夏樂天 周汝 胡江北 何嘉鵬

1 南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

2 南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院

3 江蘇省城市與工業(yè)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

煙氣溢流是指高層建筑火災(zāi)時(shí)煙氣從窗戶等外部開口溢出，并在建筑外部蔓延，在熱浮力和環(huán)境風(fēng)的共同作用下擴(kuò)散至外部環(huán)境的現(xiàn)象。高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔猓捎谄涿芏缺戎車諝庑?，故產(chǎn)生使煙氣上升的浮力。煙氣上浮過程中遇到屋頂后沿水平方向擴(kuò)散，煙氣不斷產(chǎn)生，上部煙氣層逐漸增厚，并且在窗口處發(fā)生聚集。當(dāng)煙氣層厚度達(dá)到窗口高度時(shí)，煙氣溢出著火區(qū)域。目前，國內(nèi)外學(xué)者在高層建筑火災(zāi)煙氣的研究主要集中于建筑內(nèi)部火災(zāi)及煙氣擴(kuò)散特性研究和建筑內(nèi)部火焰外溢行為等方面。如 Chow[1]通過豎井內(nèi)不同的開口形式，對煙氣進(jìn)入豎井后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做了分析研究。Qin T X等[2]對三層樓梯間進(jìn)行模擬，比較不同火源功率情況下的樓梯間溫度和煙氣分布規(guī)律。得出樓梯間內(nèi)溫度和煙氣分布與火源功率的關(guān)系。HuL等[3-4]建立了毗鄰斜坡限制下的火焰溢出的臨界態(tài)燃燒功率和間歇性溢出概率與坡度的關(guān)系模型，揭示了毗鄰斜坡和外壁面耦合作用下溢出火焰高度、溫度等特征參數(shù)演化規(guī)律。林樹寶[5]通過在燃燒風(fēng)洞建立射流火實(shí)驗(yàn)平臺，研究外界風(fēng)對射流火焰形態(tài)、平均火焰長度、平均傾斜角度等火焰圖像特征的影響。但綜上可知，在室內(nèi)火災(zāi)煙氣的溢流行為特性與擴(kuò)散蔓延規(guī)律對整個(gè)建筑的影響方面很少涉足。而本研究主要針對火源燃燒功率、室外風(fēng)風(fēng)速、窗口尺寸三個(gè)因素對煙溢流的影響進(jìn)行了研究。

1 物理模型

為研究高層建筑著火房間外開口處煙氣溢流狀態(tài)的影響因素，現(xiàn)以南京市某建筑為原型，一 幢 15 層的長廊型高層辦公樓為研究對象，建筑物理模型見圖1，開間 6 m，進(jìn)深5 m，建筑層高 3.2 m，凈高 3 m 的辦公室，房間的開口尺寸根據(jù)目前建筑規(guī)范中的常用設(shè)計(jì)尺寸確定，辦公室窗臺的高度一般為0.9 m，窗的高度一般為1.8 m，窗頂距離樓面的高度約為2.7 m，根據(jù)住宅設(shè)計(jì)中客廳、辦公室的窗地比一般為1/6～1/4，計(jì)算可知窗的寬度在2.8m～4.2m。窗口的尺寸選取為2.8m×1.8m，3.5m×1.8m，4.2m×1.8m。

圖1 建筑物理模型圖

圖2 著火層物理模型圖

2 工況設(shè)置

2.1 邊界條件的確定

在FDS 的模擬計(jì)算中，網(wǎng) 格的大小對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響巨大。綜合考慮計(jì)算速度和計(jì)算精度，網(wǎng)格尺寸設(shè)為：著火樓層的網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，非著火層網(wǎng)格尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m。為了簡化模型，忽略外界風(fēng)的風(fēng)向隨時(shí)間的變化。重點(diǎn)考慮了風(fēng)速變化的影響，為了方便逃生，著 火房間的門窗開啟以及高層建筑的各層長廊至前室的門開啟。前室至樓梯間的門也均開啟。其余門窗均關(guān)閉。模擬工況為冬季，由于室內(nèi)空調(diào)的作用，室內(nèi)溫度為20 ℃，環(huán)境溫度為0 ℃，壓力取1.013×105Pa。

