基于湍流大渦算法的防護(hù)工程火災(zāi)煙氣擴(kuò)散仿真研究

鄧忠凱，茅靳豐，周 進(jìn)

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

基于湍流大渦算法的防護(hù)工程火災(zāi)煙氣擴(kuò)散仿真研究

鄧忠凱，茅靳豐，周 進(jìn)

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

以氣體流動控制方程為基礎(chǔ)，基于湍流大渦算法對設(shè)置擋煙垂壁的防護(hù)工程煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行仿真研究，以煙氣擴(kuò)散范圍和溫度來評價(jià)擋煙垂壁的設(shè)置對火場煙氣擴(kuò)散的影響。仿真結(jié)果表明：擋煙垂壁的設(shè)置使走廊頂棚處形成蓄煙池，有效減小了煙氣的擴(kuò)散范圍；垂壁設(shè)置個(gè)數(shù)越多、下垂高度越大對煙氣擴(kuò)散的阻擋效果越明顯。

湍流大渦算法；煙氣擴(kuò)散；防護(hù)工程；擋煙垂壁

0 引言

防護(hù)工程是一種相對封閉且與外界連通有限的地下空間，遇襲、工程內(nèi)部線路老化或人員偶然因素都可能引起火災(zāi)，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱θ藛T疏散造成巨大威脅。擋煙垂壁對建筑內(nèi)部火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散具有較好的阻擋作用，在工程中已得到越來越多的應(yīng)用[1-3]，因此研究擋煙垂壁在工程中的防煙作用具有重大意義。

由于火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的破壞性，利用數(shù)值模擬對煙氣在工程內(nèi)擴(kuò)散情況進(jìn)行研究已成為當(dāng)今較為重要的研究手段，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究[4]。本文在Fire Dynamic Simulator平臺上，以湍流大渦算法對設(shè)置擋煙垂壁的防護(hù)工程煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行了仿真研究。

1 數(shù)學(xué)模型

火災(zāi)發(fā)生后，煙氣在工程內(nèi)的流動是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則運(yùn)動，煙氣的各種物理參數(shù)都隨時(shí)間和空間發(fā)生變化。

1.1流動控制方程

煙氣的流動遵循能量質(zhì)量守恒定律：連續(xù)性方程、組分方程、動量方程、能量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程。

連續(xù)性方程：

(1)

組分方程：

(2)

動量方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

理想氣體狀態(tài)方程：

(5)

1.2湍流大渦算法

煙氣的流動是一種湍流現(xiàn)象，湍流流體中的各種物理參數(shù)(速度、壓力、溫度等)隨時(shí)間和空間的變化均會隨機(jī)地發(fā)生難以預(yù)測的變化，從物理結(jié)構(gòu)上來看，可以把渦流看作是各種不同尺度的渦旋疊加而成的流動，但這些渦旋旋轉(zhuǎn)的方向和尺度的大小是隨機(jī)的，正是流體內(nèi)這些不同尺度的渦旋隨機(jī)運(yùn)動使湍流表現(xiàn)出一個(gè)重要特點(diǎn)——物理量的脈動[5]。

湍流渦旋認(rèn)為大尺度渦導(dǎo)致了湍流中的脈動與混合，大尺度渦的能量從主流中獲得，并且這些渦非各向同性，同時(shí)隨流動而異，大尺度渦與小尺度渦在湍流中相互作用，這樣大尺度渦就把能量傳遞給小尺度的渦，因此小尺度渦的主要作用認(rèn)為是耗散能量，并且它們幾乎各向同性，不同流動中的小尺度渦也有許多共性。

湍流大渦算法采用了低馬赫數(shù)下的三維可壓縮Navier-Stokes方程，結(jié)合Smgaorinsky亞格子尺度模型對火災(zāi)熱羽流驅(qū)動的煙氣輸運(yùn)進(jìn)行數(shù)值模擬。Smgaorinsky亞格子模型中，流體的導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)可以表示為：

(6)

其中：Sct為流體施密特?cái)?shù)；Prt為湍流普朗特?cái)?shù)；cp為流體定壓比熱，單位為J/(kg·K)。

Smgaorinsky亞格子模型對湍流粘性的考慮為：

(7)

