高層建筑火災中氣霧混流風幕阻煙性能模擬研究

趙志鵬 陳浩然 劉楚悅

摘要：采用FireDynamicSimulation（FDS）模擬軟件模擬了高層建筑條形走廊內四種不同工況下的煙氣蔓延擴散特征，對比分析煙氣傳播規律，通過比較關鍵位置處的溫度和一氧化碳體積分數，評估氣霧混流風幕的防煙效果。研究結果表明，氣霧混流風幕能夠有效地阻隔高溫有毒煙氣蔓延，延長人員疏散時間且不影響人員的自由出入，從而保證人員安全疏散。

關鍵詞：風幕;數值模擬;煙氣控制;氣霧混流

中圖分類號：TU892? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）02-0018-03

2020年1—10月間，共發生火災19.6萬起，相當于每兩分鐘就有一起火災發生，火災仍然是對我們的生活產生威脅最大的一種災害。當城市出現火災時，火災煙氣的高溫和毒性是致人傷亡的直接原因，煙氣中固態微粒的遮光作用會降低能見度，影響人員逃生，因此火災煙氣對人員生命安全構成極大的威脅。

隨著我國現代化進程的加快，超高層建筑不斷涌現，由于煙囪效應的影響，超高層建筑火災中煙氣的危害比一般建筑更加嚴重。

20世紀80年代初日本對防煙空氣幕展開研究，取得了一定成績，美國90年代初開始研究高層建筑中空氣幕的防煙效果，韓國Uk-Hee Jung分析隧道內空氣幕的氣流模式特征，證明安裝狹縫噴嘴的角度為20度，在狹縫噴嘴處排出空氣速度為35m/s，以便有效地阻擋煙氣。Gao等研究了空氣幕在隧道內阻止煙氣擴散的有效性，并進行了全尺寸試驗和模擬。

目前國內空氣幕防煙研究主要集中在探討單吹式防煙空氣幕的寬度、噴射角度、噴射速度等關鍵參數的最佳值和不同火災場景下防煙空氣幕的擋煙效率。

何嘉鵬等建立了高層建筑火災時防煙空氣幕流量、吹風口寬度和吹風口的射流速度的計算模型。通過實驗研究， 采用空氣幕防煙對于高層建筑火災時的疏散是可行的。黃松提出了一種新型空氣幕復式空氣幕的概念，即為一種由兩個單空氣幕組合，聯動共同阻煙的阻斷方式，研究表明：在大門處布置空氣幕時，復式空氣幕在某些參數條件下優于單空氣幕。肖蓓探究了復式空氣幕在建筑火災中的阻煙效果，經模擬實驗證明，復式空氣幕在建筑防煙上具有良好的效果。黃冬梅研究了利用單吹式防煙空氣幕阻擋煙氣擴散的有效性，得出空氣幕的最佳射流角度為10-15度，且當火源的總釋放速率為500kw時，空氣幕的出口風速與火源的總釋放速率滿足一定函數關系。

筆者利用火災動力學模擬軟件FDS，建立了高層建筑同比例模型，研究四種不同工況條件下高層建筑走廊內的煙氣傳播規律，通過分析走廊內關鍵位置的參數，評估氣霧混流風幕的防煙效率。

1? 數值模擬

本文模擬選用火災動力學模擬軟件FDS，FDS是以火災中煙氣為主要模擬對象的計算流體動力學軟件，本文中所使用的大渦模擬比方式數據解決了在低速的、熱力驅動下流動的微分方程，以火災時的煙氣流動和熱傳遞為研究對象， 它首先使用質量守恒方程、能量守恒方程，以及能量守恒的偏微分方程來逼近有限差分，，并將空間劃分為一系列網格，在單體網格內求解方程，確定火災基本參數在空間各點上的分布及隨時間發生的變化。

質量守恒方程：

動量方程：

能量方程：

高層建筑的條形走廊模型建筑平面圖見圖1所示，酒店共15層，層高2.6m，走廊寬為1.8m，走廊中線長20m，起火位置為第11層的房間。設定建筑環境初始溫度為20℃，根據高層民用建筑設計防火規范，酒店房間火源功率取為1000kW/m2，著火樓層第11層的計算空間網格設置為165×18×26，最小網格尺寸為0.1×0.1×0.1?；鹪催吔绲拇笮?0.5×0.6m。

