豎井排煙口對L型高層建筑煙氣流動特性影響的模擬研究

梁 瑞，戴淑靈，文 博

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

火災(zāi)煙氣是火災(zāi)事故中人員死亡的最主要因素。高層建筑內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)較多且連接相對復(fù)雜，其中豎井和走廊是高層建筑的主要通道結(jié)構(gòu)。在各樓層中，走廊結(jié)構(gòu)往往又與豎井結(jié)構(gòu)直接相連，是發(fā)生火災(zāi)時煙氣運動的主要路徑[1-3]。當(dāng)建筑內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，煙氣會通過走廊等結(jié)構(gòu)水平運動至各類豎井結(jié)構(gòu)中，并在煙囪效應(yīng)的作用下向上豎直運動，直至煙氣蔓延到整個建筑物。在高層建筑設(shè)計中，為了能夠促進室內(nèi)外氣流交換，及時排出室內(nèi)熱煙氣，通常會在豎井結(jié)構(gòu)最高處設(shè)置排煙口進行排煙，鑒于該方式設(shè)計簡單、經(jīng)濟實用，因此被廣泛普及使用[4-6]。

李元洲等[7]以高層建筑的豎井排煙為研究對象，利用全尺寸實驗對不同豎井高度和火源功率下豎井的控?zé)熜ЧM行分析，得出在火源功率不變時，豎井高度與煙囪效應(yīng)成正比，而火源功率增大時需提高豎井高度或減小補風(fēng)口面積才能達(dá)到最好的控?zé)熜Ч埦笌r等[8]利用FDS模擬驗證高層建筑利用豎井排煙的可行性。楊云春等[9]以長廊型風(fēng)洞為實驗對象，采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究自然通風(fēng)下走廊中常見的幾種煙氣控制模式效果，比較得出在排煙量不變并同時開啟排煙口和擋煙垂壁時效果最好的煙氣控制模式，但是并未將走廊與豎井相結(jié)合來研究煙氣的控制效果。畢偉民等[10]利用FDS軟件模擬高層建筑物在防火門開啟的狀態(tài)下各層樓梯間及走廊中火災(zāi)煙氣各參數(shù)的變化情況，得出在中性面以上，危險性和高度成正相關(guān)，中性面以下成負(fù)相關(guān)。張威等[11]以高層建筑L型走廊模型為研究對象，采用FDS軟件分別對設(shè)置排煙口排煙和設(shè)置緩沖區(qū)排煙2種模式進行模擬，并進行對比分析，得出更適用于L型走廊的防排煙模式。目前國內(nèi)外研究中，多是單獨對走廊或豎井內(nèi)煙氣的流動特性和控制方法進行研究，尚未有結(jié)合走廊和豎井結(jié)構(gòu)探究內(nèi)部各因素對煙氣流動特性影響的研究，且學(xué)者們大多關(guān)注直線走廊，對類似于L型的較復(fù)雜建筑研究較少。L型建筑結(jié)構(gòu)特殊，平面2部分既有分割又相互聯(lián)系，便于對某些要求既聯(lián)系又相對要求隔離的房間進行設(shè)計布置，如學(xué)校建筑的普通教室和聲樂教室。因此，本文利用FDS軟件建立L型高層建筑模型，研究豎井排煙口面積對結(jié)構(gòu)中煙氣運動規(guī)律的影響。

1 理論分析

火災(zāi)實驗表明，如果煙氣流動過程中未受到外界干擾，則煙氣呈層流流動狀態(tài)；若煙氣受到通風(fēng)口以及排氣設(shè)備的干擾，則由層流狀態(tài)變?yōu)橥牧髁鲃印?/p>

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，在短時間內(nèi)建筑物內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，室內(nèi)外空氣的密度隨之出現(xiàn)差異，引發(fā)浮力驅(qū)動的煙氣流動[12]，而當(dāng)浮力驅(qū)動煙氣進入到豎井中時，豎井中由于熱浮力的作用導(dǎo)致氣體豎直向上運動從而產(chǎn)生煙囪效應(yīng)[13]。煙囪效應(yīng)在豎井底部產(chǎn)生負(fù)壓，這會對火災(zāi)環(huán)境內(nèi)煙氣蔓延形式及規(guī)律產(chǎn)生重大影響[14]。隨著壓差的增大，煙囪效應(yīng)在煙氣運動中占主導(dǎo)因素，壓差越大豎井中的煙囪效應(yīng)越強。

豎井底部A點和頂部B點的壓力[15]，如式(1)～(2)所示：

pA=pC+Δp1

(1)

pB=pD+Δp2

(2)