其中：Δ=(δxδyδz)1/3；Cs為Smgaorinsky常數(shù)；μLES為流體動力粘性系數(shù)，單位為Pa·s。

由于浮力與湍流的相互作用表現(xiàn)在對大渦輸運(yùn)過程的影響上，而小渦則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的隨機(jī)特性，故小渦幾乎不受浮力的影響，所以湍流大渦算法能夠較好地處理浮力和湍流之間的相互作用，可以求解出較為精細(xì)的湍流結(jié)果[6]。

2 結(jié)果與分析

防護(hù)工程一般處于地下，通風(fēng)條件受限，走廊狹長，通常可以將內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化為單室走廊火災(zāi)模型[7]。故以“單室—走廊”為研究對象，火源選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)火庚烷火[8]，火源模型為快速增長t2火模型。通過分析熱釋放速率最大時(shí)走廊內(nèi)煙氣特征參數(shù)(擴(kuò)散范圍、溫度)，得出擋煙垂壁對煙氣擴(kuò)散的影響。

2.1煙氣擴(kuò)散

火災(zāi)時(shí)煙氣的流動規(guī)律使用煙灰濃度來反映，如圖1、圖2所示。黑色部分即為煙灰，顏色越深表示煙灰濃度越高，相反則越低。

由圖1可知，在火災(zāi)發(fā)生后同一時(shí)間，不設(shè)置擋煙垂壁(自然擴(kuò)散)時(shí)，煙氣在走廊內(nèi)擴(kuò)散范圍要比設(shè)置擋煙垂壁的情況大，走廊充滿高溫?zé)煔狻臒煔馇颁h位置可以

圖1 h=0.9時(shí)不同間距對煙氣控制效果

看出，當(dāng)走廊內(nèi)平均分布的垂壁個(gè)數(shù)越多時(shí)，形成的蓄煙池個(gè)數(shù)越多，對煙氣在走廊縱向擴(kuò)散的阻擋效果越明顯。

由圖2可知，當(dāng)垂壁個(gè)數(shù)一定時(shí)，下垂高度越大，蓄煙池的容積越大，在相同時(shí)間內(nèi)蓄煙量越多，對煙氣擴(kuò)散的阻擋效果越明顯。

圖2 n=5時(shí)不同下垂高度對煙氣控制效果

2.2溫度分布

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于可燃物的劇烈燃燒，會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔猓^50 ℃的煙氣會造成人體呼吸系統(tǒng)的嚴(yán)重不適，嚴(yán)重時(shí)會造成生命危險(xiǎn)，因此走廊內(nèi)的煙氣溫度是評價(jià)人員安全標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)，也是火災(zāi)研究者的重點(diǎn)研究對象。在走廊中間人眼特征高度處平均布置9個(gè)溫度測點(diǎn)。

從圖3可以看出，自然擴(kuò)散時(shí)各測點(diǎn)的煙氣溫度分布沿走廊變化趨于一致，且同一時(shí)間各測點(diǎn)溫差相差不大，因?yàn)樽呃葲]有垂壁的阻擋作用，煙氣在縱向擴(kuò)散過程中，只通過與周圍壁面和下層冷空氣傳熱散失熱量，相較于設(shè)置垂壁工況，并不具有蓄煙池對煙氣的累積和阻擋作用，故自然擴(kuò)散時(shí)的縱向溫度衰減均勻且相對較小。

圖3 h=0,n=0工況下走廊各測點(diǎn)溫度變化

從圖4可以看出，當(dāng)設(shè)置下垂高度h=0.9 m，個(gè)數(shù)n=5的垂壁時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)走廊煙氣溫度分布沿縱向呈明顯的溫度分布梯度，隨著縱向距離的增加，走廊內(nèi)煙氣溫度逐漸變低。

其次，在火災(zāi)發(fā)生前300 s，煙氣在設(shè)有擋煙垂壁的走廊內(nèi)最高溫度達(dá)到400 ℃，遠(yuǎn)高于不設(shè)擋煙垂壁的溫度值(250 ℃)，且離著火房間越近，煙氣溫度變化越大，離著火房間較遠(yuǎn)處，煙氣溫度變化較小。主要由于擋煙垂壁間形成的蓄煙池使得煙氣聚集，減緩煙氣擴(kuò)散速度，煙氣與周圍冷空氣對流換熱和對周圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射換熱量增大。在靠近火源的走廊內(nèi)換熱量較大，測點(diǎn)溫度較高，遠(yuǎn)離火源測點(diǎn)位置煙氣溫度較低。

