茅靳豐鄧忠凱毛維周進(jìn)邢哲理余南田

1解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院 2總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院 3軍委后勤保障部建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

0 引言

防護(hù)工程是一種相對(duì)封閉的地下空間，遇襲、工程內(nèi)部線路老化或人員偶然因素都可能引起火災(zāi)。統(tǒng)計(jì)表明，高溫?zé)煔馐腔馂?zāi)中最致命的因素，特別是地下火災(zāi)，燃燒不完全將釋放出更多的有毒氣體[1-2]。現(xiàn)如今，對(duì)通風(fēng)條件差的相對(duì)封閉空間煙氣消除技術(shù)主要有：機(jī)械排煙[3-5]、靜電消煙[6-8]、水幕消煙[9-10]和多種防排煙措施聯(lián)合運(yùn)行等。但防護(hù)工程由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及偽裝要求不可對(duì)外設(shè)置排煙口；而靜電消煙不能消除有毒氣體和降低火場(chǎng)溫度，且在火場(chǎng)用高壓進(jìn)行靜電消煙，會(huì)對(duì)消防和被困人員的生命造成威脅；其次，消防水幕耗水量大，工程排水困難，水漬污染嚴(yán)重，故水幕消煙在防護(hù)工程中也不適用。因此，針對(duì)防護(hù)工程特點(diǎn)，若能研發(fā)一種消煙系統(tǒng)將火災(zāi)煙氣在工程內(nèi)部消除，將有利于保障工程內(nèi)部人員安全，提升工程防護(hù)能力。

基于以上考慮，課題組[]提出用水簾柜對(duì)地下工程相對(duì)封閉空間火災(zāi)煙氣進(jìn)行消除凈化。在前期研究的基礎(chǔ)上，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件Fire Dynamics Simulator（FDS）模擬火場(chǎng)溫度和能見(jiàn)度變化情況，綜合考慮高溫?zé)煔鈱?duì)人員安全逃生的影響，確定水簾柜消煙系統(tǒng)在防護(hù)工程中的應(yīng)用策略。

1 數(shù)理模型

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用FDS對(duì)火災(zāi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了大量的驗(yàn)證和研究，尤其是地下工程火災(zāi)煙氣的消除[12-14]。FDS對(duì)于熱驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的Navier-Stokes方程進(jìn)行了數(shù)值求解，它包括DNS模型和LES模型[15]，本研究選擇廣泛應(yīng)用于火災(zāi)煙氣流動(dòng)行為研究的LES模型。

1.1 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)濾波函數(shù)對(duì)動(dòng)量和能量方程進(jìn)行處理，得到負(fù)責(zé)大尺度運(yùn)動(dòng)的紊流渦旋，進(jìn)而得出大尺度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量和能量傳遞方程[15]。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量守恒方程：

湍流粘度通過(guò)假設(shè)小尺度運(yùn)動(dòng)的能量產(chǎn)生和耗散相平衡得出。對(duì)于亞網(wǎng)格尺度的耗散過(guò)程采用Smgaorinsky亞格子尺度模型進(jìn)行模擬，Smgaorinsky亞格子模型對(duì)湍流粘性的考慮為：

式中：Δ=(δxδyδz)1/3；Cs為 Smgaorinsky 常數(shù)，其值與流動(dòng)有關(guān)，建議取值0.1～0.25。

1.2 物理模型

防護(hù)工程處于隔絕通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，將防火分區(qū)封閉，避免火災(zāi)煙氣在工程內(nèi)部大面積蔓延，內(nèi)部人員向避難室疏散。本文為簡(jiǎn)化煙氣凈化過(guò)程，將水簾柜消煙系統(tǒng)簡(jiǎn)化成多個(gè)消煙口和一個(gè)出風(fēng)口，消煙口沿走廊均勻布置。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣通過(guò)管道送入消煙室進(jìn)行處理，凈化后的氣體經(jīng)出風(fēng)口排到工程內(nèi)。

以某防護(hù)工程的防火分區(qū)為研究對(duì)象，如圖1所示。該防火分區(qū)共500 m2，走廊長(zhǎng)50 m，寬2 m，高3 m，沿走廊兩側(cè)分布功能不同的辦公房間，各房間門開啟，避難室靠近走廊端部?；鹪次挥诳拷呃戎胁康姆块g，選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)火——庚烷火[16]，模型為快速增長(zhǎng)t2火模型，最大熱釋放速率為6 MW[17]。設(shè)置水簾柜啟動(dòng)時(shí)間為火災(zāi)發(fā)生后60 s，本文中不考慮消煙口和出風(fēng)口大小對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響，假設(shè)其尺寸均為0.5 m×0.5 m。

圖1 水簾柜消煙系統(tǒng)示意圖

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

在消煙凈化過(guò)程中，煙氣層應(yīng)始終保持在一定高度，保證人員不會(huì)從煙氣中穿過(guò)或受到熱輻射威脅。取人眼特征高度處的煙氣特征參數(shù)為研究對(duì)象，沿走廊每隔5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)走廊中間溫度分布云圖。

