高層建筑窗口羽流火焰對防火隔離帶影響的數(shù)值模擬研究

李世鵬 王 超 蔣小軍 劉 小 陳姍姍

高層建筑的火災(zāi)蔓延方式主要有內(nèi)部火蔓延和外部火蔓延兩種，其中外部火蔓延速度更快、破壞性更強(qiáng)、救援更困難[1]。高層建筑的外部火蔓延大多由羽流火焰引起，而室內(nèi)火災(zāi)沖破外窗口形成的窗口羽流火焰，對高層建筑外部火蔓延影響尤為突出。

為揭示不同外窗口形式下防火隔離帶的設(shè)置需求，本文以北京順義新國展項(xiàng)目西地塊土建及水電安裝工程為例，采用火災(zāi)動態(tài)仿真模擬軟件PyroSim 對窗口羽流火焰及其融合進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析窗口羽流火焰的溫度分布情況，探究窗口羽流火焰對防火隔離帶的影響，以期為同類高層建筑外部火蔓延的防控提供參考。

1 工程概況

北京順義新國展項(xiàng)目西地塊土建及水電安裝工程位于北京市順義區(qū)順義新城第23街區(qū)，共有15棟住宅樓（地上7 ～15 層，地下1 ～2 層）、3 棟公寓（地上14 層，地下2 層）、1 棟寫字樓（地上9 層，地下2 層）。總建筑面積達(dá)21萬m2，建筑高度47.6 m，外立面形式以無側(cè)墻的口字型和有側(cè)墻的凹字型為主。項(xiàng)目外墻保溫采用石墨聚苯板，每層設(shè)置300 mm 寬的巖棉防火隔離帶。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

本文采用1-12#住宅樓建立火災(zāi)建筑模型，地上15 層，層高為3 m?；鹪次挥诨顒邮遥渑P室開間尺寸為2.9 m×4.5 m，其窗檻墻高度為0.9 m，窗口尺寸為1.7 m×1.8 m。在設(shè)置的所有工況中，火災(zāi)荷載密度、可燃物布置方式、火源熱釋放速率相同。兩個(gè)單元間側(cè)墻長度為3.3 m，作為結(jié)構(gòu)因子對窗口羽流火焰融合的影響參數(shù)。事實(shí)證明，縱向相鄰多窗口同時(shí)出現(xiàn)羽流火焰時(shí)，羽流火焰將產(chǎn)生融合現(xiàn)象，因此本文分別對單窗口、縱向相鄰窗口、側(cè)墻窗口的羽流火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬。在窗口的中心設(shè)置熱電偶，并布置橫縱向溫度切片。本文將T=540 ℃、T1=350 ℃定義為危險(xiǎn)溫度，相對應(yīng)的危險(xiǎn)溫度所在位置與火源外窗上口之間垂直高差即為危險(xiǎn)溫度高度。其中，T為羽流火焰高度的判斷溫度、T1為石墨聚苯板的點(diǎn)燃溫度。1-12#住宅樓平面圖如圖1 所示。

圖1 1-12#住宅樓平面圖（來源：作者自繪）

2.2 網(wǎng)格劃分

在PyroSim 中劃分的網(wǎng)格尺寸與火源特征直徑D*呈正比關(guān)系，在將所建模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.25 m×0.25 m×0.25 m 時(shí)，可以滿足模擬所需的精度要求，其表達(dá)式為：

式中：Q*為火源熱釋放速率，單位W；ρ0為空氣密度，單位kg/m3；c0為空氣比熱容，單位J/（kg·℃）；T0為室內(nèi)溫度，單位℃；g為重力加速度，單位m/s2。

2.3 熱釋放速率

本次模擬火源位于活動室，該活動室屬于無噴淋的辦公室、客房，熱釋放速率取值為6 MW[2]。在通風(fēng)受限條件下，當(dāng)室內(nèi)熱釋放速率超過通風(fēng)因子時(shí)，火災(zāi)發(fā)展至通風(fēng)限制階段，進(jìn)而形成窗口羽流火焰[3-4]。

