邵 琳 楊金溢 李志涌 蔡永壯 吳則琪講師

(鄭州輕工業(yè)大學 建筑環(huán)境工程學院，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大于寬度和高度的狹長空間[1]。一旦建筑內發(fā)生火災，火災煙氣極容易通過這些狹長空間蔓延至未著火區(qū)域，造成災害范圍的擴大，人員逃生困難，人員傷亡加重[2]。建筑中的火災煙氣可通過合理進行防煙分區(qū)，配合排煙系統(tǒng)進行控制。防煙分區(qū)分隔可以通過設置擋煙垂壁或利用橫梁等頂板構筑物進行自然分隔[3]。擋煙垂壁等頂部構筑物的擋煙、阻煙效果對建筑煙氣控制起到重要作用[4]。然而，在狹長空間煙氣運移課題的研究中，學者們往往關注火源功率、煙氣溫度分布、煙氣層厚度等參數[5-8]，擋煙垂壁等走廊頂部構筑物對煙氣的阻滯作用研究較少。近年來，一些學者開始關注煙氣越過擋煙垂壁后，擋煙垂壁繼續(xù)阻滯煙氣流動的作用。王歡[9-11]等對擋煙垂壁阻滯煙氣蔓延的現(xiàn)象進行研究認為，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間。吳則琪[12]等通過數值模擬分析認為，多個擋煙垂壁對煙氣的阻滯效果好于單個擋煙垂壁。如果在走廊等狹長空間合理設置多個擋煙垂壁，則可減緩火災煙氣蔓延，延長非著火區(qū)域的逃生時間。但目前尚缺少對多個擋煙垂壁設置參數的研究。本文將利用數值模擬方法，探究兩個擋煙垂壁之間間距對阻滯煙氣流動效果的影響，為狹長空間多擋煙垂壁間距的合理設置提供理論依據。

1 不同間距擋煙垂壁對煙氣阻滯效果模擬

1.1 數值模型

采用FDS數值模擬軟件對建筑內走廊煙氣運移情況進行數值模擬。FDS數值模擬軟件是專業(yè)的火災模擬軟件，該軟件采用大渦模擬模型，可以適應常見的火災煙氣模擬。FDS的基本方程有：

根據我國建筑內走廊常見尺寸，并適當加長走廊長度保證模擬效果，模型走廊長度設置為30m，寬度為2m，高度為3m。走廊兩端均為敞開邊界，無強迫通風?；鹪次恢梦挥谧呃茸蠖?m處地面中間，火源面積1×1m2，根據參考文獻[13]，火源功率設置為1.6MW。擋煙垂壁高度為0.5m[14]，前擋煙垂壁設置在走廊中部，即距左端15m處。后擋煙垂壁分別設置在距離前擋煙垂壁1、5和10m處進行了3組模擬。在走廊最右端距地面2.8m處，設置一個熱電偶，用來監(jiān)測高溫煙氣到達走廊最右端的時間點。網格尺寸0.1×0.1×0.1m3，網格范圍略大于走廊模型。以第一組模擬為例，數值模型，如圖1。

圖1 數值模擬模型示意圖

1.2 數值模擬結果

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

由數值模擬結果可以看出，擋煙垂壁間距對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，后擋煙垂壁后的煙氣運移狀態(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。從煙氣蔓延到達走廊右端的時間來看，當走廊存在2個擋煙垂壁時，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到最佳，即2擋煙垂壁間距在某一范圍內時，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狀態(tài)，進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移模擬結果

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，首先進行了一組單擋煙垂壁的模擬，該模擬模型的參數和第1部分中3組模擬相同。通過數值模擬方法可以分析煙氣越過擋煙垂壁后的流動狀態(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 煙氣運移速度矢量圖

從圖3可以看出，煙氣越過擋煙垂壁后，會在擋煙垂壁附近區(qū)域形成一個渦旋，渦旋區(qū)域內煙氣流速低，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方向移動，逐漸衰減。大約6m后，涌波基本消失，煙氣恢復定常流動，形成定常流動區(qū)。因此，煙氣越過擋煙垂壁后，按其流動狀態(tài)可分為渦旋區(qū)、涌波區(qū)和定常流動區(qū)3個區(qū)域。本文中3個區(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

當走廊頂部有兩個擋煙垂壁時，后擋煙垂壁所在位置煙氣的流動狀態(tài)關乎擋煙垂壁對煙氣的阻滯效果。煙氣越過前擋煙垂壁后，形成渦旋區(qū)、涌波區(qū)和定常流動區(qū)。由于煙氣的主要流動部分繞過渦旋區(qū)，后擋煙垂壁設置在渦旋區(qū)內就難以對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，阻煙效果較差。當兩擋煙垂壁間距5m，后擋煙垂壁位于涌波區(qū)時，由于這部分煙氣層忽厚忽薄，煙氣流動不穩(wěn)定，擋煙垂壁對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，后擋煙垂壁幾乎位于定常流動區(qū)，由于涌波的波體逐漸衰減，當擋煙垂壁位于涌波區(qū)末端或定常流動區(qū)時，該區(qū)域煙氣流動較穩(wěn)定，阻煙效果又會下降。

因此，兩擋煙垂壁存在一個阻滯煙氣流動效果最佳的間距，該間距應使后擋煙垂壁處于涌波區(qū)內。為了尋找數值模型中擋煙垂壁的最優(yōu)間距，調整擋煙垂壁的間距在2～6m之間進行了多組模擬，模擬結果，見下表。模擬結果表明，本數值模型中擋煙垂壁間距在3～6m時阻煙效果最佳，在此區(qū)間內，阻煙效果差別不大。該結果印證了前文對擋煙垂壁后煙氣流動3個區(qū)域分析的結論。

表 擋煙垂壁間距2～6m范圍內煙氣到達走廊最右端時間模擬結果表

3 結論

本論文通過數值模擬分析，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，主要得出以下結論：

(1)煙氣越過擋煙垂壁后，根據其流動狀態(tài)的變化可以分為3個區(qū)域：即渦旋區(qū)、涌波區(qū)和定常流動區(qū)。其中，煙氣流動繞過渦旋區(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，待波體衰減殆盡，煙氣進入定常流動區(qū)。

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