王 丹， 吳 強， 劉佳佳

(黑龍江科技學院 安全工程學院，哈爾濱 150027)

中庭類建筑火災煙氣流動的數值模擬

王 丹， 吳 強， 劉佳佳

(黑龍江科技學院 安全工程學院，哈爾濱 150027)

火災場景煙氣流動與控制數值模擬是性能化消防設計的關鍵。借助Fluent軟件，考慮煙氣產生量、煙氣排放量兩因素，設計兩種中庭類建筑火災場景，并建立數值模型。模型邊界條件為:環(huán)境溫度20℃，排煙口速度分別為15.741、11.111 m/s，補風口速度1.107 m/s。模擬結果表明:在火災發(fā)生300、900 s時，兩種場景在6 m處的溫度場小于60℃，CO質量分數小于0.15%; 900 s時煙層沉降高度分別為14.0和11.5 m，三者均符合性能化評定標準。該研究對中庭煙氣控制系統(tǒng)的工程設計具有實用價值。

中庭類建筑;火災煙氣;溫度場;CO含量;煙層高度;數值模擬

隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，中庭類高層建筑越來越多，已經發(fā)展成為城市的新標志。這些建筑雖然給城市增加了亮麗的風景，但也增加了建筑消防的難度?，F(xiàn)代建筑的構成要素各不相同，傳統(tǒng)消防設計規(guī)范已不適用，從而產生了“性能化”為基礎的防滅火設計方法。

性能化消防設計是運用消防安全工程學的方法和原理對隨機建筑的綜合消防性能進行評定，設計出特定的符合現(xiàn)場實際情況的消防安全系統(tǒng)模式，以實現(xiàn)在發(fā)生火災時，保障建筑物內的人員生命、財產安全的最終目標。

在進行性能化消防設計時，首先分析火災本身發(fā)生、蔓延和發(fā)展的規(guī)律，結合以往火災中累積的經驗和方法，對可能引起建筑物火災的危險源進行預先性計算和分析，從而確定研究對象的消防安全指標和性能指標;其次結合數值模擬軟件對起火的因素和火災現(xiàn)場、火災煙氣蔓延途徑進行數值模擬，制定出符合現(xiàn)場實際情況的消防安全措施;最后對制定出的消防安全設計方案進行評估，以確保達到消防安全目標［1］。性能化消防設計的關鍵是根據設計火災場景進行煙氣控制與流動的模擬。筆者根據計算機流體力學(CFD)的基本理論，建立火災場景下氣體流動模型的基本方程，在確定模型邊界條件的基礎上，利用Fluent軟件進行數值模擬。

1 邊界條件

進行中庭類建筑內火災場景下煙氣流動數值模擬時，需考慮煙氣的產生量、防排煙設置、火災場景、模擬邊界條件等因素。

1.1 煙氣產生量

火災煙氣的發(fā)展及蔓延受到許多危險因素的影響，在建筑空間和火災規(guī)模確定的情況下，煙氣生成量主要取決于煙羽流的質量流量。煙羽流的質量流量是由燃燒所需的空氣量、可燃物的質量損失速率及上升時卷吸的空氣量三部分組成的。在可燃物的質量損失速率和燃燒所需的空氣量確定的條件下，煙羽流的質量流量主要取決于煙羽流在煙層高度處的質量流量［2］。文中對火源位于中庭中心處的場景的排煙量進行定量分析，主要研究軸對稱煙羽流，如圖1所示。

圖1 煙羽流圖(軸對稱)Fig.1 Plume flow diagram(axsymmetric)

根據設計規(guī)范NFPA 92B［3］，當煙層高度(h)不小于平均火焰高度(h1)時，對稱煙羽流的質量流量計算方程為

式中:qm——煙羽流的質量流量，kg/s;

Qc——對流熱釋放速率，Qc=0.7Q，kW/m2;

Q——火源熱釋放速率，kW/m2;

h0——虛點火源的高度，除池火外，其他形式

火源h0=0，m。［4］

羽流體積流量計算方程為

式中:qV——煙羽流的體積流量，m3/s;

ρ0——場景中空氣的密度，取1.2 kg/m3;

例如，在學習關注心血管疾病的相關知識時，教師可以將心血管疾病的并發(fā)原因向學生進行說明，當然在生活中有很多的并發(fā)原因都是因為不當的飲食和生活習慣造成的，所以教師有必要針對生物知識進行深入地講解，進而引導學生在日常生活中，培養(yǎng)學生養(yǎng)成正確健康的飲食和生活習慣，避免疾病的發(fā)生。