在走廊中心線上15m處的頂部設置產生風幕的送風口，送風口尺寸為1.8×0.3m，送風口風速為8m/s;在送風口的下方設置排煙口，大小為0.3×1.8m;模擬的時間設置為100s。同時在走廊中線面上的2.6m高度上設置探測點，測定不同工況和模式下的CO體積分數和煙氣溫度，如表1所示。

2? 模擬結果比較與分析

2.1? 溫度分析

圖2為4種不同工況下建筑走廊空間內溫度隨時間的變動情形，經過大量科學研究證實：人體對高溫煙氣的忍受度是有限的。在65℃時，人體可以短暫忍受;在120℃時，15min內將產生嚴重的損傷。工況1在100s時就達到70℃，可見高溫煙氣對人員逃生的影響，工況2和工況3的溫度均有小范圍升高，而工況4在100s內溫度始終保持在20℃，確保了走廊煙氣溫度在人員的可承受范圍內，為人員安全疏散提供了有效時間，分析原因主要有三方面：第一，水霧顆滴與高溫煙氣相遇后產生熱量交換，水霧顆滴從熱煙氣中吸收的熱量，霧滴的吸熱作用降低了煙氣溫度;第二，氣霧混流風幕通過幕內外壓力差來阻止橫貫射流面的氣體流動，從而有效地減少風幕兩側區域的質量、組分與能量交換;第三，氣霧混流阻擋了煙氣向隧道蔓延，隧道內高溫煙氣濃度下降，隧道內溫度也隨之下降。

2.2? 一氧化碳濃度分析

火災中，煙氣在水平方向擴散的流動速度約為0.3～0.8m/s，而氣霧混流場，由于高速運動的氣霧混流誘發的垂直向下的氣霧混流場速度在8～12m/s，遠大于煙氣的流動速度。氣霧混流能量密集程度高，能在設置截面上形成具有一定強度的氣霧混流幕墻，煙氣流股與之相遇后隨氣霧混流風幕偏轉，從而阻擋CO等有毒氣體擴散。圖3為不同工況條件下，走廊內檢測到的一氧化碳濃度值隨時間變化情況，無風幕條件下CO峰值濃度值為30ppm，添加風幕和排煙口后CO峰值濃度均有較大下降，且在工況3和工況4條件下CO濃度保持為零，說明了氣霧混流風幕延緩了一氧化碳沿走廊通道向前蔓延的作用，同時風幕下設置的排煙口使風幕的阻斷能力更強。

3? 結語

（1）氣霧混流風幕通過幕內外的壓力差阻斷橫貫面的氣體流動，阻擋高溫有毒煙氣蔓延，同時水霧顆粒可以蒸發吸熱，和煙氣粒子間發生凝并，形成水滴和炭黑粒子團，炭黑粒子團在重力和水霧液滴的作用下沉降，從而有效地降低了狹長通道內的煙氣溫度，通過模擬發現在風幕下方設置排煙口可使風幕的阻斷能力更強，從而獲得較高的防煙效率。

（2）使用氣霧混流風幕進行防煙氣分隔的方式，能夠有效遏制煙氣的擴散，減少狹長通道內CO含量。

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Simulation study on smoke resistance performance

of aerosol mixed flow air curtain in high-rise building fire

Zhao Zhipeng ，Chen Haoran，Liu Chuyue

（Anhui University of Science and Technology，Anhui? Huainan 232001）

Abstract：This author uses the Fire Dynamic Simulation（FDS） field simulation software to simulate the characteristics of smoke spread and diffusion under four different working conditions in the strip corridor of high-rise buildings. By comparing the temperature and carbon dioxide volume fraction at key positions， the smoke prevention effect of the aerosol mixed flow air curtain is evaluated. The result shows that the air curtain of aerosol mixed flow can effectively block the spread of high-temperature toxic smoke， prolongs the evacuation time without affecting the free entry and exit of personnel and ensure the safe evacuation of personnel

Keywords：air curtain; numerical simulation; smoke control; aerosol mixed flow