2.2 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范 DGJ08-88-2000《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中 對關(guān)于國內(nèi)外有無噴淋系統(tǒng)時(shí)火源的熱釋放功率的研究成果，作為本文中選取的熱釋放功率提供參考依據(jù)，見表1，無噴淋的辦公室、客房的最大熱釋放速率為6 MW?；鹪床捎煤愣後尫殴β剩鹪垂β史謩e選取2 MW、4 MW、6 MW，火源面積為1 m2，火源設(shè)置在四層辦公室的正中央。

表1 常見建筑火災(zāi)的最大熱釋放功率

2.3 室外風(fēng)的選擇

為研究風(fēng)速對高層建筑著火房間煙氣溢出的影響。以南京地區(qū)為例。南京地區(qū)冬季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速為3.2 m/s。本文風(fēng)速分別選取為0 m/s、1.8 m/s、3.6 m/s。風(fēng)向均為迎風(fēng)向垂直吹向著火房間，且風(fēng)速和風(fēng)向均不隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變。

2.4 設(shè)置參數(shù)的確定

為了研究在不同的火源燃燒功率，著火房間開口形式以及不同的室外環(huán)境風(fēng)對著火房間煙氣擴(kuò)散的影響機(jī)制，通過正交分析的方法對火災(zāi)的不同的燃燒功率（A）、窗口尺寸（B）、外界風(fēng)速（C）這三個(gè)因素進(jìn)行三因素、三水平的設(shè)置，選擇的正交表 L933 具體設(shè)置及計(jì)算見表2。

表2 工況設(shè)置

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬判據(jù)

火災(zāi)發(fā)生后，人員疏散主要是通過長廊進(jìn)入前室，火 災(zāi)發(fā)生后 60 s 火災(zāi)報(bào)警器報(bào)警，假設(shè)人員在房間及走廊內(nèi)的行走速度分別為1.0 m/s 和 0.5 m/s，人的反應(yīng)時(shí)間為120 s，計(jì) 算得到人員在該樓層最大所需安全疏散時(shí)間為245 s，下文分析選取300 s為時(shí)間判斷依據(jù)[6]。

3.2 最佳模式的選取

表3為模擬方案及指標(biāo)值。根據(jù)表3中 A，B，C三個(gè)因素所對應(yīng)的煙氣溢出的體積流率的極差為2.04、4.23、0.68 可以得出一定范圍內(nèi)影響煙氣體積流率溢出的主次關(guān)系如圖3[7]。

表3 模擬方案及指標(biāo)值

三個(gè)因素中B因素（外界風(fēng)速）所對應(yīng)的煙氣溢流的體積流率的極差最大，極差為4.23，表明一定范圍內(nèi)，因素B對改變煙氣溢流的體積流率的影響最為顯著。應(yīng)該優(yōu)先考慮。該因素對應(yīng)的優(yōu)水平為B3。隨著室外風(fēng)的風(fēng)速增大，著火房間外開口處中性面的高度降低，外溢的能力降低煙氣的提升了外開口的中性面高度。產(chǎn)生的煙氣量迅速增大。因素C（窗口尺寸）所對應(yīng)的溢出煙氣的體積流率極差最小，極差為0.85。表明在一定的范圍內(nèi)，窗口尺寸對煙氣溢流的體積流率的影響不是很顯著。該因素的優(yōu)水平為C3，因素A所對應(yīng)的煙溢流的體積流率的極差為2.04，介于因素B和因素C之間，表明因素A的改變對著火房間外開口處煙氣溢流的體積流率的影響僅次于因素 B 的改變對著火房間外開口處煙氣溢流的影響，該因素對應(yīng)的優(yōu)水平為A3，所以最優(yōu)組合為A3B3C3，因?yàn)樽顑?yōu)組合不在正交表的工況設(shè)置中，所以追加工況十，如表4所示。通過比較不同工況發(fā)生火災(zāi)后 180s～300s時(shí)段內(nèi)著火房間外開口處煙氣溢流的體積流率，得出最優(yōu)組合模式著火房間外開口處煙氣溢流的體積流率最大[8]。

