桂娟 王健 高軍 張智力 朱鳴 宋天珩

高大空間建筑排煙的鹽水實驗研究

桂娟1王健2高軍1張智力2朱鳴2宋天珩2

1同濟大學機械與能源工程學院
2同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司

根據(jù)相似理論，分析了鹽水模型實驗在高大空間建筑排煙研究的可行性、煙氣運動鹽水模擬實驗方法的相似準則。建立了高大空間建筑排煙鹽水模型實驗臺，以鹽水和清水之間的密度差模擬空氣的溫度差，用鹽水在清水中的運動模擬實際建筑中熱羽流的運動。實驗過程中在鹽水中加入染料，可以清晰地觀察到羽流的發(fā)生和發(fā)展過程，運動規(guī)律以及相互作用。研究了高大空間中鹽源強度、排煙量等因素對排煙效果的影響，準確地預測熱分層高度、溫度分布變化規(guī)律。

高大空間相似理論鹽水實驗羽流熱分層高度

0 引言

中庭排煙的主要任務(wù)有兩個：一是在火災(zāi)時能及時排除煙氣，把人員，建筑物及設(shè)備的損失降到最低限度；二是及時排除辦公層火災(zāi)時涌入中庭的煙氣，防止煙氣層化，減少非著火層工作人員對火災(zāi)的恐懼感，防止由于恐慌而造成不必要損失。中庭火災(zāi)煙氣擴散控制及防排煙技術(shù)是國際上消防研究領(lǐng)域的前沿問題、難點問題。

煙氣擴散及防排煙技術(shù)的研究與應(yīng)用的途徑有全尺寸火災(zāi)實驗、小尺寸模擬實驗和計算機數(shù)值模擬。

鹽水模擬是利用一定濃度的鹽水在清水中的流動來模擬火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的方法，由于過程直觀、可重復性好、花費較低，因此受到重視。1993年，中國科技大學建成國內(nèi)第一個鹽水試驗臺，在受限空間煙羽流準穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和蔓延規(guī)律、頂棚射流和頂棚下分層流發(fā)展過程等方面取得了一系列研究成果，并對中庭類建筑空間煙氣擴散分析進行了嘗試[1～4]。2004年，南華大學的彭小勇[5]采用縮比模型的鹽水實驗?zāi)Ｐ头椒ㄑ芯看罂臻g建筑火災(zāi)中煙氣的流態(tài)：無排煙的煙氣擴散和填充過程，有自然排煙的煙氣擴散過程和有機械排煙的煙氣擴散并采用PIV對有自然排煙的室內(nèi)煙氣擴散和氣流的流場進行了測量，流場PIV的測量結(jié)果很好地反應(yīng)了煙氣擴散以及誘導清水流動的瞬時流態(tài)。2007年，王磊、高軍[6]采用鹽水實驗?zāi)Ｐ头ㄑ芯苛俗匀煌L，研究了風口、熱源及羽流等因素對通風效果的影響，準確地預測熱分層高度、溫度分布和通風量的變化規(guī)律。鹽水實驗是模擬大空間煙氣流動的一種有效方法。2014年上海理工大學的秦俊搭建了鹽水試驗臺，對于大空間下送風中部回風形式的分層空調(diào)，運用鹽水模型實驗對回風口匯流特性進行研究。

縱觀以上鹽水實驗的研究情況，可以看出鹽水實驗具有真實直觀、節(jié)約費用和清潔環(huán)境等優(yōu)點，可以成功地用來研究火災(zāi)煙氣擴散。

在“上海市科委立項項目（09dz1207704）《上海中心大廈綠色超高層建筑關(guān)鍵技術(shù)研究》的子課題——封閉式中庭消防安全技術(shù)研究”的帶動下，展開對封閉式中庭排煙技術(shù)的鹽水實驗研究。