2 模擬結(jié)果

目前國(guó)際公認(rèn)的火災(zāi)中人員安全疏散判據(jù)是：火災(zāi)發(fā)展到致使環(huán)境條件達(dá)到人體耐受極限的時(shí)間（Available Safe Egress Time,ASET）必須大于火災(zāi)發(fā)生后人員疏散到安全地點(diǎn)所用的時(shí)間（Required Safe Egress Time,RSET），即：ASET>RSET[18]。環(huán)境耐受極限是指火災(zāi)時(shí)煙氣特征參數(shù)（能見(jiàn)度和溫度）不超過(guò)人員安全逃生閾值。根據(jù)前人研究[19,20]，對(duì)建筑熟悉的疏散者在安全疏散時(shí)所需的能見(jiàn)度為4 m；火場(chǎng)中呼吸過(guò)熱的空氣會(huì)導(dǎo)致熱沖擊和呼吸道灼傷，一般認(rèn)為可吸入空氣溫度不高于60℃才是安全的。

考慮消煙風(fēng)量Q和消煙口個(gè)數(shù)N對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響，并以RSET時(shí)間內(nèi)走廊人眼特征高度處的煙氣特征參數(shù)為依據(jù)判斷消煙凈化效率，確定最佳設(shè)計(jì)風(fēng)量和消煙口個(gè)數(shù)。

2.1 消煙風(fēng)量對(duì)溫度能見(jiàn)度影響

對(duì)于上述防火分區(qū)，考慮沿走廊均勻布置三個(gè)消煙口（位置為12.5 m，25 m和37.5 m），消煙風(fēng)量Q分別為 10800 m3/h、12900 m3/h、15000 m3/h、17400 m3/h 和21600 m3/h時(shí)對(duì)走廊中間煙氣特征參數(shù)的影響。

2.1.1 煙氣特征參數(shù)影響

圖2給出了RSET時(shí)間內(nèi)不同消煙風(fēng)量下走廊中間的溫度分布云圖，黑色線為T=60℃溫度安全閾值線。從圖中可知，不同消煙風(fēng)量下，沿走廊溫度分布呈明顯的熱分層。對(duì)比分析不同風(fēng)量時(shí)溫度安全閾值線高度，可以發(fā)現(xiàn)消煙風(fēng)量越大，安全閾值線高度越高，主要因?yàn)橄麩燂L(fēng)量越大，經(jīng)水簾柜凈化的煙氣量越大，對(duì)煙氣沉降具有更好的控制效果，故煙氣層厚度越薄，走廊平均溫度越低。圖2（a）給出了無(wú)消煙措施情況下走廊煙氣自然填充時(shí)的溫度云圖，對(duì)比分析有水簾柜消煙凈化時(shí)的溫度云圖可知：水簾柜消煙時(shí)的煙氣層沉降速度均慢于無(wú)消煙措施時(shí)煙氣沉降速度。由圖 2（f）可知，當(dāng)消煙風(fēng)量過(guò)大（Q=21600 m3/h）時(shí)，靠近消煙室走廊溫度較低，主要由于水簾柜出風(fēng)口風(fēng)速較大，消煙室與消煙口1距離較近，經(jīng)水簾柜處理后排出的冷卻空氣出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象；而消煙風(fēng)速較大也導(dǎo)致走廊右側(cè)消煙口3處發(fā)生煙氣層吸穿現(xiàn)象。

圖3給出了不同工況下RSET時(shí)間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度沿走廊變化曲線。由圖可知，靠近著火房間走廊溫度最高，從著火房間向走廊兩側(cè)溫度逐漸降低，著火房間左側(cè)走廊溫降大于右側(cè)，主要由于消煙口消煙和出風(fēng)口空氣冷卻的共同作用；右側(cè)走廊溫度較高是因?yàn)樽呃茸髠?cè)水簾柜出風(fēng)口空氣排出加速了頂棚煙氣射流向走廊右端的擴(kuò)散速率，同時(shí)誘導(dǎo)從著火房間溢出的高溫?zé)煔饬飨蜃呃扔覀?cè)，導(dǎo)致該側(cè)煙氣層厚度增加，溫度升高。對(duì)比分析走廊各測(cè)點(diǎn)溫度與安全閾值溫度可知，當(dāng)消煙風(fēng)量Q不小于17400 m3/h時(shí)，走廊溫度滿足人員安全逃生要求。

