邵琳,姜昱辰,楊金溢,李志涌,蔡永壯,吳則琪

鄭州輕工業(yè)大學(xué) 建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)步伐的加快，在城市建筑中長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于高度和寬度的狹長(zhǎng)空間大量出現(xiàn)，如地鐵隧道、地下商業(yè)街、公路隧道等.這種狹長(zhǎng)空間內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣極易擴(kuò)散，難以控制[1].現(xiàn)代建筑中的狹長(zhǎng)空間往往設(shè)置有橫梁、擋煙垂壁等頂部構(gòu)筑物，這些頂部構(gòu)筑物可以作為防排煙系統(tǒng)中防煙分區(qū)的分隔，將煙氣限制在一定范圍內(nèi).《建筑防火規(guī)范》[2]規(guī)定，長(zhǎng)度>20 m的內(nèi)走道需要設(shè)置排煙設(shè)施，并在該區(qū)域劃分防煙分區(qū)，防煙分區(qū)間的分隔物往往采用擋煙垂壁.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA533—2012[3]中對(duì)擋煙垂壁的定義為：用不燃材料制成，垂直安裝在建筑頂棚、橫梁或吊頂下，能在火災(zāi)發(fā)生時(shí)形成一定蓄煙空間的擋煙分隔設(shè)施.擋煙垂壁在建筑物中的作用一般是阻斷煙氣運(yùn)移，將煙氣限制在一定區(qū)域內(nèi).然而，當(dāng)火勢(shì)太猛或煙氣生成速度較快時(shí)，煙氣可能越過(guò)擋煙垂壁繼續(xù)向其他區(qū)域蔓延，這時(shí)，擋煙垂壁就失去了限制煙氣范圍的作用[4].J.Huang等[5]研究了擋煙垂壁高度與越過(guò)擋煙垂壁后煙氣層氣體流量、厚度、溫度等參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著擋煙垂壁高度的增加，空氣的卷吸量和煙氣層的厚度減少，煙氣的溫度升高.王歡等[6]研究發(fā)現(xiàn)，擋煙垂壁可以減少空氣卷吸量、降低煙氣流速.這些研究結(jié)果表明，煙氣越過(guò)擋煙垂壁后，擋煙垂壁能夠持續(xù)影響煙氣的流動(dòng)，主要表現(xiàn)為對(duì)煙氣運(yùn)移的阻滯作用，但對(duì)其作用機(jī)理的研究還不夠深入.

煙氣主要是由燃燒生成物、未燃物質(zhì)和卷吸空氣組成的混合物.一般認(rèn)為，煙氣的生成量與燃燒物及燃燒狀態(tài)有關(guān)[7].擋煙垂壁的存在難以對(duì)火災(zāi)的燃燒狀態(tài)造成影響，但卻能阻滯煙氣的流動(dòng)速度[6].煙氣流動(dòng)速度的減緩可能會(huì)降低空氣卷吸量，從而降低煙氣生成量，進(jìn)而促使煙氣流量下降.因此，如果擋煙垂壁可以降低煙氣生成量，則很有可能是其影響了空氣卷吸量.

目前大多學(xué)者認(rèn)同煙氣在狹長(zhǎng)空間的運(yùn)移一般分為4個(gè)階段[8-12]：羽流上升階段；徑向蔓延階段(煙氣接觸頂棚后開(kāi)始向四周蔓延)；由徑向蔓延轉(zhuǎn)為軸向蔓延的過(guò)渡階段(兩側(cè)的煙氣接觸墻壁后發(fā)生反射，徑向流動(dòng)逐漸被限制)；穩(wěn)定一維流動(dòng)階段.在這4個(gè)階段中，煙氣對(duì)冷空氣均會(huì)發(fā)生不同程度的卷吸[11-14].紀(jì)杰等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，第二階段和第三階段的空氣卷吸量不容忽視，大約為第一階段空氣卷吸量的15%.此外，還有研究表明[16]，煙氣蔓延的第三階段存在類似水躍現(xiàn)象的密度跳躍現(xiàn)象，且該現(xiàn)象受下風(fēng)側(cè)頂棚狀態(tài)的影響.密度跳躍階段分為卷吸區(qū)和翻滾區(qū)，其中卷吸區(qū)是發(fā)生空氣卷吸的主要區(qū)域，而擋煙垂壁會(huì)縮短卷吸區(qū)的長(zhǎng)度[6].

目前研究多集中于單個(gè)擋煙垂壁或頂部構(gòu)筑物，較少涉及利用擋煙垂壁等頂部構(gòu)筑物的阻滯作用減緩煙氣蔓延的探索.鑒于此，本文擬通過(guò)對(duì)設(shè)置多個(gè)擋煙垂壁的走廊中煙氣流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，初步揭示多個(gè)擋煙垂壁對(duì)煙氣的阻滯機(jī)理，以期為限制狹長(zhǎng)空間煙氣蔓延提供理論依據(jù).