1 實驗理論方法介紹

煙氣和鹽水運動的控制方程如表1。

表1 熱煙氣與鹽水流動控制方程

經(jīng)過無因次化處理，建筑中庭煙氣擴散對流流動的控制方程（不可壓縮）為：

而鹽水密度差對流運動的控制方程為（不可壓縮）：

式中：ki=(0,1,0)各準則數(shù)的定義如下：

顯然，煙氣中的能量傳遞和清水中鹽濃度傳遞過程是可以類比的。因為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及Θ和C守恒方形式分別相同，如果鹽水濃度差與空氣溫度差運動準則數(shù)Re、Fr、Pr（Sc）數(shù)滿足一定的準則關(guān)系，則兩個運動方程組（1）和（2）是可以相似的。兩種運動相似的相似準則數(shù)是Re，F(xiàn)r，G和Pr=Sc。具體對比見表2。

表2 兩種運動的相似準則數(shù)

2 實驗臺簡介

圖1為實驗系統(tǒng)原理圖。1號模型建筑即為上海中心3區(qū)模型（該模型上下底面為月牙形狀，內(nèi)弧長為1.5m，外弧長為1.815m，高為1.2m），用有機玻璃制成。模型上頂面有機械補水口、鹽源口和四個電導率測試孔，下底面有機械排水口。2號是清水箱（2m×1m× 1.8m），用來模擬建筑周圍的自然環(huán)境，為保持實驗時水面高度穩(wěn)定，清水箱設(shè)有溢流管。3號鹽水箱設(shè)在較高處以確保足夠的作用壓頭，同時用水泵不斷地從4號鹽水儲箱中抽水，3號水箱設(shè)有溢流管，將多余的鹽水送回4號水箱，使3號水箱中液面高度恒定，從而保證了穩(wěn)定的作用壓力。5號為高位清水箱，用來模擬機械補水，設(shè)在較高處以確保足夠的作用壓頭，同時用水泵不斷地從6號清水儲箱中抽水，5號水箱設(shè)有溢流管。6號清水儲箱同時往2號清水箱里補水，使2號清水箱液面穩(wěn)定并稀釋和置換2號水箱中少量的鹽溶液。7號為排水箱，水泵8把模型1中的水排到7中。

圖1 鹽水模型實驗臺示意圖

鹽源口的設(shè)計采用了Hunt和Kaye[7]提出的方法。鹽溶液流過一個狹窄的開口（直徑25mm），然后流經(jīng)較大的方形空腔，經(jīng)過一層致密的網(wǎng)后從管口流出。這樣做不僅補償了虛擬源的位置還可以減小鹽水的初始動量。

在測試過程中，采用電導率儀來測得溶液電導率，溶液電導率反映了，溶液中鹽濃度的大小。實驗開始前，將鹽水電導率和鹽水密度進行標定，用密度計測定不同濃度鹽溶液的密度值，再用電導率儀測得溶液的電導率，得出電導率和鹽水密度之問的相互對應(yīng)關(guān)系（圖2）。

圖2 鹽水密度和電導率對應(yīng)關(guān)系曲線

根據(jù)實驗時測得的87組鹽水密度和電導率數(shù)據(jù)，采用多項式擬合得到電導率與密度的關(guān)系式為：

式中：Ec為鹽水的電導率值。

本文中1MW和2.1MW的火災(zāi)鹽水實驗配置的密度為1350kg/m3鹽水溶液經(jīng)清水稀釋，密度在1200 kg/m3以下，因此，測得的電導率密度是一一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。

圖3為建筑模型圖。

圖3 建筑模型

3 實驗結(jié)果與分析

本實驗研究了三方面的內(nèi)容：鹽源強度對熱分層的影響；1MW火災(zāi)煙氣填充滿整個中庭時間的鹽水實驗驗證；不同方法確定的排煙量對穩(wěn)態(tài)熱分層的影響。

