防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬*

王利霞

(山西大同大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 山西 大同 037003)

隨著人口的增長(zhǎng)以及城市的發(fā)展，城市中的建筑物數(shù)量不斷增加，建筑防火問(wèn)題受到了人們廣泛的關(guān)注[1].建筑物的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，當(dāng)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不利于安全疏散和火災(zāi)撲救，容易造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[2].經(jīng)大量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在建筑火災(zāi)中窒息和煙氣中毒是造成人員傷亡的主要原因.火勢(shì)由于高溫?zé)煔獾难杆俾雍土鲃?dòng)會(huì)不斷擴(kuò)大，因此需要將消防排煙系統(tǒng)設(shè)置在建筑防火系統(tǒng)中，有效地對(duì)煙氣進(jìn)行控制[3-4].在建筑防火系統(tǒng)中，消防排煙控制技術(shù)還存在不足，因此需要對(duì)消防煙氣的控制進(jìn)行模擬.當(dāng)前暖通消防煙氣控制模擬方法存在模擬精度低和控制效果差的問(wèn)題，需要對(duì)暖通消防煙氣控制模擬方法進(jìn)行研究.

李俊梅等[5]提出基于擴(kuò)散特性的消防煙氣控制模擬方法，該方法分析火源位置對(duì)煙氣溫度分布、支路隧道煙氣質(zhì)量流量分配的影響，根據(jù)分析結(jié)果獲得煙氣流動(dòng)的擴(kuò)散特性，實(shí)現(xiàn)消防煙氣控制的模擬，該方法得到的模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差較大，存在模擬精度低的問(wèn)題.馬礪等[6]提出基于FDS的消防煙氣控制模擬方法，該方法通過(guò)FDS模擬軟件在隧道風(fēng)機(jī)輔助站臺(tái)排煙、站臺(tái)排煙、自然排煙三種模式下分析不同火源位置一氧化碳濃度分布、樓梯口風(fēng)速、能見(jiàn)度和人眼特征高度處溫度，實(shí)現(xiàn)消防煙氣控制的模擬，采用該方法控制后能見(jiàn)度沒(méi)有提高，存在控制效果差的問(wèn)題.肖益民等[7]提出基于傳熱模型的消防煙氣控制模擬方法，該方法考慮流量和氣流溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，根據(jù)分析結(jié)果建立傳熱模型，通過(guò)確定邊界換熱、初始溫度分布和傳熱影響深度等定解條件，獲得離散方程組，在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)傳熱，獲得建筑結(jié)構(gòu)傳熱量、熱量分布和溫度分布，實(shí)現(xiàn)消防煙氣控制的模擬，該方法構(gòu)建的離散方程組精準(zhǔn)度較低.

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法.本文方法主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)包括：1)構(gòu)建基本守恒方程分析防排煙系統(tǒng)中煙氣及溫度場(chǎng)分布特征，通過(guò)基本守恒方程能夠精準(zhǔn)地分析系統(tǒng)中煙氣、溫度具體分布情況，結(jié)合能量質(zhì)量守恒定律，在保證模擬結(jié)果符合客觀(guān)事實(shí)的基礎(chǔ)上提升數(shù)據(jù)的切實(shí)性、可靠性；2)采用湍流方程深入分析防排煙系統(tǒng)煙氣湍流耗散率，并在前人研究基礎(chǔ)上考慮了剪力產(chǎn)生項(xiàng)及浮力產(chǎn)生項(xiàng)的影響，以此提升CFD模擬的模擬精度；3)分析CFD技術(shù)及應(yīng)用過(guò)程；4)仿真模擬.

經(jīng)上述過(guò)程完成防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法能夠有效模擬出暖通消防煙氣分布狀況，該方法實(shí)際應(yīng)用性較高.

1 煙氣擴(kuò)散模擬數(shù)學(xué)模型

1.1 基本守恒方程

首先需分析防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣擴(kuò)散狀態(tài)，結(jié)合能量守恒定律獲取符合客觀(guān)事實(shí)的煙氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供理論數(shù)據(jù).設(shè)u、v、w為在空間x、y、z三個(gè)方向中的速度分量；p為流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的壓力；C為煙氣對(duì)應(yīng)的濃度；θ為溫度場(chǎng)參數(shù).煙氣在防排煙系統(tǒng)中的流動(dòng)通常遵循能量質(zhì)量守恒定律，即組分方程、能量方程、連續(xù)性方程和動(dòng)量方程.

