環境風對自然排煙效果的影響研究

高為剛，楊 云

(徐州市消防支隊，江蘇 徐州 221111)

環境風對自然排煙效果的影響研究

高為剛，楊 云

(徐州市消防支隊，江蘇 徐州 221111)

為了研究環境風對自然排煙效果的影響，基于FDS模型對不同功率池火災在不同風速的迎面風和背面風作用下的排煙效果進行數值模擬研究，結果表明：迎面風對側墻排煙口的自然排煙有一定抑制作用，且風速越大抑制作用越強；背面風對側墻排煙口的自然排煙有一定促進作用，且風速越大促進作用越明顯。根據研究結果可知，在建筑設計中應充分考慮當地環境風的方向和風速，將側墻排煙口盡量布置在背面風一側，以在發生火災時達到良好的自然排煙效果。

側墻排煙口；環境風；自然排煙；排煙效果

0 引言

大量的火災案例證明，建筑火災中人員致死的主要原因是煙氣中毒和窒息，由于火災產生的高溫煙氣具有較好的流動性，能迅速蔓延至相鄰防火分區或樓層，進而影響人員的安全疏散甚至威脅人員的生命安全，因此在發生火災時，建筑內必須采取有效的排煙措施[1-2]。目前，排煙方式一般有機械排煙和自然排煙兩種，前者存在設備故障等問題，導致機械排煙系統的可靠性低，因此后者也就成了最穩妥、最經濟的排煙方式[3-4]。目前，Grattan[5]、Linden[6]、Cooper[7]、隋學敏[8]、楊淑江[9]、許兆宇[10]、靖成銀[11]等研究者對自然排煙口的位置、開口數量、布置方式等因素對自然排煙效果的影響進行了大量研究，并得出了具有指導意義的理論模型，而對于自然環境風影響作用下的自然排煙口煙氣流動規律的研究較少。因此，筆者利用火災大渦模擬軟件FDS對火災的發展全過程進行模擬，采集自然排煙口的煙氣體積流量數據，分析不同環境風作用下自然排煙口煙氣的流動規律。

1 環境風下自然排煙口煙氣體積流量理論研究

1.1 熱壓作用下排煙口體積流量分析

圖1 自然排煙雙區模型

當豎直自然排煙口位于側墻時，則房間內高度z處的絕對壓力Pin(z)可表示為(1)式[10]：

Ha+h=z

(1)

式中，h表示距熱煙氣層底部的高度。因此，距地面基準面z高度處的室內外壓差見(2)式：

(2)

假設室內煙氣和空氣皆為理想氣體，當建筑物進行自然排煙時，由于室內壓力自身的變化值相對于絕對壓力值較小，此處忽略不計，因此通常條件下氣體狀態方程可簡化為(3)式：

(3)

假設室內冷空氣層狀態與環境空氣狀態相同，即下部空氣的溫度和密度在火災過程中保持與環境空氣的溫度和密度相等，并使得補氣口面積遠大于排煙口面積，則在準穩態時，補氣口處氣體流速較低，補氣口基準高度處內外壓差ΔP0相對于煙氣密度差引起的熱壓差較小，可以近似認為ΔP0=0，(2)式可以簡化為(4)式：

(4)

由于采用側墻排煙口進行排煙，(4)式可以改寫為(5)式：

(5)

此時由室內外壓差引起的水平排煙口處的氣體流速可表示為(6)式：

(6)

1.2 風壓作用下排煙口體積流量分析

當建筑內未發生火災或沒有熱源的情況下，排煙口體積流量只受風壓作用的影響[12]。假定建筑所在地面為基準面，排煙口所在建筑面平均風壓系數為Cp，以氣體流動方向為正方向，可得室外高度z處的絕對壓力P∞(z)表達式為：

(7)

室內高度z處的絕對壓力Pin(z)表示為：

(8)

式中，ρ∞、ρin表示室外氣體密度和室內氣體密度。則高度z處的室內外壓差表達式為：

(9)

假設建筑內沒有火災等熱源，室內氣體溫度與室外基本相同，則室內高度z處的室內外壓差表達式可以改寫為：

(10)

根據伯努利方程可知，排煙口的氣體流速可以表示為：

(11)

1.3 熱壓和風壓共同作用下排煙口氣體流動分析

熱壓和風壓共同作用下的自然通風可以簡單地認為其效果是疊加的[13]，當二者共同作用時，在下層迎風側風量增加，下層的背風側進風量減少，甚至可能出現排風。假定建筑地面為基準面，建筑高度為H。當火災發生時，二者共同作用下室內高度z處的絕對壓力為Pin(z)：

(12)

室外高度z處的絕對壓力P∞(z)為：

(13)