式中：pC為豎井底部外壓力，Pa；pD為豎井頂部外壓力，Pa；Δp1，Δp2為豎井底部開口流入和頂部開口流出的局部阻力，Pa。

又由于豎井底部和頂部外壓力如式(3)～(4)所示：

pC=pD+ρ0gh

(3)

pA=pB+ρSgh

(4)

由式(1)～(4)可得：

(ρ0-ρS)gh=Δp1+Δp2

(5)

式中：ρS，ρ0分別為豎井內(nèi)部煙氣密度和空氣密度，kg/m3；h為豎井高度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

設(shè)煙氣距中性層上部或下部的高度為hN，則豎井內(nèi)外壓差Δph的絕對值如式(6)所示：

Δph=|(ρ0-ρS)ghN|

(6)

將空氣和煙氣視為理想氣體，則空氣和煙氣的密度分別如式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：T0，TS分別為空氣和豎井內(nèi)煙氣的絕對溫度，K；p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琍a；pS為豎井內(nèi)外煙氣壓力，Pa；R0和RS分別為空氣和煙氣的氣體常數(shù)。

豎井內(nèi)外氣體的平均壓力取當(dāng)?shù)卮髿鈮海磒0=pS=101 325 Pa；空氣和煙氣的氣體常數(shù)相近，可取為空氣的氣體常數(shù)，即R0=RS≈R，簡化可得中性面位置處的內(nèi)外壓差如式(9)所示：

(9)

2 模型的建立

2.1 基本參數(shù)設(shè)置

以某高校化學(xué)實驗樓為建筑背景，構(gòu)建L型走廊和豎井，該建筑共9層，每層層高4.0 m，L型走廊的短走廊長9.5 m，長走廊長20 m，走廊寬為3.0 m。在每層的短走廊頂端設(shè)置面積為1.5 m×1.5 m的窗口，距離地面高度1.0 m，結(jié)合實驗樓實際結(jié)構(gòu)以及《自然排煙系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗收規(guī)范》[16]，進行合理的結(jié)構(gòu)簡化，保留建筑結(jié)構(gòu)煙氣流動特征，刪除不參與分析目標(biāo)的次要特征。同時，需要排煙的房間和疏散走道內(nèi)的通風(fēng)口的有效面積不應(yīng)小于該房間和走道地面面積的2%，固排煙口面積不應(yīng)小于1.6 m2。在右端設(shè)置寬度為2 m，高度為2.5 m的雙開門與豎井結(jié)構(gòu)連通。豎井其右端為采光區(qū)域，一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，保留底層和頂層面積為1.5 m×1.5 m的窗口開啟進行自然通風(fēng)，平面圖如圖1所示。

圖1 某高校化學(xué)實驗樓平面圖Fig.1 Floor plan of a chemical laboratory building in a university

2.2 網(wǎng)格劃分

(10)

計算可得D*為1.12 m，所以網(wǎng)格尺寸d應(yīng)在0.07～0.28 m之間。此外，網(wǎng)格尺寸越小，計算精度越高，但計算量也會大大增加，嚴(yán)重的情況下，會導(dǎo)致計算不收斂，因此對網(wǎng)格的獨立性進行驗證。

在同一模型下，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.025 m×0.025 m×0.025 m,0.05 m×0.05 m×0.05 m,0.1 m×0.1 m×0.1 m,0.25 m×0.25 m×0.25 m,0.5 m×0.5 m×0.5 m,在這5種網(wǎng)格尺寸下對豎井中部的煙氣溫度變化分別進行模擬，由圖2可以看出隨著網(wǎng)格尺寸的減小，溫度逐漸趨向某一定值，網(wǎng)格尺寸為0.025 m和0.05 m時豎井中部的煙氣溫度與尺寸為0.1 m時相比變化不大。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下豎井中部溫度變化Fig.2 Temperature change at middle of shaft under different grid sizes

綜上所述，考慮模擬工作量的大小，本次FDS模擬采用網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m最為合適。

2.3 火源設(shè)計

盡管可燃物種類不同，但在火災(zāi)初期增長階段，熱釋放速率近似按照時間的t2規(guī)律發(fā)展，因此火災(zāi)的增長曲線可由式(11)表示[17]:

Q=αt2

(11)

式中：Q為熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/m2；t為火災(zāi)發(fā)生后的時間，s。

