劉 博，王春雨，耿偉超，鄧 軍，劉高文，張小娟

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，西安，710054；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京，100013；3.應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海，200438)

0 引言

環(huán)境風(fēng)對(duì)建筑排煙的影響主要表現(xiàn)在加速室內(nèi)煙氣沉降和影響排煙口處壓力分布，進(jìn)而改變煙氣排出的速度和方向。當(dāng)有外界風(fēng)時(shí)，排煙口內(nèi)外壓差會(huì)受到風(fēng)壓作用而改變。若排煙口位于迎風(fēng)面，則會(huì)阻礙煙氣的排出，若風(fēng)速過大，甚至?xí)?dǎo)致自然排煙失效[1]。上、下懸窗是目前自然排煙最常用到的兩種開窗形式[2,3]，探究何種開窗形式能更有效地減少環(huán)境風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，對(duì)于增強(qiáng)自然排煙系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高自然排煙效率意義重大[4]。

賈海江等[5]、竇清華等[6]以環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向或排煙口面積、位置、布置方式為變量，研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)自然排煙效率的影響，探討了環(huán)境風(fēng)下煙氣運(yùn)動(dòng)理論，為火災(zāi)應(yīng)急方案的設(shè)計(jì)提供了參考。楊淑江等[7]引入“總風(fēng)壓系數(shù)”和“臨界失效風(fēng)速”并將其作為參數(shù)用以評(píng)價(jià)環(huán)境風(fēng)對(duì)自然排煙的影響。Yang等[8]通過數(shù)值模擬，研究環(huán)境風(fēng)速、通風(fēng)位置和熱源對(duì)建筑內(nèi)壓力分布和煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)在逆風(fēng)條件下，壓差隨著環(huán)境風(fēng)的增大而增大，排煙時(shí)壓力與排煙口面積成正比，和進(jìn)風(fēng)口面積成反比。劉航等[9]研究了懸窗的開啟角度、長度及懸窗個(gè)數(shù)對(duì)自然排煙的影響，提出排煙效率與開啟角度正弦值之間的關(guān)系。

前人對(duì)排煙窗布置方式、環(huán)境風(fēng)特點(diǎn)等方面做了很多研究，但大多沒有考慮排煙口的實(shí)際形狀，鮮有從阻風(fēng)能力出發(fā)進(jìn)行懸窗自然排煙的研究。本文在前人研究基礎(chǔ)之上，以FDS軟件為基礎(chǔ)，研究懸窗結(jié)構(gòu)對(duì)其阻風(fēng)能力的影響，并以窗體周圍壓力和速度變化為基礎(chǔ)，對(duì)懸窗主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域進(jìn)行深入分析，研究結(jié)果對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)兩種排煙窗的差異，增強(qiáng)自然排煙系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要意義。

1 模型及邊界設(shè)定

1.1 模型建立及初始參數(shù)設(shè)置

懸窗的排煙區(qū)域[9]可分為如圖1所示的三個(gè)區(qū)域，區(qū)域1位于窗體兩側(cè)，形狀為三角形，總面積記為S1；區(qū)域2位于近窗下側(cè)水平區(qū)域，形狀為矩形，面積記為S2；區(qū)域3位于遠(yuǎn)窗下側(cè)豎直區(qū)域，形狀為矩形，面積記為S3。

圖1 懸窗模型Fig. 1 Model of hung window

為了節(jié)省計(jì)算成本，本文選取一個(gè)小型建筑物作為研究對(duì)象，建筑長、寬、高分別為4.8 m、3.6 m、3.6 m，根據(jù)排煙要求設(shè)計(jì)一扇1 m×1 m的自然排煙窗，窗體上沿距建筑頂部0.6 m(儲(chǔ)煙倉以內(nèi))，在窗對(duì)面的墻上沿建筑底部設(shè)有同樣大小的開口用來補(bǔ)氣。由于需要考慮環(huán)境風(fēng)的影響，因此對(duì)計(jì)算域進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展以確保環(huán)境風(fēng)到達(dá)排煙口時(shí)的風(fēng)速為所需要的模擬風(fēng)速，設(shè)定計(jì)算域長12 m、寬10.8 m、高7.2 m，風(fēng)墻位于建筑左側(cè)，風(fēng)向與排煙口法線方向平行，建筑的簡化模型如圖2，F(xiàn)DS建立的物理模型如圖3。

