖9所示，可以看出在火災(zāi)后期(100 s后)，6層以下的窗口速度均為負(fù)值，窗口內(nèi)部的壓力小于外部壓力，此時(shí)窗口只有空氣流入，不存在煙氣的溢出；6層以上的窗口速度為正值，當(dāng)煙氣蔓延到此處時(shí)，將會(huì)發(fā)生溢出。由圖9可看出6層為氣體流量的分界層，因此6層為建筑的中性面位置，在中性面以下，室內(nèi)空氣呈負(fù)壓，室外空氣向室內(nèi)流動(dòng)；在中性面以上，室內(nèi)空氣呈正壓，室內(nèi)空氣向外流動(dòng)。

圖9 不同排煙口面積下走廊窗口氣流流量Fig.9 Window airflow rate of corridor under different areas of smoke exhaust vent

隨著排煙口面積的增大，在火災(zāi)初期(100 s前)，各層窗口氣流速度均為負(fù)值，由于機(jī)械排煙的抽吸作用，6層以上窗口處有更多的空氣進(jìn)入室內(nèi)，且排煙口面積越大，抽吸作用更強(qiáng)，6層以上與6層以下之間排煙速度差別增大。

4 結(jié)論

1)隨著排煙口面積的增大，煙氣從L型走廊蔓延到豎井頂部的時(shí)間明顯縮短，且在火災(zāi)穩(wěn)定階段，在中性層以上發(fā)生煙氣的向外蔓延，整體蔓延程度減小。中性層以下走廊的蔓延程度顯著減小。

2)在320 s之前，排煙口面積越大，豎井內(nèi)外溫差越大，則壓差的絕對(duì)值取得最大值。320 s之后正好相反。在豎井中部位置，不同排煙面積下CO濃度相似，隨著高度的增加CO濃度與排煙口面積成負(fù)相關(guān)。

3)6層為建筑的中性面位置，在此處建筑的內(nèi)外壓力相等。由于火災(zāi)發(fā)生在中性層以下位置，當(dāng)煙氣在豎井中上升到達(dá)6層以上時(shí)，煙氣流出豎井并從L型走廊蔓延到窗口處溢出。隨著排煙口面積的增大，6層以上窗口的氣流速度與6層以下窗口氣流速度的差別增大。