根據式(12)、(13)可知，高度z處的室內外壓差為：

(14)

2 環境風對側墻排煙口自然排煙效果影響的模擬分析

2.1 模型的建立

為了研究自然風對自然排煙效果的影響，建立基于大渦模擬的全尺寸火災計算模型，模型的長度為9.6m，寬度為7.2m，高為3.6m，模型的側墻上開有一個面積為1.20m×1.20m的自然排煙口，并在模型側墻排煙口處設置煙氣體積流量測量裝置，記錄火災全過程中煙氣體積流量，模型的立體圖如圖2所示。由于基于大渦模擬的FDS技術的模擬精度與網格的大小有著密不可分的關系，因此將本模型的網格大小設置為0.25m×0.25m×0.25m，以確保能精確模擬池火災發生及發展的全過程。

圖2 模型立體圖

2.2 迎面風對排煙效果的影響分析

2.2.1 模型計算條件設定

模型的計算條件為：火源位于模型中心部位，其熱釋放速率設置為120、240、360、480kW，環境溫度設置為293K，為了研究迎面風對自然排煙口排煙效果的影響，場景設置1個面積為1.20m×1.20m的側墻排煙口，場景迎面風的風速分別設置為0、1、2、3、4m·s-1。

2.2.2 模擬結果及分析

為了便于研究，選取300～800s階段側墻自然排煙口的煙氣體積流量為研究對象。模擬中側墻排煙口處的煙氣體積流量測量裝置記錄了煙氣的體積流量，圖3、圖4、圖5、圖6為300～800s不同功率火源下側墻排煙口的排煙體積流量數據。

基于大渦模擬的池火災發展全過程模擬中，煙氣體積流量測量裝置測量開口排煙體積流量，選取300～800s的體積流量數據作為研究對象，將記錄數據的平均值作為側墻排煙口的排煙體積流量，圖7為120、240、360、480kW火源不同環境風速下開口的排煙體積流量比較圖。

圖3 120 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖4 240 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖5 360 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖6 480 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖7 不同環境風速下排煙體積流量比較圖

由圖7可知，不同火源功率、不同風速迎面風下，側墻排煙口的自然排煙體積流量的變化曲線趨勢基本一致。在不同火源功率下，側墻排煙口的自然排煙體積流量均表現為隨著迎面風風速增大而減小。當迎面風的風速從0～4m·s-1時，120、240、360、480kW火源下側墻排煙口的自然排煙體積流量降低幅度基本穩定，其平均值約為0.021、0.012、0.014、0.009m3·s-1。同時由圖7可知，當火源功率為120kW時，側墻排煙口的排煙效率隨著迎面風風速增加的降低幅度最大，說明火源功率較小時，由火源產生的熱煙氣造成熱壓比大功率火源小，風壓作用對自然排煙起到較大的影響作用。由此可以看出，迎面風對側墻排煙口的自然排煙抑制作用，即當迎面風的風速增加時，側墻排煙口的自然排煙體積流量減小。

為了進一步分析迎面風對側墻排煙口自然排煙效果的影響，以不同場景下迎面風為0m·s-1的側墻排煙口排煙體積流量為參照值，并將迎面風為1、2、3、4m·s-1環境下的側墻排煙口排煙體積流量與參照值進行比較分析，表1為不同功率火源下不同迎面風的模擬值與參照值的比較結果。

表1 不同功率火源下不同迎面風的模擬值與參照值的比較結果

由表1可知，在相同功率火源下，側墻排煙口的自然排煙體積流量均隨著迎面風風速的增加而降低。與迎面風為0m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量相比，迎面風為1～2m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量的降低幅度較小，排煙效率降低2.24%～12.05%；而迎面風為4m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量大幅度降低，排煙效率降低8.29%～28.77%。同時由表1可知，當火源功率為120kW時，側墻排煙口的排煙效率隨著迎面風風速增加的降低幅度最高，說明火源功率較小時，由火源產生的熱煙氣造成的熱壓比大功率火源小，風壓作用對自然排煙起到較大的影響。

2.3 背面風對排煙效果的影響分析

2.3.1 模型計算條件設定

模型計算條件：火源位于模型中心部位，其熱釋放速率設置為120、240、360、480kW，環境溫度設置為293K，為研究背面風對自然排煙口排煙效果的影響，場景設置1個面積為1.20m×1.20m的側墻排煙口，背面風的風速分別設置為0、1、2、3、4m·s-1。

2.3.2 模擬結果及分析

為了便于研究，選取300～800s階段側墻排煙口的煙氣體積流量為研究對象。模擬中側墻排煙口處的煙氣體積流量測量裝置記錄了煙氣的體積流量，圖8、圖9、圖10、圖11為300～800s不同功率火源上方側墻排煙口的排煙體積流量數據。

