邵 琳 楊金溢 李志涌 蔡永壯 吳則琪講師

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

0 引言

現(xiàn)代建筑往往含有諸如走廊等長度遠(yuǎn)大于寬度和高度的狹長空間[1]。一旦建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)煙氣極容易通過這些狹長空間蔓延至未著火區(qū)域，造成災(zāi)害范圍的擴(kuò)大，人員逃生困難，人員傷亡加重[2]。建筑中的火災(zāi)煙氣可通過合理進(jìn)行防煙分區(qū)，配合排煙系統(tǒng)進(jìn)行控制。防煙分區(qū)分隔可以通過設(shè)置擋煙垂壁或利用橫梁等頂板構(gòu)筑物進(jìn)行自然分隔[3]。擋煙垂壁等頂部構(gòu)筑物的擋煙、阻煙效果對(duì)建筑煙氣控制起到重要作用[4]。然而，在狹長空間煙氣運(yùn)移課題的研究中，學(xué)者們往往關(guān)注火源功率、煙氣溫度分布、煙氣層厚度等參數(shù)[5-8]，擋煙垂壁等走廊頂部構(gòu)筑物對(duì)煙氣的阻滯作用研究較少。近年來，一些學(xué)者開始關(guān)注煙氣越過擋煙垂壁后，擋煙垂壁繼續(xù)阻滯煙氣流動(dòng)的作用。王歡[9-11]等對(duì)擋煙垂壁阻滯煙氣蔓延的現(xiàn)象進(jìn)行研究認(rèn)為，狹長空間煙氣越過擋煙垂壁后，將繼續(xù)受擋煙垂壁阻滯作用的影響，蔓延速度有所減慢，可以為逃生人員贏得寶貴的逃生時(shí)間。吳則琪[12]等通過數(shù)值模擬分析認(rèn)為，多個(gè)擋煙垂壁對(duì)煙氣的阻滯效果好于單個(gè)擋煙垂壁。如果在走廊等狹長空間合理設(shè)置多個(gè)擋煙垂壁，則可減緩火災(zāi)煙氣蔓延，延長非著火區(qū)域的逃生時(shí)間。但目前尚缺少對(duì)多個(gè)擋煙垂壁設(shè)置參數(shù)的研究。本文將利用數(shù)值模擬方法，探究兩個(gè)擋煙垂壁之間間距對(duì)阻滯煙氣流動(dòng)效果的影響，為狹長空間多擋煙垂壁間距的合理設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 不同間距擋煙垂壁對(duì)煙氣阻滯效果模擬

1.1 數(shù)值模型

采用FDS數(shù)值模擬軟件對(duì)建筑內(nèi)走廊煙氣運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬。FDS數(shù)值模擬軟件是專業(yè)的火災(zāi)模擬軟件，該軟件采用大渦模擬模型，可以適應(yīng)常見的火災(zāi)煙氣模擬。FDS的基本方程有：

根據(jù)我國建筑內(nèi)走廊常見尺寸，并適當(dāng)加長走廊長度保證模擬效果，模型走廊長度設(shè)置為30m，寬度為2m，高度為3m。走廊兩端均為敞開邊界，無強(qiáng)迫通風(fēng)?；鹪次恢梦挥谧呃茸蠖?m處地面中間，火源面積1×1m2，根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]，火源功率設(shè)置為1.6MW。擋煙垂壁高度為0.5m[14]，前擋煙垂壁設(shè)置在走廊中部，即距左端15m處。后擋煙垂壁分別設(shè)置在距離前擋煙垂壁1、5和10m處進(jìn)行了3組模擬。在走廊最右端距地面2.8m處，設(shè)置一個(gè)熱電偶，用來監(jiān)測高溫?zé)煔獾竭_(dá)走廊最右端的時(shí)間點(diǎn)。網(wǎng)格尺寸0.1×0.1×0.1m3，網(wǎng)格范圍略大于走廊模型。以第一組模擬為例，數(shù)值模型，如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)走廊右端熱電偶測得的溫度變化數(shù)據(jù)，可以較準(zhǔn)確地得到3組煙氣前鋒到達(dá)走廊右端的時(shí)間分別是16.3、18.4和17.4s。圖2顯示了3組數(shù)值模擬煙氣前鋒到達(dá)走廊右端時(shí)的煙氣蔓延狀態(tài)。

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，擋煙垂壁間距對(duì)煙氣蔓延速度有重要影響，擋煙垂壁的存在使擋煙垂壁前的煙氣層厚度大于擋煙垂壁后。3組模擬中，前擋煙垂壁前的煙氣層厚度相當(dāng)，后擋煙垂壁后的煙氣運(yùn)移狀態(tài)也相似，兩擋煙垂壁間的煙氣層厚度隨擋煙垂壁間距變化明顯。從煙氣蔓延到達(dá)走廊右端的時(shí)間來看，當(dāng)走廊存在2個(gè)擋煙垂壁時(shí)，擋煙垂壁的間距過大或過小均不能使其阻滯煙氣蔓延的效果達(dá)到最佳，即2擋煙垂壁間距在某一范圍內(nèi)時(shí)，可使煙氣蔓延的速度最低。因此，擋煙垂壁的間距影響了煙氣的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響了煙氣蔓延的速度。