表3為根據(jù)常見的排煙量計算方法計算得到的上海中心3區(qū)中庭排煙量。

表3 上海中心3 區(qū)中庭排煙量

3.1鹽源強度對熱分層的影響

圖4為不同鹽源強度下模型建筑內(nèi)密度分布。

圖4 不同鹽源強度下模型建筑內(nèi)密度分布

1.0MW鹽水實驗和2.0MW鹽水實驗按CFD法確定排煙量時：鹽源溶液密度都是ρ= 1350kg/m3，1.0MW鹽水實驗的鹽源流量為Q0= 1.09m3/h，2.1MW鹽水實驗的鹽源流量為Q0= 2.29m3/h，兩種鹽源強度實驗的機械排水量都是Q排= 12.45m3/h，機械補水都是Q補=6.225m3/h，剩余的補風來自3區(qū)中的豎井空間，豎井空間補水為Q補=5.14 m3/h在鹽水實驗中剩余的補水來自大清水箱。從圖中可以看出，二者熱分層高度h/H相差不大，h/H都在0.20～0.24之間，在誤差允許的范圍內(nèi)可以看作不變。

1.0 MW鹽水實驗和2.0MW鹽水實驗按上海市規(guī)確定排煙量時：鹽源溶液密度都是ρ= 1350kg/m3，1.0MW鹽水實驗的鹽源流量為Q0= 1.09m3/h，2.1MW鹽水實驗的鹽源流量為Q0=2.29m3/h，兩種鹽源強度實驗的機械排水量都是Q排= 15.533m3/h，豎井空間補水為Q補=5.14m3/h，剩余的全部為機械補水?？梢钥闯龆叩膆/H都在0.25～0.29之間。

通過比較1.0MW鹽水實驗和2.0MW鹽水實驗的熱分層高度可以看出：在排水量和補水量一樣的情況下，熱分層高度與火災(zāi)規(guī)模無關(guān)，只與排水量和補水量有關(guān)。

3.2上海中心大廈3區(qū)中庭排煙鹽水實驗驗證

根據(jù)上海中心3區(qū)中庭的實際情況算出采用1MW的火災(zāi)規(guī)模。由前面計算可以得到1MW火災(zāi)在氯化鈣溶液密度為1350m3/h時對應(yīng)的鹽溶液體積流量為Q0=1.09m3/h。用鹽水實驗驗證1MW火災(zāi)在不開啟補水水泵和排水水泵情況下染色鹽水填充滿整個建筑模型的時間，待觀察一段時間已經(jīng)完全填充滿時，在開啟排水水泵和補水水泵，驗證在開啟排煙系統(tǒng)情況下，染色鹽水層分層的位置到達穩(wěn)態(tài)熱分層時需要多長時間。

實驗的全過程用相機拍攝為視頻，從視頻中可以看出染色鹽水填充滿真?zhèn)€模型的時間為ts=90～100s，開啟排水泵和補水泵染色鹽水層達到穩(wěn)態(tài)熱分層的時間為ts=70～80s。

從上面得出的煙氣填滿上海中心3區(qū)中庭的時間為10.6～11.8min，可以看出高大中庭有很好的儲煙作用，火災(zāi)發(fā)生時即使排煙系統(tǒng)和補風系統(tǒng)失效，由于中庭的儲煙作用，有一定的時間可供人員逃生。當煙氣填充滿整個中庭再開啟排煙風機和補風風機時需要8.25～9.43min使煙氣達到穩(wěn)態(tài)熱分層的位置。

3.3不同排煙量對熱分層的影響

圖5是不同排煙量下模型建筑內(nèi)的密度分布。該實驗是1.0MW的鹽水實驗，鹽源溶液密度是ρ= 1350kg/m3，鹽源流量為Q0=1.09m3/h。

圖5 不同排煙量下模型建筑內(nèi)的密度分布

通過實驗結(jié)果可以看出：采用《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》確定排煙量時最終的熱分層高度h/H在0.15～0.19左右，采用上海市《建筑防排煙規(guī)程》中的“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”確定排煙量時最終的熱分層高度h/H在0.25～0.29左右，采用CFD火災(zāi)場景模擬分析即現(xiàn)有設(shè)計確定上海中心3區(qū)中庭排煙量時最終的熱分層高度h/H在0.20～0.24之間。

