陳 霄，謝 妉

(沈陽航空航天大學安全工程學院，沈陽110136)

伴隨著我國經(jīng)濟和相關技術的不斷發(fā)展，中庭正以其莊重美觀、視野開闊、環(huán)境舒適等特點被越來越多地引入到商業(yè)、展覽、辦公等大型公共建筑內(nèi)。與此同時，中庭的貫通性也給消防安全設計帶來了挑戰(zhàn)。統(tǒng)計結果表明，火災中80%以上死亡者死于煙氣的影響。而中庭內(nèi)通常無法按照常規(guī)方法劃分防火分區(qū)，易導致煙氣迅速擴散，使人員遭受高溫濃煙威脅，極易引起恐慌和擁擠、踩踏現(xiàn)象，影響人員安全疏散。因此，中庭的排煙設計是中庭類公共建筑消防系統(tǒng)設計的重要組成部分［1，2］。

中庭通常采用的排煙方式有機械排煙和自然排煙。以往中庭通常采用機械排煙方式，并已有人做過相應研究［3－7］。機械排煙初期投資高，而且火災猛烈發(fā)展階段排煙效果會降低，另外，如今越來越多的中庭由于考慮到美觀和采光的要求而采用玻璃頂棚，造成機械排煙設備安裝不便。而自然排煙不僅結構簡單，而且無動力設備和投資少，因此越來越受到青睞，例如北京大劇院、國家會議中心均采用了自然排煙方式。

影響自然排煙的因素很多，其中建筑外部環(huán)境風(簡稱為“外界風”)是不可忽略的重要因素，而在工程實踐中，往往將出口邊界條件簡化處理為自由邊界條件，忽略了外界風對于排煙效果的影響，顯然是不盡合理的，需要分析外界風對于自然排煙的影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，分析了固定風向、不同風速的外界風條件對中庭建筑自然排煙效果的影響，為中庭建筑自然排煙設計提供一定參考。

1 模型參數(shù)設置

1.1 基本參數(shù)設置

本文采用火災動力學軟件FDS對中庭建筑進行煙氣模擬分析。中庭尺寸為40m長(x方向)、24m 寬(y方向)、28m 高(z方向)，模擬設定邊界為60m×60m×54m。計算區(qū)域網(wǎng)格劃分為0.5m ×0.5m ×0.5m，總模擬時間為 600s?；鹪次挥谥型ブ醒耄娣e為1m2。根據(jù)美國NFPA 92B中的建議，未限制可燃物的中庭最小火災熱釋放速率為5000kW?；馂脑鲩L曲線選用快速t2火，火災增長期時間為t=327s。

1.2 排煙補風參數(shù)

排煙量計算采用產(chǎn)煙量法［8］，經(jīng)計算后確定排煙口總面積為12.96m2，個數(shù)為9個，尺寸為1.2m×1.2m，采取3行3列，頂棚居中布置。在中庭底部南北兩側分別設置尺寸為3.6m×1.8m的自然補風口，240s時排煙口和補風口開啟。采取外界自然補風方案，主要分為無風、均勻風、梯度風三種狀態(tài)，僅在風向與底部開口垂直的情況下，分析外界風對于中庭內(nèi)部煙氣流動分布規(guī)律的影響。

實際中，風速通常都是不穩(wěn)定的外界因素，風速隨高度的變化而變化。根據(jù)空氣運動的角度分析，高度在0～100m的區(qū)域內(nèi)空氣流動受渦流、黏性和地面植物以及建筑物等的影響，風向基本不變，但風速大小會隨著高度的增加而增大。而這一變化主要取決于地面粗糙度。

式中:υ—高度為h處的風速(m/s);

υ0—基準高度處的風速(m/s);

h0—基準高度，取10m;

p—粗糙度，取 0.4［9］。

不同地面情況的地面粗糙度如表1所示［10］。

本文所研究對象的高度遠低于100m，因此處于風速隨高度增大而增大的區(qū)域。假設研究對象位于城市，且周圍有高層建筑，粗糙程度設定為0.4。

表2給出了風速取值的一般范圍。由于二級風可以被人感覺到，三級風可以觀察到旌旗展開，風速已經(jīng)相當大。因此，以二級風速1.6m/s～3.3m/s、三級風速3.4m/s～5.4m/s為參考標準，分別取風速為2m/s、5m/s，制定模擬方案如表3所示。