通過計(jì)算可以得知，本文設(shè)置的窗口尺寸及火源熱釋放速率能夠形成窗口羽流火焰，表達(dá)式為：

式中：A為窗口面積，單位m2；H為窗口高度，單位m。建筑防排煙技術(shù)規(guī)程如表1 所示。

表1 建筑防排煙技術(shù)規(guī)程

為使數(shù)據(jù)模擬研究能夠真實(shí)體現(xiàn)火災(zāi)的發(fā)展過程，選用非穩(wěn)態(tài)t2模型確定熱釋放速率曲線，其表達(dá)式為：

式中：α為火災(zāi)增長系數(shù)，單位kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，單位s；t1為達(dá)到最大火源熱釋放速率的時(shí)間，單位s。

火災(zāi)增長系數(shù)是衡量火災(zāi)發(fā)展速度的重要參數(shù)，根據(jù)表2 所示的排煙、排熱標(biāo)準(zhǔn)可知，案例的火災(zāi)發(fā)展級別為快速火，則火源熱釋放速率達(dá)到了6 MW 所需時(shí)間約為355 s。

表2 排煙、排熱標(biāo)準(zhǔn)

3 工況模擬分析

3.1 無側(cè)墻口字型

在火災(zāi)建筑模型每層活動室窗口中心處設(shè)置熱電偶，收集羽流火焰溫度數(shù)據(jù)。在所劃分網(wǎng)格的橫向中心布置溫度切片，將540 ℃等溫面作為火焰判定依據(jù)，同時(shí)以350 ℃為石墨聚苯板的點(diǎn)燃溫度，因此將T=540 ℃、T1=350 ℃定義為危險(xiǎn)溫度?；鹪此谕獯吧峡跒橛鹆骰鹧娴撞?，危險(xiǎn)溫度所在位置與火源外窗上口之間的垂直高差即為危險(xiǎn)溫度高度，因羽流火焰溫度從內(nèi)至外呈現(xiàn)梯度分布狀態(tài)，危險(xiǎn)溫度高度需要結(jié)合窗口溫度曲線和等溫線兩組數(shù)據(jù)確定[5]。

通過數(shù)值模擬分析，得到住宅樓無側(cè)墻口字型部位的單窗口、縱向兩窗口及縱向三窗口羽流火焰的窗口溫度曲線，如圖2 所示。圖2 中的HCP2、THCP3、THCP4、THCP5、THCP6、分別代表設(shè)置在第2 層、第3 層、第4 層、第5 層、第6 層窗口的熱電偶。

圖2 無側(cè)墻窗口溫度曲線（來源：作者自繪）

將模擬切片數(shù)據(jù)整合，得到等溫線分布，如圖3 表內(nèi)數(shù)據(jù)所示。通過分析窗口溫度曲線與等溫線分布，可以得出以下結(jié)論：第1，單窗口時(shí)危險(xiǎn)溫度T 高度0.97 m，T1高度1.47 m；縱向兩窗口時(shí)危險(xiǎn)溫度T高度3.47 m，T1高度為3.97 m；縱向三窗口時(shí)危險(xiǎn)溫度T高度為3.47 m，T1高度4.47 m。第2，縱向相鄰多窗口的羽流火焰有融合，危險(xiǎn)溫度高度相比單窗口相比提升約2.5 m。

圖3 無側(cè)墻窗口等溫線分布（來源：作者自繪）

3.2 有側(cè)墻凹字型

通過模擬分析，得到1-12#住宅樓有側(cè)墻凹字型部位的單窗口、縱向兩窗口及縱向三窗口羽流火焰的窗口溫度曲線，如圖4 所示。通過分析窗口溫度曲線與等溫線分布，可以得出以下結(jié)論：第1，單窗口時(shí)危險(xiǎn)溫度T高度為1.22 m，T1高度為1.72 m；縱向兩窗口時(shí)危險(xiǎn)溫度T高度4.47 m，T1高度為7.47 m；縱向三窗口時(shí)危險(xiǎn)溫度T高度為8.47 m，T1高度10.47 m。第2，有側(cè)墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)，使得羽流火焰高度隨縱向窗口數(shù)量增加且呈倍數(shù)增長。

圖4 有側(cè)墻窗口溫度曲線（來源：作者自繪）

4 結(jié)語

本文分析了高層建筑窗口羽流火焰對防火隔離帶的影響，并進(jìn)行了工況模擬分析，并對如何設(shè)置防水隔離帶提出了具體對建議。相關(guān)研究結(jié)論能夠?yàn)槭郾桨逋鈮Ρ貤l件下防火隔離帶的設(shè)置提供參考。