連續(xù)方程的表達(dá)式為

(1)

式中：ρ為排煙密度；xi為質(zhì)量.

能量方程的表達(dá)式為

(2)

式中：cp為氣壓對(duì)應(yīng)的定壓比熱容；qb為燃燒產(chǎn)生的熱源項(xiàng)；qr為輻射熱源項(xiàng)；λ為氣體對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù).

動(dòng)量方程的表達(dá)式為

(3)

組分方程的表達(dá)式為

(4)

式中：Cs為s組分氣體對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ws為s組分氣體在燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)生成率；D為s組分氣體對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù).

通過(guò)式(3)～(4)完成防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量與組分分析，基于上述計(jì)算得到煙氣相關(guān)數(shù)據(jù)，為分析暖通消防煙氣控制的CFD模擬[8]提供可行數(shù)據(jù).

1.2 湍流方程

由于煙氣在暖通管道中會(huì)產(chǎn)生湍流運(yùn)動(dòng)，因此在結(jié)合基本守恒方程的基礎(chǔ)上，需根據(jù)湍流方程分析其在暖通管道中湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài).浮力作用下的湍流流動(dòng)可以用來(lái)描述氣流在火災(zāi)過(guò)程中的流動(dòng)[9-10].為了更精準(zhǔn)分析火源產(chǎn)生煙氣的流向，本文將對(duì)暖通管道中煙氣流動(dòng)方向進(jìn)行模擬，通常情況下，暖通管道分為單向流入和雙向流入，根據(jù)該特點(diǎn)進(jìn)行煙氣流動(dòng)模擬.

結(jié)合前文可知，在湍流過(guò)程中各物理量都是瞬時(shí)值，在上述基本方程中引入脈動(dòng)速度φ′，獲得Reynolds時(shí)均方程組，即

(5)

(6)

湍流動(dòng)能K方程的表達(dá)式為

Gk+Gb-ρε

(7)

式中：k為黏滯力；vl為湍流順時(shí)速度；σk為瞬時(shí)壓力；ε為慣性力；Gk為剪力產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生項(xiàng).Gk和Gb的計(jì)算公式分別為

(8)

(9)

式中：uj為橫向外力；gi為煙氣重力.

湍流耗散率方程的表達(dá)式為

(10)

式中：σε為摩擦力；V為速度梯度.

基于上述公式完成暖通消防煙氣擴(kuò)散過(guò)程的參數(shù)計(jì)算，可為暖通消防煙氣控制CFD模擬提供理論數(shù)據(jù).

2 煙氣控制模擬

2.1 CFD技術(shù)

在CFD技術(shù)中通過(guò)有限差分法對(duì)描述流體的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解.采用CFD技術(shù)的求解流程如圖1所示.

防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，檢測(cè)迭代求解方程是否收斂，若未收斂，則需要修改系數(shù)，并將修改的系數(shù)重新代入離散方程，繼續(xù)進(jìn)行迭代求解，直到方程已經(jīng)收斂為止，獲取可視化計(jì)算結(jié)果，為暖通消防煙氣控制模擬提供依據(jù).

2.2 煙氣控制分析與優(yōu)化

當(dāng)長(zhǎng)條形火源的邊長(zhǎng)ds大于短邊3倍以上時(shí)，火焰在火源上方對(duì)應(yīng)的高度為z1，其計(jì)算公式為

圖1 CFD技術(shù)求解流程Fig.1 Flow chart of solving process by CFD technique

(11)

式中，Qc為熱釋放速率.熱釋放速率與其對(duì)流部分之間的關(guān)系為

Qc=Q/1.5

(12)

式中，Q為對(duì)流熱量.計(jì)算z1

(13)

設(shè)θm為煙流平均溫度，其計(jì)算公式為

(14)

式中：cq為煙流氣體對(duì)應(yīng)的定壓比熱容；θ0為環(huán)境溫度.設(shè)V為煙流體積流率，其計(jì)算公式為

(15)

式中，ρ0為煙流濃度.為了解決溫度迅速惡化、出口能見(jiàn)度低的問(wèn)題，可以增大建筑物排煙口的尺寸，提高排煙風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)暖通消防煙氣控制.通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬，為了驗(yàn)證防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法的整體有效性，需要對(duì)防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法進(jìn)行測(cè)試.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