圖4 h=0.9,n=5工況下走廊各測點(diǎn)溫度變化

圖5表示當(dāng)火源熱釋放速率達(dá)到最大時(shí)，走廊末端測點(diǎn)9的溫度在所有工況下的對比圖。從圖中可以看出，走廊內(nèi)設(shè)置擋煙垂壁后，各測點(diǎn)煙氣溫度明顯降低。同一時(shí)刻下設(shè)置擋煙垂壁與不設(shè)擋煙垂壁對走廊末端溫度影響達(dá)到12.4%～52.9%，且垂壁下垂高度越大，設(shè)置個(gè)數(shù)越多，對走廊末端煙氣的溫降效果越明顯。

圖5 測點(diǎn)9在各工況下溫度對比

當(dāng)垂壁下垂高度一定時(shí)，走廊內(nèi)垂壁設(shè)置個(gè)數(shù)不同，走廊另一端溫度的變化范圍也不同。垂壁設(shè)置個(gè)數(shù)越多，走廊另一端降溫效果越明顯。對垂壁設(shè)置為h=0.9 m，n=5個(gè)的走廊末端溫度最大降幅達(dá)到40%。當(dāng)設(shè)置個(gè)數(shù)一定時(shí)，對垂壁下垂高度而言，具有相同的變化趨勢，主要表現(xiàn)為垂壁下垂高度越大，溫度降幅效果越明顯。對比分析同一下垂高度不同垂壁個(gè)數(shù)與同一垂壁個(gè)數(shù)不同下垂高度測點(diǎn)9的溫度差值可以看出，下垂高度相同時(shí)走廊垂壁個(gè)數(shù)的設(shè)置對煙氣溫降效果大于垂壁個(gè)數(shù)相同時(shí)下垂高度對煙氣的溫降效果。

3 結(jié)論

本文以氣體流動控制方程為基礎(chǔ)，基于湍流大渦算法對設(shè)置擋煙垂壁的防護(hù)工程煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：

(1)擋煙垂壁的設(shè)置使得走廊頂棚處形成蓄煙池，有效減小了煙氣的擴(kuò)散范圍。

(2)走廊內(nèi)擋煙垂壁的下垂高度和個(gè)數(shù)的設(shè)置對煙氣特征參數(shù)均有影響。主要表現(xiàn)為擋煙垂壁個(gè)數(shù)的設(shè)置對煙氣特征參數(shù)的影響效果大于下垂高度對煙氣特征參數(shù)的影響效果。

(3)通過比較所有工況發(fā)現(xiàn)，擋煙垂壁設(shè)置個(gè)數(shù)越多、下垂高度越大對煙氣擴(kuò)散的阻擋效果越明顯。

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Simulation on smoke diffusion in protective engineering fire based on turbulent large eddy algorithm

Deng Zhongkai, Mao Jinfeng, Zhou Jin

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China )

The smoke diffusion in protective engineering fire with smoke screen was simulated based on the turbulence large eddy algorithm, which based on air flow control equation in general. The effect of smoke screen on smoke diffusion was assessed by smoke diffusion range and temperature. The result shows that smoke screen shaped the smoke pools near the corridor ceiling, which effectively reduced the diffusion range of smoke. The more the number of smoke screen was and the greater the drooping height was, the more obvious the obstruction effect on smoke diffusion was.

turbulent large eddy algorithm; smoke diffusion; protective engineering; smoke screen

TU998.1

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.004

鄧忠凱，茅靳豐，周進(jìn).基于湍流大渦算法的防護(hù)工程火災(zāi)煙氣擴(kuò)散仿真研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(17)：12-14.

2017-03-15)

鄧忠凱(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：煙氣擴(kuò)散，人員疏散仿真。茅靳豐(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：工程內(nèi)部設(shè)備及系統(tǒng)防護(hù)研究。周進(jìn)(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：煙氣擴(kuò)散，人員疏散仿真。