圖2 不同擋煙垂壁間距的煙氣運(yùn)移模擬結(jié)果

2 擋煙垂壁最優(yōu)間距范圍分析

2.1 煙氣越過擋煙垂壁后的流動(dòng)狀態(tài)分析

為了分析擋煙垂壁間距影響煙氣蔓延速度的原因，首先進(jìn)行了一組單擋煙垂壁的模擬，該模擬模型的參數(shù)和第1部分中3組模擬相同。通過數(shù)值模擬方法可以分析煙氣越過擋煙垂壁后的流動(dòng)狀態(tài)。模擬得到煙氣越過擋煙垂壁后，走廊縱向切片的速度矢量圖，如圖3。

圖3 煙氣運(yùn)移速度矢量圖

從圖3可以看出，煙氣越過擋煙垂壁后，會(huì)在擋煙垂壁附近區(qū)域形成一個(gè)渦旋，渦旋區(qū)域內(nèi)煙氣流速低，大部分煙氣繞過了該渦旋區(qū)域。渦旋區(qū)域在本模擬中的長度大約2.6m。在渦旋區(qū)域過后，由于煙氣繞過擋煙垂壁時(shí)處于較低位置，煙氣重新上浮撞擊頂板，造成了非定常的涌波現(xiàn)象，形成涌波區(qū)。該涌波的波體向煙氣流動(dòng)方向移動(dòng)，逐漸衰減。大約6m后，涌波基本消失，煙氣恢復(fù)定常流動(dòng)，形成定常流動(dòng)區(qū)。因此，煙氣越過擋煙垂壁后，按其流動(dòng)狀態(tài)可分為渦旋區(qū)、涌波區(qū)和定常流動(dòng)區(qū)3個(gè)區(qū)域。本文中3個(gè)區(qū)域的范圍大致是擋煙垂壁后0～2.6m、2.6～6m和6m以上。

2.2 不同間距擋煙垂壁阻煙效果分析

當(dāng)走廊頂部有兩個(gè)擋煙垂壁時(shí)，后擋煙垂壁所在位置煙氣的流動(dòng)狀態(tài)關(guān)乎擋煙垂壁對(duì)煙氣的阻滯效果。煙氣越過前擋煙垂壁后，形成渦旋區(qū)、涌波區(qū)和定常流動(dòng)區(qū)。由于煙氣的主要流動(dòng)部分繞過渦旋區(qū)，后擋煙垂壁設(shè)置在渦旋區(qū)內(nèi)就難以對(duì)煙氣形成較好的阻滯效果。因此，在1.2的3組模擬中，兩擋煙垂壁間距1m時(shí)，阻煙效果較差。當(dāng)兩擋煙垂壁間距5m，后擋煙垂壁位于涌波區(qū)時(shí)，由于這部分煙氣層忽厚忽薄，煙氣流動(dòng)不穩(wěn)定，擋煙垂壁對(duì)煙氣形成的能量耗散較大，因此阻煙效果好。兩擋煙垂壁間距10m時(shí)，后擋煙垂壁幾乎位于定常流動(dòng)區(qū)，由于涌波的波體逐漸衰減，當(dāng)擋煙垂壁位于涌波區(qū)末端或定常流動(dòng)區(qū)時(shí)，該區(qū)域煙氣流動(dòng)較穩(wěn)定，阻煙效果又會(huì)下降。

因此，兩擋煙垂壁存在一個(gè)阻滯煙氣流動(dòng)效果最佳的間距，該間距應(yīng)使后擋煙垂壁處于涌波區(qū)內(nèi)。為了尋找數(shù)值模型中擋煙垂壁的最優(yōu)間距，調(diào)整擋煙垂壁的間距在2～6m之間進(jìn)行了多組模擬，模擬結(jié)果，見下表。模擬結(jié)果表明，本數(shù)值模型中擋煙垂壁間距在3～6m時(shí)阻煙效果最佳，在此區(qū)間內(nèi)，阻煙效果差別不大。該結(jié)果印證了前文對(duì)擋煙垂壁后煙氣流動(dòng)3個(gè)區(qū)域分析的結(jié)論。

表 擋煙垂壁間距2～6m范圍內(nèi)煙氣到達(dá)走廊最右端時(shí)間模擬結(jié)果表

3 結(jié)論

本論文通過數(shù)值模擬分析，研究了狹長空間兩擋煙垂壁不同間距的阻煙效果，分析了擋煙垂壁間距影響其阻煙效果的原因，主要得出以下結(jié)論：

(1)煙氣越過擋煙垂壁后，根據(jù)其流動(dòng)狀態(tài)的變化可以分為3個(gè)區(qū)域：即渦旋區(qū)、涌波區(qū)和定常流動(dòng)區(qū)。其中，煙氣流動(dòng)繞過渦旋區(qū)的渦旋部分，在涌波區(qū)形成較混亂的且波體逐漸衰減的非定常流動(dòng)，待波體衰減殆盡，煙氣進(jìn)入定常流動(dòng)區(qū)。

(2)擋煙垂壁間距不同時(shí)，阻煙效果不同。當(dāng)后擋煙垂壁位于前擋煙垂壁的渦旋區(qū)時(shí)，煙氣繞過后擋煙垂壁，后擋煙垂壁阻煙效果不佳；當(dāng)后擋煙垂壁位于前擋煙垂壁的定常流動(dòng)區(qū)時(shí)，由于該區(qū)域煙氣流動(dòng)平穩(wěn)，后擋煙垂壁對(duì)煙氣的阻滯作用也不能發(fā)揮至最佳。當(dāng)后擋煙垂壁位于前擋煙垂壁的涌波區(qū)時(shí)，阻煙效果最佳。