本實驗的建筑模型高為1.2m，比例尺為1:50，上海中心3區(qū)中庭的高度為60m，所以可以算出《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》確定排煙量時最終的熱分層高度在9～11.4m之間左右，采用上海市《建筑防排煙規(guī)程》中的“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”確定排煙量時最終的熱分層高度在15～17.4m之間，采用CFD火災(zāi)場景模擬分析即現(xiàn)有設(shè)計確定上海中心3區(qū)中庭排煙量時最終的熱分層高度在12～14.4m左右。

上海市《建筑防排煙規(guī)程》中的“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”是工程上的經(jīng)驗公式，重點考慮火災(zāi)規(guī)模（MW）和清晰高度（m）兩個參數(shù)，并不能夠體現(xiàn)建筑的空間形狀和面積幾何尺寸，其排煙量的計算結(jié)果需要與其它計算方法比較使用。與“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”相比，換氣次數(shù)法通過體量間接考慮建筑的幾何尺寸，但又缺少對火災(zāi)規(guī)模的考慮，同樣具有缺點。

中庭火災(zāi)時煙氣的蔓延與排煙效果與氣流組織、建筑的形狀、火災(zāi)的位置等密切相關(guān)。換氣次數(shù)法和“火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法”在計算排煙量的時候都表現(xiàn)出先天的不足，在不同的項目中主要的欠缺考慮點也不盡相同。因此，有必要運用計算流體力學CFD軟件對煙氣控制進行模擬，以驗證和優(yōu)化所設(shè)計的排煙率，最終確定排煙策略。

因此也可以說，CFD火災(zāi)場景模擬分析也是確定中庭排煙率的第三個方法，該方法考慮的因素更多，因此相對于前面所提及的兩個基本計算方法更為科學合理。

4 結(jié)論

1）在相同的機械排水量（對應(yīng)機械排煙量）、相同的機械補水量（對應(yīng)機械補風量）下，1MW和2.1MW的鹽水實驗證明熱分層高度不變，說明鹽源強度對熱分層高度影響不大。

2）1MW火災(zāi)煙氣填滿上海中心3區(qū)中庭的時間為10.6～11.8min可以看出高大中庭有很好的儲煙作用，火災(zāi)發(fā)生時即使排煙系統(tǒng)和補風系統(tǒng)失效，由于中庭的儲煙作用，有一定的時間可供人員逃生。

3）CFD火災(zāi)場景模擬分析也是確定中庭排煙率的第三個方法，該方法考慮的因素更多，相對高規(guī)排煙量計算和上海市規(guī)中的排煙量計算這兩種基本計算方法更為科學合理。

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Ana lys is of the Sm oke Move m e nt on La rge Spa c e s Us ing Sa lt-Ba th Sc a le d Mode l

GUI Juan1,WANG Jian2,GAO Jun1,ZHANG Zhi-Li2,ZHU Ming2,SONG Tian-heng2
1 Department of Power Engineering,Tongji University
2 Architectural Design&Research Institute of Tongji University

According to the similarity theory between the brine and the plume,the feasibility,similarity criteria on large spaces using salt-bath scaled model were analyzed.Experimental study was performed in a salt-bath model.The ration between model and prototype was discussed based on similarity theory.Temperature difference in the prototype building was modeled by density difference of brine and fresh water in the scaled model.The height of the interface could be seen clearly and the density profile which simulates the temperature profile in the prototype building could be measured using conduct meter in the model.The movement and interacting of the plume could be observed by adding pigment into the brine.The effect of heat source could also be studied using the salt-bath model.

large spaces,similarity theory,salt-bath experiment,plume,height of the interface

1003-0344（2014）06-011-5

2013-10-18

王?。?958～），男，教授級高工；同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司（200092）；E-mail:wangjian@tjadri.com

上海市科委立項項目（09dz1207704）