θ0——環(huán)境溫度，℃;

c——比熱容，取1.01 J/(kg·K)。

1.2 煙氣排煙量

現(xiàn)階段，國內外常用的防排煙系統(tǒng)的排煙方式有自然排煙方式、機械排煙方式、加壓送風方式三種。文中采用機械排煙方式。

根據GB 50045—95《高層民用建筑設計防火規(guī)范》的規(guī)定，如果中庭的體積小于17 000 m3時，排煙量(Q1)按照中庭體積的6次/h換氣計算;如果體積大于17 000 m3時，排煙量按照中庭體積的4次/h換氣計算，排煙量不得低于102 000 m3/h［5］。

1.3 火災場景

根據克勞特的建議，燃料受限的大空間中，熱釋放速率可取225 kW/m2;如果可燃物較多時，熱釋放速率可取500 kW/m2［6］。文中火災荷載可燃物較多，所以熱釋放速率可取500 kW/m2。火災設定為穩(wěn)態(tài)火，火災區(qū)域位于中庭中心部位，火源面積3 m× 3 m，最大放熱量4 500 kW。

根據現(xiàn)場空間的實際情況，設計兩個火災場景。方案一、二的排煙風機均勻設置在中庭的頂部位置;補風口均采取自然補風的方式，文中假設兩個自然補風口位于卷簾處［7］。模擬場景具體方案設計如表1所示，其中，P為風機功率，Q2為風量，n為排煙口數量。

表1 中庭類煙控系統(tǒng)方案Table 1 Scheme of smoke control system of atrium

1.4 模擬邊界條件

數值模擬結果與實際情況是否相似的關鍵在于模擬邊界條件的設定。結合現(xiàn)場實際設置邊界條件，見表2，其中，vp為排煙口速度，vb為補風口速度。

表2 模擬的邊界條件Table 2 Simulation of boundary conditions

2 數值模型及評定標準

2.1 數值模型

利用Fluent軟件中的Gambit進行建模。中庭類大型商業(yè)廣場的內部建筑結構均非常復雜，因此文中將較為復雜的商業(yè)廣場(圖2a)簡化為簡單的立體模型(圖2b)。

圖2 方案模型Fig.2 Physical model of case

2.2 評定標準

我國目前還沒有性能化防火的具體規(guī)范，所以對模擬結果的評估標準尚無確切規(guī)定，筆者結合國外的性能化規(guī)范得出性能判定標準［8］:

(1)空間溫度。大于2 m空間內的煙氣溫度θ≤180℃;小于或等于2 m空間內的煙氣溫度θ≤60℃，能見度大于10 m。

(2)CO含量?；馂陌l(fā)生的最初階段w(CO)≤0.20%;前6 min內w(CO)≤0.15%;前15 min內w(CO)≤0.08%。一般采用w(CO)＜0.15%為判定標準。

(3)煙層沉降高度。三維商業(yè)廣場中庭主要是作為大賣場促銷場所，同時該中庭在二樓兩側扶梯處有休息區(qū)，當火災發(fā)生時，為了防止煙氣層沉降到休息區(qū)內及安全疏散高度以下影響人員疏散，保守地將煙氣層高度設定6 m，即一層高度4 m與二層高度2 m之和。

3 結果分析

3.1 煙氣溫度

方案一和方案二在火災發(fā)生300、900 s時的煙氣層溫度場分布如圖3所示(取中庭中心處截面)。當火災發(fā)生300 s時，方案一和方案二的煙層比較稀薄，沒有出現(xiàn)明顯的煙氣層，6 m處溫度均在23～25℃之間;900 s時，煙氣層高度6 m處，方案一平均溫度為28℃，方案二平均溫度為31℃。兩種方案在6 m處的溫度均小于60℃，符合性能化判定標準。

圖3 溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution

3.2 CO量

方案一和方案二在火災發(fā)生300、900 s時CO含量分布情況如圖4所示(取中庭中心處截面)。

圖4 CO含量的分布Fig.4 CO concentration distribution

當火災發(fā)生300 s時，方案一和方案二產生的CO量接近;900 s時，煙氣層高度6 m處，方案一CO質量分數為0.008 5%，方案二CO質量分數為0.011 5%。兩種方案的CO質量分數均小于0.15%，符合性能化判定標準。