在火災(zāi)場景設(shè)計中，根據(jù)火災(zāi)增長系數(shù)的不同，t2火又進一步分為慢速型、中速型、快速型和超快速型4種類型。在性能化設(shè)計中，火災(zāi)類型常選為快速型或中速型，本文選取中速型火災(zāi)，其火災(zāi)增長系數(shù)為0.011 27。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[18]，存在噴淋系統(tǒng)的辦公室、教室、客房、走道的火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時熱釋放速率可取1.5 MW。又因火災(zāi)單位面積熱釋放速率為500 kW/m2，因此設(shè)置火源面積為1.5 m×2.0 m，燃料選擇為聚氨酯。湯靜等[19]在對4種典型結(jié)構(gòu)走廊中煙氣流動特性的研究中指出：L型走廊在其拐角處受到建筑封閉結(jié)構(gòu)的阻礙和反浮力作用，熱煙氣容易積聚，不利于人員疏散，形成危險區(qū)域。安偉光等[20]通過研究火源及通風(fēng)對L型走廊火災(zāi)的影響得出：當(dāng)火源在L型走廊拐角處時，對走廊的破壞最大。因此，本文將火源設(shè)置在走廊拐角，研究其煙氣運動規(guī)律。

2.4 測量系統(tǒng)設(shè)置

假設(shè)該建筑的消防系統(tǒng)完好，為測量火災(zāi)過程中溫度的分布特點，每層窗口中間設(shè)置1個溫度探測器，每層走廊設(shè)置溫度探測器和CO濃度探測器各3個，短走廊探測器距離窗口0.2 m，中間探測器分布在拐角處，長走廊探測器距雙開門0.2 m，探測器距地板高度均為1.8 m。豎井中豎直方向每隔4 m設(shè)置1個溫度探測器和1個CO濃度探測器，各設(shè)置9個。因為速度探測器只能檢測到某一個點的速度，沒有流量測量裝置覆蓋全面，故在走廊各窗口和門的表面安裝流量測量裝置，以探測各表面的氣流流量隨時間變化的趨勢。

2.5 排煙口面積設(shè)計

其他參數(shù)保持不變，選取5種不同的排煙口面積，將排煙口設(shè)置在豎井的頂端進行機械排煙，具體面積參數(shù)如表1所示。數(shù)值模型圖如圖3所示。

表1 排煙口面積參數(shù)Table 1 Area parameters of smoke exhaust vent

圖3 某高校化學(xué)實驗樓模型Fig.3 Model of a chemistry laboratory building in a university

3 結(jié)果分析

3.1 排煙口面積對煙氣蔓延的影響

不同排煙面積下，煙氣蔓延到頂部的運動分布如圖4所示。對比面積0～5 m2，隨著排煙口面積的增大，低層區(qū)域煙氣的運動范圍明顯減小，且到達(dá)豎井頂部的時間從140，130，120，115，110 s依次減少。封閉豎井內(nèi)煙氣運動較為緩慢，煙氣到達(dá)豎井后向其他走廊擴散，火災(zāi)前期低層走廊煙氣蔓延更為明顯。當(dāng)排煙口面積增大，低層走廊中的煙氣蔓延程度也逐漸減小。

圖4 火災(zāi)前期不同排煙口面積下煙氣運動分布圖Fig.4 Distribution of smoke movement under different smoke exhaust vent areas in early stage of fire

圖5為火災(zāi)相對穩(wěn)定階段(365 s)時不同排煙口面積下走廊和豎井中的煙氣運動分布情況，可以看出，在5種面積下豎井底部的通風(fēng)口均未有煙氣溢出，說明此處的風(fēng)壓值較室外氣壓值小；而在豎井頂部的通風(fēng)口處均有煙氣溢出，表明此處的內(nèi)部壓力大于室外壓力。隨著排煙面積的增大，豎井上下的壓差增大，煙氣在豎井中的運動速度加快，到達(dá)豎井頂部的時間明顯減少。在火災(zāi)后期，隨著排煙口面積的增大，建筑和豎井內(nèi)部以及和豎井頂部通風(fēng)口煙氣的蔓延程度均減小，對高層煙氣的控制效果更強。

圖5 火災(zāi)后期不同排煙口面積下煙氣運動分布圖Fig.5 Distribution of smoke movement under different smoke exhaust vent areas in later stage of fire

3.2 排煙口面積對豎井內(nèi)溫度的影響

因系統(tǒng)中存在噴淋，所以建筑內(nèi)溫度未達(dá)到較高值，且在不同排煙口面積下，因豎井底部更靠近火源和通風(fēng)口，豎井頂部存在機械排煙和通風(fēng)口，溫度不具有穩(wěn)定性和規(guī)律性，故本文選取溫度變化較為穩(wěn)定的豎井中層進行分析。

在火災(zāi)前期，未增加排煙口時，豎井內(nèi)的溫度保持不變?nèi)缓蠓€(wěn)定上升，當(dāng)增加排煙口后，豎井中的溫度均先降低再升高，這是由于在150 s之前煙氣還未從L型走廊蔓延到豎井中，而豎井中的機械排煙已開始運作，所以排煙口的抽吸現(xiàn)象導(dǎo)致了豎井中溫度低于室溫，且排煙口面積與豎井內(nèi)的溫度成負(fù)相關(guān)。由圖6可以看出，當(dāng)排煙口面積從4 m2增加為9 m2時，溫度衰減較為明顯，增大為 12 m2時溫度衰減變化卻不大。由此可知，排煙口面積并非越大越好，而是存在于9～12 m2的某個臨界值。