表1 不同地面粗糙度匯總表

表2 風速等級表

表3 不同風速情況匯總表

1.3 測點布置

沿x方向距離火源10m處布置兩組熱電偶，最低點坐標為(10，12，1)最高點坐標為(10，12，27)，垂直間距為1m，共計54個熱電偶。并設置了經(jīng)過火源的溫度、可見度等縱切面，同時設置了排煙口附近的壓力和流量切面等，測點布置如圖1所示。

圖1 模型及排煙口布置示意圖

2 模擬結果分析

2.1 不同外界風對于火焰傾斜程度的影響

圖2為t=480s時，不同風速條件下x=20m切面上的煙羽流形狀。從上圖可以看出，場景1中，初始風速為0m/s即無外界風的情況下，在排煙口和補風口開啟后，煙羽流基本豎直向上蔓延到達頂棚，一部分由排煙口排至室外，一部分沿兩側墻壁逐漸下降，并卷吸空氣使得煙層厚度逐漸增加，但保持對稱平穩(wěn)下降的趨勢。

場景2—場景5中，排煙口和補風口開啟后，單側外界風造成火羽流發(fā)生不同程度的傾斜，風速越大，發(fā)生的傾斜角度越大。針對于均勻風來看，場景2中，羽流傾斜角度在20～30°左右，場景3中，羽流傾斜角度在70～80°左右，并且火羽流幾乎被吹倒，貼近地面，煙羽流半徑被拉長了3m左右。針對于梯度風來看，在火災初期，火羽流從連續(xù)火焰處便開始發(fā)生傾斜。場景4中，火羽流傾斜較小角度;場景5中，火羽流傾斜角度很大。

橫向比較發(fā)現(xiàn)，同一時刻，均勻風造成的煙羽流傾斜角度比梯度風稍大，原因可能是均勻風在補風口附近的風速比梯度風大，對煙羽流的擾動較大。模擬中還發(fā)現(xiàn)，場景3和場景5中，中庭上方的煙羽流因風速過大而呈現(xiàn)不規(guī)則的跳動。

圖2 不同風速條件下煙羽流形狀

2.2 不同外界風對于排煙口附近壓力的影響

從X=20m處的壓力切面來看，在燃燒后期，由于風速條件不同，造成室內(nèi)壓力分布有所不同。場景1中，即在無風條件下，室內(nèi)壓力分布隨高度增加而增加，到頂棚附近壓力最大，并且同一高度壓力基本相同。場景2和場景4中，即外界風速為2m/s時，壓力隨高度增加而增加，與無風狀態(tài)下相差不大，不同的是，背風面靠近頂棚處壓力稍大于相同高度處周圍其他位置;而背風面在中庭1/2高度處附近壓力稍小于相同高度周圍其他位置。另外，梯度風與均勻風相比，梯度風在補風口附近形成負壓漩渦，對補風造成影響。場景3和場景5中，即外界風為5m/s時，室內(nèi)壓力仍隨高度增加而增加，與場景1、場景2和場景4相比，同一高度處壓力較大。即風速越大，同一時刻同一高度處的壓力越小。橫向比較發(fā)現(xiàn)，梯度風條件下的頂棚壓力小于均勻風條件，但在補風口附近同樣形成負壓漩渦。

2.3 不同外界風對于煙氣溫度的影響

從圖2可看出，無風狀態(tài)下，火源附近最大溫度低于有風狀態(tài)，火災和初期，火源附近最大溫度的變化不大，主要變化發(fā)生在火災中后期，隨著風速的增加，火源附近的溫度明顯下降。

圖3 X=20m切面處，不同風速條件下壓力分布圖

圖4 不同時刻、不同外界風、不同高度處的測點溫度分布比較

從測點溫度測點值來看，燃燒的初始階段(60s內(nèi))，由于補風口排煙口均未開啟，不同場景測點溫度基本保持不變。補風口開啟后，風速對于不同高度處的溫度變化有了明顯的影響。

某高度以下，風速越大，測點溫度值越高;某高度以上，風速越大測點溫度值越低。即溫度大小隨高度變化的變化率隨風速增加而減小。例如，420s時，高度為4m處，場景1、場景2、場景3對應的溫度分別為 20.19°、26.65°、27.39°;而高度為20m處，三個場景對應的溫度分別為38.49°、37.00°、33.80°。場景 4 和場景 5 中，不同梯度風速之間存在相似規(guī)律。說明在高度較低的位置，外界風助長了火勢，同時使得卷入煙氣中的空氣量增加，造成較高位置的煙氣溫度有所下降。