圖2 走廊煙氣溫度分布云圖

圖3 各測(cè)點(diǎn)溫度沿走廊變化曲線

圖4給出了不同工況下RSET時(shí)間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度沿走廊變化曲線。由圖可知，無(wú)消煙措施時(shí)走廊各處能見(jiàn)度較差，不能滿足人員安全逃生要求。當(dāng)消煙風(fēng)量較小時(shí)（Q=10800 m3/h），走廊各處能見(jiàn)度較低，且在著火房間右側(cè)能見(jiàn)度接近安全閾值，人員疏散存在危險(xiǎn)性，而當(dāng)風(fēng)量Q不小于17400 m3/h，在走廊各處能見(jiàn)度滿足人員疏散要求。走廊左側(cè)消煙口1附近能見(jiàn)度較低，主要由于出風(fēng)口空氣和煙氣射流前鋒在此處相遇，而出風(fēng)口風(fēng)速較大，射流前鋒煙氣回流，且煙氣在回流過(guò)程中卷吸大量的冷空氣同時(shí)與周圍壁面換熱導(dǎo)致溫度降低，煙氣層下降，故能見(jiàn)度降低。當(dāng)消煙風(fēng)量Q=21600 m3/h時(shí)，消煙口消煙風(fēng)速較大發(fā)生煙氣層吸穿現(xiàn)象，故著火房間右側(cè)走廊能見(jiàn)度大于左側(cè)。

圖4 各測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度沿走廊變化曲線

2.2 消煙口個(gè)數(shù)對(duì)溫度能見(jiàn)度影響

圖5給出了消煙風(fēng)量為Q=17400 m3/h，消煙口個(gè)數(shù)N=2、3和4時(shí)走廊中間溫度云圖。由圖可知，當(dāng)消煙口個(gè)數(shù)N=3時(shí)，走廊溫度安全閾值線高度最高，即水簾柜消煙凈化效果最好。當(dāng)N=4時(shí)，走廊煙氣層溫度比N=2時(shí)高，主要由于消煙口風(fēng)速較小，消煙效率較低導(dǎo)致。當(dāng)N=2時(shí)，消煙口風(fēng)速較大，左側(cè)和右側(cè)消煙口均發(fā)生煙氣層吸穿現(xiàn)象，消煙效率低，水簾柜處理煙氣量少，故消煙效果差。

圖5 走廊煙氣溫分布度云圖

圖6 各測(cè)點(diǎn)溫度沿走廊變化曲線

圖6給出了不同消煙口個(gè)數(shù)情況下RSET時(shí)間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度沿走廊變化曲線。由圖可知，當(dāng)N=3時(shí)走廊各測(cè)點(diǎn)溫度最低，除靠近著火房間測(cè)點(diǎn)外，其余各測(cè)點(diǎn)均低于溫度安全閾值，消煙效果好，有利于人員逃生。當(dāng)N=4時(shí)，走廊左側(cè)溫度低于N=2，但右側(cè)溫度高于N=2，且右側(cè)部分測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)或接近溫度安全閾值，消煙效果差，不利于人員安全逃生。

圖7給出了不同消煙口個(gè)數(shù)情況下RSET時(shí)間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度沿走廊變化曲線。由圖可知，當(dāng)N=2時(shí)，走廊平均能見(jiàn)度最差；出風(fēng)口空氣補(bǔ)風(fēng)對(duì)N=3時(shí)走廊能見(jiàn)度影響最大，此時(shí)走廊平均能見(jiàn)度最高，消煙效果最好；N=4時(shí)走廊能見(jiàn)度相對(duì)波動(dòng)較小，主要由于消煙口風(fēng)速較小，走廊速度場(chǎng)湍流強(qiáng)度較小。

圖7 RSET時(shí)間走廊各測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度衰減曲線圖

3 結(jié)論

1）當(dāng)使用水簾柜消煙時(shí)，溫度沿走廊分布呈明顯的熱分層；消煙風(fēng)量越大，煙氣沉降控制效果越好；但消煙風(fēng)量過(guò)大（Q=21600 m3/h）時(shí)，走廊左側(cè)經(jīng)水簾柜處理后冷卻空氣冷卻補(bǔ)風(fēng)與消煙口消煙出現(xiàn)氣流短路，且在走廊右側(cè)出現(xiàn)明顯的煙氣層吸穿現(xiàn)象，消煙效率低。

2）當(dāng)消煙口個(gè)數(shù)N=3時(shí)，走廊溫度安全閾值線高度最高，即水簾柜消煙凈化效果最好。當(dāng)消煙風(fēng)量一定時(shí)，消煙口個(gè)數(shù)少會(huì)導(dǎo)致明顯的煙氣層吸穿現(xiàn)象，走廊溫度高、能見(jiàn)度差，但消煙口過(guò)多導(dǎo)致消煙效率較低。

3）對(duì)于防護(hù)工程單個(gè)防火分區(qū)，當(dāng)消煙口個(gè)數(shù)N=3時(shí)，消煙風(fēng)量Q=17900 m3/s時(shí)，水簾柜消煙凈化效率高，走廊各處能見(jiàn)度和溫度滿足人員安全逃生要求。

4）消煙室和著火房間之間的左側(cè)走廊安全性較高，避難室宜設(shè)置在靠近水簾柜消煙室一端的走廊。