3.3 煙層沉降高度

根據方案一和方案二的溫度、CO含量分布可以得到煙氣層隨時間的沉降情況，如圖5所示。

圖5 煙氣層高度發(fā)展曲線Fig.5 Smoke height development in graph with two scheme

從圖5可以看到，在火災發(fā)生初期(200 s之內)煙氣層高度基本沒有沉降;隨著火災發(fā)生時間的繼續(xù)增長，熱煙氣充滿中庭的上部空間，導致煙氣層高度隨著時間的增加而不斷下降。模擬結束時，方案一和方案二的煙氣層與中庭地面的高度分別為14.0、11.5 m。從模擬的數據來看，在900 s時方案一和方案二的煙氣層高度均符合評定標準。

以上分析表明:方案一和方案二在溫度場、CO含量分布及煙氣層高度三個方面均符合性能化消防設計的判斷標準，方案一和方案二的安全性較為接近，這說明排煙量為170 000和120 000 m3/h的煙控系統(tǒng)排煙效果相差不明顯，也就是說排煙量不可無限制的增大，這樣會造成無謂的經濟投入。

4 結束語

利用Fluent軟件對不同火災場景下的煙氣流動情況進行數值模擬，結果表明，在模擬過程中所設計的防排煙系統(tǒng)情境下，火災溫度、CO含量以及煙氣層沉降高度均符合性能化消防設計標準。根據確切建筑物的空間特點進行消防設計，既達到安全目標又盡可能的經濟，優(yōu)化了中庭類建筑火災煙控系統(tǒng)的設計，對工程設計具有參考價值。但是，實際火災發(fā)生過程千變萬化，其影響因素多種多樣，數學模型只能對實際物理現(xiàn)象進行近似描述。該研究尚存在不足之處，即數學模型中對燃燒過程進行了簡化處理，后續(xù)工作應著眼于如何真實模擬、再現(xiàn)火災場景，進一步完善現(xiàn)有火災煙氣流動模型，為火災模型從學術領域推廣應用于工程設計領域奠定基礎。

［1］霍 然，袁宏永.性能化建筑防火分析與設計［M］.合肥:安徽科學技術出版社，2003:67－71.

［2］RICHARD L P CUSTER，BRIAN J，MEACHAM P H D.SFPE engineering guide to performance-based fire protection analysis and design of buildings［C］.USA:National Fire Protection Association，2000.

［3］胡隆華，霍 然，李元洲.澳大利亞性能化防火設計規(guī)范的結構特點淺析及啟發(fā)［J］.消防科學與技術，2002(3):18－20，25.

［4］NFPA.NFPA 92B Guide for smoke management system in malls，atria and large areas［S］.［S.l.］:National Fire Protection Association，1995.

［5］中華人民共和國公安部.GB 50045—95高層民用建筑設計防火規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

［6］JOHN H K.New developments in atrium smoke management［J］.Ashrae Transactions，2000，106(1):620－626.

［7］韓占中，王 敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2008:198－213.

［8］公安部消防局，公安部天津消防研究所.GA 503—2004建筑消防設施檢測技術規(guī)程［S］.北京:中國計劃出版社，2004.

Numerical simulation of smoke movement in fires on atrium buildings

WANG Dan，WU Qiang，LIU Jiajia
(College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Numerical simulation of smoke movement and control in fires is a key for performancebased fire safety design.In consideration of the output and discharge of smoke，two fire scenes of buildings with atrium are designed and a numerical model is established with the help of Fluent software.The terminal conditions of the model include:ambient temperature is 20℃，the speed of smoke vent is 15.741 m/s and 11.111 m/s respectively，and the speed of wind compensating vent is 1.107 m/s.As a result:when fires have been on for 300 s and 900 s，the temperature field of the two scenes is lower than 60℃ at the height of 6 m，the mass fraction of CO is less than 0.15%;at 900 s，the smoke layer interface height is 14.0 m and 11.5 m respectively.All the three values meet performance standard.This research has practical value for engineering designs of smoke management system in atrium.

atrium buildings;fire smoke;temperature field;CO content;smoke height;numerical simulation

TU972.4

A

1671－0118(2012)02－0207－04

2012－02－24

國家自然科學基金項目(50476033);河南省杰出人才創(chuàng)新基金項目(0421000800)

王 丹(1985－)，女，河南省焦作人，助教，碩士，研究方向:火災防治理論與技術、安全評價，E-mail:wangyiran85@163.com。

(編輯荀海鑫)