圖3 不同因素對煙氣溢流的影響程度

表4 追加工況及指標(biāo)

3.3 外開口處煙氣溫度的變化情況

圖4～圖6 分別為火源功率為2 MW、4 MW、6 MW時(shí)，不同工況在在250 s～300 s 時(shí)，窗口處氣體溫度隨時(shí)間變化的分布圖。由圖可以看出，窗口處煙氣的溫度隨著溢出煙氣體積流率的增加而增加。且溢出煙氣的體積流率越大，煙氣的溫度變化比較平穩(wěn)，溢出煙氣的體積流率較小時(shí)，煙氣的溫度變化比較明顯。這是由于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣由于浮力，聚集在高處且會卷吸外界環(huán)境的冷空氣。煙氣體積流率較大時(shí)，煙氣溫度受卷吸空氣的影響較小，故煙氣溫度變化比較平穩(wěn)[9]。而煙氣的體積流率較低時(shí)，煙氣溫度受卷吸空氣的影響較大，煙氣溫度的變化也就為明顯。圖4～圖6窗口處煙氣的最高溫度分別為195 ℃、336 ℃、456 ℃。若是這樣的煙氣溢出，將會對著火房間相鄰的房間產(chǎn)生較大的輻射熱，更 加容易發(fā)生由于窗口煙溢流而造成的火災(zāi)事故[10]。

圖4 工況一～工況三溫度隨時(shí)間的變化

圖5 工況四～工況六溫度隨時(shí)間的變化

圖6 工況七～工況十溫度隨時(shí)間的變化

3.4 外開口處氣體速度的變化情況

圖7～圖9分別為火源功率為2 MW、4 MW、6 MW時(shí)，不同工況在300 s 時(shí)外窗開口處不同高度處的水平速度矢量。從圖中可以看出，窗口處的水平速度隨著高度的增加逐漸由正變負(fù)，這說明窗口處不同高度處氣體流動(dòng)方向發(fā)生了變化。且氣體流動(dòng)方向變化的位置為窗口中性面[11]。故可知工況一～工況九的中性面高度如表 5 所示?？芍?dāng)火源功率不變時(shí)，中性面的高度越高，煙 溢流的體積流率越小。由此可知，中性面高度的抬升可以有效的阻止煙氣的外溢。

表5 窗口處中性面高度

圖7 工況一～工況三的速度隨高度的變化

圖8 工況四～工況六的速度隨高度的變化

圖9 工況七～工況十的速度隨高度的變化

4 結(jié)論

利用 FDS 軟件建立高層建筑著火房間外窗開口處煙氣運(yùn)動(dòng)模型，探究不同參數(shù)組合下對煙氣溢流的影響，通過比較外溢煙氣的體積流率以及溢出煙氣的溫度，得出的主要結(jié)論如下：

1）極差分析方法表明影響著火房間煙溢流的三種因素中，各因素的敏感性順序由大到小依次為外界風(fēng)速、火源燃燒功率、開口尺寸。

2）溢出煙氣的體積流率越大，煙氣的溫度越高。煙氣的體積流率越小，煙氣的溫度越低。且溢出煙氣的體積流率越大時(shí)，煙氣的溫度變化較為平緩。而溢出煙氣的體積流率較小時(shí)。煙氣的溫度變化較為明顯。

3）若火源功率恒定不變，中性面高度越高。外溢煙氣的體積流率越小。中性面高度的抬升可以有效的阻止煙氣的外溢。能夠有效的避免因煙溢流而對周圍建筑物造成火災(zāi)事故。