場景2與場景4、場景3與場景5對比發(fā)現(xiàn)，在高度較低處，場景4同一高度測點溫度高于場景2，同理，場景5測點溫度高于場景3。在高度大于某一值時，場景4和場景5的測點溫度分別略小于場景2和場景3。

540s時，場景3和場景5的測定溫度值相差不大，說明不同形式的風主要影響較低位置的煙氣溫度分布，對于較高位置的煙氣溫度分布影響不太大。

2.4 不同外界風對于煙氣高度的影響

圖5為根據(jù)N—百分比法［11］計算得到的不同補風速度下煙氣層高度隨時間的變化。從圖中可以看出，隨著燃燒的進行，煙氣層高度逐漸下降，無風的情況下，300s以后，煙氣層下降緩慢，有外界風存在時，煙氣層下降速度加快，且風速越大，煙氣層下降的越快。風速較大的梯度風(場景5)對于煙氣層的擾動較大。

圖5 不同場景中煙氣層高度隨時間的變化

2.5 不同外界風對于排煙口處煙氣流量的影響

在無風及風速較低的情況下，觀察各排煙口流量發(fā)現(xiàn):位于墻角處的排煙口流量較大，排煙口編號為fp303、fp103、fp1和fp3;位于墻邊處的排煙口流量適中，排煙口編號為fp302、fp102、fp2和fp203;位于火源上方的排煙口流量較小，排煙口編號為fp202，且三種類型的排煙口流量區(qū)分較明顯。較大風速的梯度風(場景5)對于迎風側排煙口流量的擾動很大。

圖6 排煙口流量隨時間變化的對比

從9個排煙口總流量來看，2m/s均勻風對排煙口總流量基本沒有影響，2m/s梯度風使得排煙口總流量略有增加，而5m/s的外界風造成排煙口總流量下降。原因是風速大，使得煙氣溫度降低，上升的熱浮力減小，風壓造成排煙口附近產(chǎn)生負壓，但是綜合產(chǎn)生的壓力差小于無風情況下的壓差，由于自然排煙主要靠熱浮力和室外風壓為動力，所以排煙口流量減少。

從單個排煙口的最大流量來分析，排煙口最大流量隨著風速的增加而降低。以排煙流量最大排煙口(fp303)為例，無風及輕風條件(場景1、場景2和場景4)下，最大排煙流量為8m3/s以上，微風條件(場景3)下，最大排煙流量為6m3/s～7m3/s。

2m/s的風速使背風側邊墻排煙口(fp302)流量隨時間的變化率增大，且梯度風的變化率更大;5m/s的風速使背風側邊墻排煙口(fp302)流量隨時間的變化率減小，且梯度風的變化率改變更大。2m/s的風速使迎風側排煙口(fp102)流量隨時間的變化率稍大于無風的情況，而5m/s的風速使其流量相對于時間的變化率減小，5m/s梯度風使得該排煙口在400s后流量隨時間減小。

2.6 排煙的情況

通過觀察發(fā)現(xiàn)，在5種場景條件下，高度為2m的平面上，除背風側補風口附近外，其余區(qū)域在600s內(nèi)能見度均高于10m，溫度均高于60℃。

3 結論

通過模擬和分析，得出以下初步結論:

(1)從補風對于火焰傾斜度的影響來看，單側外界風均會造成火羽流發(fā)生不同程度的傾斜。風速越大，發(fā)生的傾斜角度越大;同一時刻，均勻風造成的煙羽流傾斜角度比梯度風稍大。

(2)在無風條件下，室內(nèi)壓力分布隨高度增加而增加，并且同一高度壓力基本相同;風速越大，同一時刻相同高度處的壓力越小;梯度風條件下的頂棚壓力小于均勻風條件，并在補風口附近形成負壓漩渦。

(3)從補風對于溫度的影響來看，風速越大，火源附近的溫度明顯下降。中庭煙氣溫度大小相對于高度的變化率隨風速增加而減小。不同形式的風主要影響較低位置的煙氣溫度分布，梯度風條件下測點溫度高于均勻風的情況。

(4)外界風使得煙氣層下降速度加快，且風速越大，煙氣層下降得越快。

(5)外界風對排煙口流量的影響，從單個排煙口的最大流量來分析，排煙口最大流量隨著風速的增加而降低。從全部排煙口總流量來看，2m/s均勻風對排煙口總流量基本沒有影響，2m/s梯度風使得排煙口總流量略有增加，而5m/s的外界風造成排煙口總流量下降。從排煙口位置來分析，5m/s梯度風使得迎風側排煙口流量明顯降低，風速越大對煙氣的擾動越劇烈。

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