1 數(shù)值模擬方案

本文應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件(Fires Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)對(duì)狹長(zhǎng)空間煙氣運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬.FDS軟件是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的軟件.建立的狹長(zhǎng)通道FDS模型如圖1所示，其中狹長(zhǎng)通道長(zhǎng)30 m，寬2 m，高3 m.通道兩端設(shè)置為open邊界狀態(tài)，未設(shè)置機(jī)械或自然通風(fēng)，起火前空氣靜止.火源位于距左端出口2 m處，為1 m×1 m的正方形，功率為1.6 MW[17].擋煙垂壁高度為0.5 m，分別設(shè)置無(wú)擋煙垂壁、1個(gè)(20 m 處)、2個(gè)(10 m、20 m處)和4個(gè)(5 m、10 m、15 m、20 m處)擋煙垂壁進(jìn)行4組模擬.網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，網(wǎng)格范圍略大于狹長(zhǎng)通道模型.

模型在軸向長(zhǎng)度上每隔1 m設(shè)置1個(gè)流量監(jiān)測(cè)面，用于監(jiān)測(cè)不同區(qū)段空氣卷吸量的變化；在15 m和25 m處分別設(shè)置一串垂向速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)垂直方向風(fēng)速的變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距0.1 m.此外，模型沿狹長(zhǎng)通道中軸線設(shè)置切片，用于觀測(cè)煙氣流動(dòng)的狀態(tài).

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 煙氣蔓延時(shí)間對(duì)比

為了研究擋煙垂壁在狹長(zhǎng)通道煙氣運(yùn)移過(guò)程中的阻滯作用，測(cè)試無(wú)擋煙垂壁和分別設(shè)置1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)擋煙垂壁情況下煙氣到達(dá)30 m處(即右端出口)的時(shí)間，并對(duì)4種情況下煙氣前鋒到達(dá)右端出口時(shí)狹長(zhǎng)通道的煙氣狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示.

4種情況下煙氣從右端出口溢出的時(shí)間測(cè)試結(jié)果分別為15.9 s、17.1 s、18.8 s和25.5 s.由圖2可以看出，在設(shè)置擋煙垂壁的情況下，煙氣須先填滿擋煙垂壁左側(cè)區(qū)域才能越過(guò)擋煙垂壁繼續(xù)向右蔓延，因此安裝擋煙垂壁會(huì)延長(zhǎng)煙氣前鋒到達(dá)右端出口的時(shí)間，這與上述溢出時(shí)間的測(cè)試結(jié)果相符；安裝擋煙垂壁的情況下，煙氣填滿的區(qū)域是相同的，但煙氣前鋒到達(dá)右端出口的時(shí)間不同，說(shuō)明煙氣越過(guò)擋煙垂壁后，擋煙垂壁對(duì)煙氣流動(dòng)仍有阻滯作用，且多擋煙垂壁對(duì)煙氣運(yùn)移的阻滯作用更明顯，可為人員逃生贏得寶貴時(shí)間.

2.2 垂向速度分布分析

為了分析擋煙垂壁對(duì)其前后煙氣運(yùn)移速度的影響規(guī)律，對(duì)無(wú)擋煙垂壁和分別設(shè)置1個(gè)、2個(gè)擋煙垂壁的情況進(jìn)行分析研究.由于只對(duì)有無(wú)擋煙垂壁的情況進(jìn)行比較，所以暫未考慮4個(gè)擋煙垂壁的情況.分別對(duì)20 m處的擋煙垂壁前后5 m處的煙氣速度垂向分布進(jìn)行分析，

圖1 狹長(zhǎng)通道FDS模型Fig.1 FDS model of long-narrow space

圖2 煙氣前鋒到達(dá)右端出口時(shí)狹長(zhǎng)通道的煙氣狀態(tài)對(duì)比Fig.2 Comparison of flue gas state in narrow channel when the front of flue gas reaches the right exit

結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出，1個(gè)擋煙垂壁的情況下，煙氣在擋煙垂壁左側(cè)和右側(cè)的軸向速度有所不同，擋煙垂壁左側(cè)的煙氣運(yùn)移速度明顯小于右側(cè)；對(duì)比無(wú)擋煙垂壁和1個(gè)擋煙垂壁的情況，擋煙垂壁左側(cè)煙氣的運(yùn)移速度小于無(wú)擋煙垂壁的情況，擋煙垂壁右側(cè)的煙氣運(yùn)移速度與無(wú)擋煙垂壁時(shí)相當(dāng)，說(shuō)明擋煙垂壁主要對(duì)上風(fēng)側(cè)煙氣流動(dòng)產(chǎn)生作用，這與王歡等[6]的研究結(jié)果一致；對(duì)比1個(gè)和2個(gè)擋煙垂壁的情況，兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度變化不大，可見(jiàn)距左端出口10 m處的擋煙垂壁對(duì)下游煙氣流動(dòng)速度也沒(méi)有明顯影響.