圖8 120 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖9 240 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖10 360 kW火源下開口的煙氣體積流量

基于大渦模擬的池火災發展全過程模擬中，煙氣體積流量測量裝置測量開口排煙體積流量，選取300～800s的體積流量數據作為研究對象，將記錄數據的平均值作為側墻排煙口的排煙體積流量，圖12為120、240、360、480kW火源下不同環境風速下開口的排煙體積流量比較圖。

由圖12可知，不同火源功率、不同風速背面風下，側墻排煙口的自然排煙體積流量的變化曲線趨勢基本一致。在不同火源功率下，側墻排煙口的自然排煙體積流量均表現為隨著背面風的風速增大而增大。當背面風的風速為0～2m·s-1時，120、240、360、480kW火源下側墻排煙口的自然排煙體積流量增加幅度較小，其平均值約為0.016、0.008、0.011、0.007m3·s-1；而背面風的風速由3m·s-1增加到4m·s-1時，不同火源下側墻排煙口的自然排煙體積流量增加幅度較大，其值約為0.065、0.023、0.016、0.019m3·s-1。由此可見，背面風對側墻排煙口的自然排煙效果有較好的促進作用，即當背面風的風速增加時，側墻排煙口的自然排煙體積流量增大；反之，側墻排煙口的自然排煙體積流量減小。

圖11 480 kW火源下開口的煙氣體積流量

圖12 不同環境風速下排煙體積流量比較圖

為了進一步分析背面風對側墻排煙口自然排煙效果的影響，以不同場景下背面風為0m·s-1的側墻排煙口的排煙體積流量為參照值，并將背面風為1、2、3、4m·s-1環境下的側墻排煙口排煙體積流量與參照值進行比較分析，表2為不同功率火源下不同背面風的模擬值與參照值的比較結果。

由表2可知，在相同功率火源情況下，側墻排煙口的自然排煙體積流量均隨著背面風風速的增加而增加。與背面風為0m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量相比，背面風為1m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量的增加幅度較小，排煙效率僅提高2.19%～7.50%；而背面風為4m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量大幅度提升，排煙效率提高9.54%～36.27%。同時由表2可知，當火源功率為120kW時，側墻排煙口的排煙效率隨著背面風風速增加的提升幅度最高，說明火源功率較小時，由火源產生的熱煙氣造成的熱壓比大功率火源小，風壓作用對自然排煙起到較大的影響作用。

表2 不同功率火源下不同背面風的模擬值與參照值的比較結果

3 結論

3.1 迎面風對側墻排煙口的自然排煙有一定抑制作用，在不同火源功率下，側墻排煙口的自然排煙體積流量均表現為隨著迎面風的風速增大而減小，其降低幅度基本穩定在0.021、0.012、0.014、0.009m3·s-1；與迎面風為0m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量相比，迎面風為4m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量降低幅度最大，排煙效率降低8.29%～28.77%。

3.2 背面風對側墻排煙口的自然排煙有一定促進作用，在不同火源功率下，側墻排煙口的自然排煙體積流量均表現為隨著背面風的風速增大而增大，與背面風為0m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量相比，背面風為4m·s-1環境下側墻排煙口的排煙體積流量增加幅度最大，其值約為0.065、0.023、0.016、0.019m3·s-1，排煙效率提高9.54%～36.27%。

3.3 根據環境風對自然排煙效果的影響分析可知，在建筑設計過程中，應充分考慮當地環境風的方向和風速，將側墻排煙口盡量布置在背面風一側，以在發生火災時達到良好的自然排煙效果，進而降低火災煙氣對人員安全疏散的影響。

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(責任編輯 馬 龍)

On the Effect of the Environmental Wind on the Natural Smoke

GAO Weigang, YANG Yun

(XuzhouMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince221111,China)

In order to investigate the effects of the environmental wind on the natural smoke by FDS based on a large eddy simulation, the different pool fires and the different environmental wind velocity of the face wind and the back wind are simulated by means of an entity FDS model. It is found that the face wind has a certain inhibition on the natural smoke, and the back wind has a certain promotion on the natural smoke. Based on the results of the analysis, the paper suggests that the architectural design process should take full account of the local environment of the wind direction and wind speed, and the sidewall smoke vents should be set up on the back side in order to improve the efficiency of the natural smoke.

sidewall smoke vents; environmental wind; natural smoke; smoke effect

2015-07-20

高為剛(1967— )，男，江蘇豐縣人，高級工程師； 楊云(1983— )，男，河南漯河人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0017-06