綜合考慮模擬耗時(shí)和模擬精度，將網(wǎng)格單元數(shù)設(shè)置為244×50×8，將網(wǎng)格單元大小設(shè)置為0.4 m×0.4 m×0.41 m.本次實(shí)驗(yàn)將模擬一個(gè)2 000 m2的室內(nèi)環(huán)境，其消防煙道豎井高度為30 m，送風(fēng)主管長(zhǎng)度為5 m，煙氣流動(dòng)以雙向流動(dòng)類(lèi)型為主，并將單個(gè)排煙口對(duì)應(yīng)的排煙量設(shè)置為0.5 m3/s，排煙風(fēng)速為4 m/s，排煙口尺寸為500 mm×250 mm，排煙量較小.排煙口邊界條件設(shè)為Exhaust，排煙口的啟動(dòng)方式為煙感探頭響應(yīng)后1 min啟動(dòng)，設(shè)置出口邊界為Open類(lèi)型，環(huán)境溫度為25 ℃.根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，結(jié)合建筑出口寬度和面積等參數(shù)，設(shè)定模擬時(shí)間為600 s.對(duì)建筑平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取具有代表性的四個(gè)火源位置，火源名稱(chēng)分別為ABCD.將火源的尺寸設(shè)置為8 dm×1 dm，熱釋放速率曲線(xiàn)在火源增長(zhǎng)階段為t2型，將火災(zāi)荷載密度設(shè)定為645 MJ/m2，其具體分布如圖2所示.

圖2 火源位置模擬圖Fig.2 Simulation of fire source location

采用仿真方式根據(jù)日常產(chǎn)煙量輸入煙氣相關(guān)數(shù)值，以單向流入的暖通系統(tǒng)為例，分別采用防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法、基于擴(kuò)散特性的消防煙氣控制模擬方法和基于FDS的消防煙氣控制模擬方法進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比三種控制方法的控制效果，以防排煙系統(tǒng)煙氣熱量為指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試.為避免測(cè)試結(jié)果因主觀(guān)因素造成數(shù)據(jù)不確定性，本次實(shí)驗(yàn)將采用同一款防排煙系統(tǒng)，并對(duì)防排煙系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制處理，測(cè)試結(jié)果如圖3所示.

輸入大小一致的煙氣量，并在等長(zhǎng)的單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同控制方法下防排煙系統(tǒng)煙氣熱量Fig.4 Smoke heat in smoke prevention system with different control methods

由圖4可知，本文方法控制下，系統(tǒng)中的煙氣能夠有效排出，避免煙氣過(guò)多地堆積在系統(tǒng)中，而其他兩種方法在單位時(shí)間內(nèi)防排煙效果差.這種現(xiàn)象是因?yàn)榉琅艧熛到y(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法采用CFD技術(shù)對(duì)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，提高了防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣的控制效果.將能見(jiàn)度作為指標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證不同方法的有效性，排煙狀態(tài)下，空氣能見(jiàn)度計(jì)算公式為

(16)

式中：E為煙霧控制效率；t1為煙霧釋放時(shí)間；θ∞為環(huán)境空氣溫度；cρ為空氣定壓比熱容；ρ∞為煙霧濃度.由于其他條件相同，不同方法的煙霧控制效率不同，導(dǎo)致不同方法能見(jiàn)度也不同，測(cè)試結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同方法能見(jiàn)度對(duì)比圖Fig.5 Visibility comparison of different methods

由圖5可知，隨著時(shí)間的推移，三種方法的能見(jiàn)度都有所提高，但基于擴(kuò)散特性的消防煙氣控制模擬方法控制后的能見(jiàn)度變化不大，而本文方法控制后的能見(jiàn)度最高，驗(yàn)證了本文方法的整體有效性.

4 結(jié) 論

當(dāng)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于大多數(shù)人對(duì)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)不熟悉，不易察覺(jué)發(fā)生的緊急事件，當(dāng)緊急事件發(fā)生后容易產(chǎn)生混亂，造成大量的人員傷亡，需要對(duì)暖通消防煙氣控制進(jìn)行模擬.當(dāng)前暖通消防煙氣控制模擬方法存在模擬精度低和控制效果差的問(wèn)題.提出防排煙系統(tǒng)中暖通消防煙氣控制的CFD模擬方法，通過(guò)高精度的模型對(duì)暖通消防煙氣進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制，為消防煙氣控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).