煙氣流動(dòng)速度云圖(距左端出口2～7 m)如圖4所示.由圖4可以看出，煙氣蔓延第三階段中垂直速度變化有差異，在無(wú)擋煙垂壁的情況下，煙氣層與下部冷空氣流速差異較大，云圖中界限明顯；隨著擋煙垂壁數(shù)量的增多，煙氣層與下部冷空氣流速差異逐漸減小，說(shuō)明煙氣層和冷空氣的流速差異隨擋煙垂壁的增多而減小.

2.3 不同截面煙氣流量對(duì)比

實(shí)際上，煙氣的運(yùn)移速度與卷吸量相關(guān).煙氣的卷吸是氣體的黏滯力導(dǎo)致的氣體動(dòng)量傳遞現(xiàn)象[18]，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，煙氣層與下部冷空氣交界面處的速度梯度(速度差)與卷吸速率成正比.因此，擋煙垂壁左側(cè)煙氣流速的降低將會(huì)影響空氣的卷吸量，進(jìn)而造成煙氣流量的降低.觀察各截面煙氣流量的對(duì)比圖(見(jiàn)圖5)可以發(fā)現(xiàn)，在2.5～5.0 m范圍內(nèi)的煙氣流量隨擋煙垂壁的增多而減少，煙氣的最終流量也隨擋煙垂壁的增多而減少.可見(jiàn)在火源附近的煙氣與下部冷空氣流速差異隨擋煙垂壁數(shù)量的增加而減小，造成了空氣卷吸量減少，這是擋煙垂壁對(duì)煙氣運(yùn)移產(chǎn)生阻滯作用的一個(gè)重要原因.

2.4 多擋煙垂壁情形下煙氣流動(dòng)狀態(tài)分析

為進(jìn)一步分析多個(gè)擋煙垂壁可以降低煙氣蔓延速度的原因，對(duì)多擋煙垂壁情況下煙氣運(yùn)移的速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示.由圖6可以發(fā)現(xiàn)，煙氣在越過(guò)每個(gè)擋煙垂壁時(shí)，都會(huì)造成在擋煙垂壁處的煙氣層明顯下降，可見(jiàn)煙氣越過(guò)擋煙垂壁所經(jīng)過(guò)的路線要比直接通過(guò)長(zhǎng).此外，由于煙氣繞過(guò)擋煙垂壁進(jìn)入減速增壓區(qū)后，會(huì)出現(xiàn)附面層脫離現(xiàn)象，形成渦旋，而煙氣氣流的渦旋又會(huì)消耗煙氣的能量.基于這兩個(gè)原因，擋煙垂壁上游的煙氣流動(dòng)速度會(huì)下降，進(jìn)而使空氣卷吸量和煙氣流量下降，煙氣到達(dá)右端所用時(shí)間增長(zhǎng).

圖3 擋煙垂壁前后5 m處的煙氣速度垂向分布圖Fig.3 Vertical distribution diagram of flue gas velocity 5 m before and after smoke barriers

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)擋煙垂壁和分別設(shè)置1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)擋煙垂壁情況下狹長(zhǎng)空間煙氣運(yùn)移情況進(jìn)行了FSD數(shù)值模擬，4種情況下煙氣前鋒到達(dá)狹長(zhǎng)通道模型右端出口的時(shí)間分別為15.9 s、17.1 s、18.8 s和25.5 s.對(duì)擋煙垂壁前后垂向速度分布、煙氣分層流動(dòng)云圖的分析表明，在狹長(zhǎng)空間中，擋煙垂壁不僅有蓄煙作用，還能對(duì)煙氣越過(guò)擋煙垂壁后的運(yùn)移繼續(xù)產(chǎn)生阻滯作用.進(jìn)一步對(duì)狹長(zhǎng)空間頂棚多擋煙垂壁情況下的速度矢量圖進(jìn)行分析可知，設(shè)置多個(gè)擋煙垂壁可以明顯減緩煙氣前鋒的運(yùn)移速度，對(duì)煙氣的阻滯效果優(yōu)于單擋煙垂壁.在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮在同一防煙分區(qū)內(nèi)的走廊頂棚設(shè)置阻礙物，以減緩煙氣蔓延速度，贏得逃生時(shí)間.擋煙垂壁等頂部構(gòu)筑物對(duì)煙氣蔓延速度影響的定量化研究和最優(yōu)布置形式的確定將是下一步的工作重點(diǎn).

圖4 煙氣流動(dòng)速度云圖(距左端出口2～7 m)Fig.4 Cloud chart of flue gas flow velocity (2～7 m away from left end outlet)

圖5 各截面煙氣流量對(duì)比圖 Fig.5 Comparison diagram of flue gas flow in each section

圖6 多擋煙垂壁狹長(zhǎng)空間煙氣運(yùn)移速度矢量圖Fig.6 Vector diagram of smoke movement velocity in long-narrow space with several smoke barriers