圖6 不同面積排煙口下豎井中層溫度變化Fig.6 Temperature change at middle layer of shaft under different areas of smoke exhaust vent

在火災(zāi)前期，隨著排煙口面積的增大，溫差絕對值呈冪函數(shù)規(guī)律變化，在200 s以后，9 m2和12 m2面積下的溫差絕對值呈指數(shù)規(guī)律衰減。結(jié)合圖7可知，200 s以后煙氣蔓延到豎井中，煙氣的溫度中和了排煙口抽吸現(xiàn)象導(dǎo)致的溫度降低，故溫差開始減小。0 m2和1 m2面積下的溫差絕對值呈指數(shù)規(guī)律增加，不存在抽吸現(xiàn)象或抽吸現(xiàn)象不明顯，當(dāng)煙氣進入豎井后溫差始終保持遞增。而排煙口面積為4 m2時，溫差絕對值變化最小，由式(9)可知溫差越大則壓差越大，驅(qū)動力也越強，故豎井中煙氣的驅(qū)動力最小。在320 s之前，排煙口面積為12 m2的溫差最大，320 s之后，無排煙口的豎井溫差最大。

圖7 不同排煙口面積下豎井中層內(nèi)外溫差絕對值Fig.7 Absolute value of temperature difference between inside and outside at middle layer of shaft under different areas of smoke exhaust vent

3.3 排煙口面積對豎井內(nèi)CO濃度的影響

在豎井中由于豎井底部靠近火源和底部通風(fēng)口，導(dǎo)致CO濃度不穩(wěn)定，不利于研究其規(guī)律。因此在5種排煙面積下，分別觀察在火源穩(wěn)定階段(365 s)豎井中部以上CO濃度的分布情況。由圖8可以看出在豎井中部位置各工況下的CO濃度均最低，幾乎為0，其后隨著高度的增加CO濃度升高，該現(xiàn)象是因為在建筑的頂部煙氣沒有及時排出，存在聚集情況。在豎井中上部位置，排煙口面積越大，CO濃度越低。

圖8 火災(zāi)后期不同排煙口面積下CO濃度變化Fig.8 Change of CO concentration under different smoke exhaust vent areas in later stage of fire

3.4 排煙口面積對走廊窗口氣流流量的影響

窗口的氣流速度等于流量除以面積，窗口的面積為定值2.25 m2。隨著排煙口面積增大，豎井排煙能力增強。如圖9所示，可以看出在火災(zāi)后期(100 s后)，6層以下的窗口速度均為負(fù)值，窗口內(nèi)部的壓力小于外部壓力，此時窗口只有空氣流入，不存在煙氣的溢出；6層以上的窗口速度為正值，當(dāng)煙氣蔓延到此處時，將會發(fā)生溢出。由圖9可看出6層為氣體流量的分界層，因此6層為建筑的中性面位置，在中性面以下，室內(nèi)空氣呈負(fù)壓，室外空氣向室內(nèi)流動；在中性面以上，室內(nèi)空氣呈正壓，室內(nèi)空氣向外流動。

圖9 不同排煙口面積下走廊窗口氣流流量Fig.9 Window airflow rate of corridor under different areas of smoke exhaust vent

隨著排煙口面積的增大，在火災(zāi)初期(100 s前)，各層窗口氣流速度均為負(fù)值，由于機械排煙的抽吸作用，6層以上窗口處有更多的空氣進入室內(nèi)，且排煙口面積越大，抽吸作用更強，6層以上與6層以下之間排煙速度差別增大。

4 結(jié)論

1)隨著排煙口面積的增大，煙氣從L型走廊蔓延到豎井頂部的時間明顯縮短，且在火災(zāi)穩(wěn)定階段，在中性層以上發(fā)生煙氣的向外蔓延，整體蔓延程度減小。中性層以下走廊的蔓延程度顯著減小。

2)在320 s之前，排煙口面積越大，豎井內(nèi)外溫差越大，則壓差的絕對值取得最大值。320 s之后正好相反。在豎井中部位置，不同排煙面積下CO濃度相似，隨著高度的增加CO濃度與排煙口面積成負(fù)相關(guān)。

3)6層為建筑的中性面位置，在此處建筑的內(nèi)外壓力相等。由于火災(zāi)發(fā)生在中性層以下位置，當(dāng)煙氣在豎井中上升到達(dá)6層以上時，煙氣流出豎井并從L型走廊蔓延到窗口處溢出。隨著排煙口面積的增大，6層以上窗口的氣流速度與6層以下窗口氣流速度的差別增大。