為了對(duì)上、下懸窗阻風(fēng)能力及主要排煙區(qū)域進(jìn)行分析，在排煙口位置設(shè)置一個(gè)總質(zhì)量流量測點(diǎn)，同時(shí)在上、下懸窗的三個(gè)區(qū)域分別設(shè)置質(zhì)量流量測點(diǎn)。

圖2 建筑模型示意圖Fig. 2 Schematic of building model

圖3 FDS模型圖Fig. 3 Model of FDS building

1.2 開窗阻力系數(shù)研究

開窗流量系數(shù)是開窗阻力特性參數(shù)[10]，在其他條件相同的情況下，不同流量系數(shù)決定了不同的通風(fēng)量。如果建筑物外墻上的窗孔兩側(cè)存在風(fēng)壓差ΔP，空氣就會(huì)流過該窗戶，空氣流過窗戶時(shí)的阻力就和ΔP[11]成正比。

(1)

式中，ΔP為窗孔兩側(cè)的風(fēng)壓差(Pa)；v為空氣流過窗戶時(shí)的平均流速(m/s)；ρ為通過窗孔空氣的密度(kg/m3)；ξ為窗戶的局部阻力系數(shù)。則通過窗戶的通風(fēng)量計(jì)算公式：

(2)

式中：Ψ為窗戶的流量系數(shù)。

(3)

根據(jù)公式3可導(dǎo)出流量系數(shù)表達(dá)式：

(4)

式中：qv為通過窗戶的空氣體積流量(m3/s)；F為開窗的面積(m2)。其中流量系數(shù)與相對(duì)進(jìn)風(fēng)量總和為1[12]，本文從宏觀角度出發(fā)研究懸窗各區(qū)域進(jìn)風(fēng)量隨開窗角度的變化關(guān)系。

1.3 模擬工況設(shè)定

本文主要研究開窗角度和風(fēng)速對(duì)上、下懸窗阻風(fēng)能力的影響，開窗角度分別設(shè)置為15°、30°、45°、60°、75°、90°，風(fēng)速設(shè)置為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s。共設(shè)置78組工況，如表1所示，其中窗體直接開口為對(duì)照組。模擬時(shí)間共600 s。

表1 模擬工況表

1.4 網(wǎng)格敏感性分析

采用大渦模擬進(jìn)行火災(zāi)研究時(shí)，網(wǎng)格尺寸直接決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。網(wǎng)格越細(xì)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)越準(zhǔn)確，但計(jì)算時(shí)間越長，當(dāng)D*/δx的比值范圍在4～16時(shí)可以得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果[13,14]。

(5)

式中：D*—火源特征直徑，m；δx—網(wǎng)格尺寸，m；Q—火源功率，kW；ρ∞—空氣密度，kg/m3；cp—空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T∞—環(huán)境溫度，K；g—重力加速度，m/s2。

本文設(shè)置燃燒模擬時(shí)間為600 s，環(huán)境溫度為20 ℃，火源位于建筑物中央位置，火源功率120 kW，按式(5)計(jì)算可得D*最大值為0.4 m，在滿足計(jì)算精度和模擬時(shí)間在可接受范圍內(nèi)的條件下，將網(wǎng)格大小確定為0.1 m×0.1 m×0.1 m[11]。

2 開窗角度對(duì)懸窗阻風(fēng)能力影響

2.1 上懸窗阻風(fēng)能力影響分析

為便于分析懸窗阻風(fēng)能力，將模擬穩(wěn)定階段300 s～600 s的進(jìn)風(fēng)量求平均值繪制成圖4。由圖4可知，進(jìn)風(fēng)量隨著開窗角度增大而增加，同時(shí)也隨著風(fēng)速增大而增加。與對(duì)照組相比，開窗角度15°時(shí)，不同風(fēng)速下進(jìn)風(fēng)量降低幅度在30%～33%；開窗角度為30°時(shí)，進(jìn)風(fēng)量降低幅度在12%～15%；開窗角度大于45°后，進(jìn)風(fēng)量降低幅度均在±4%以內(nèi)。從上述分析可知，上懸窗阻風(fēng)效果不明顯，開窗角度小于30°時(shí)可以減少部分空氣進(jìn)入室內(nèi)，而開窗角度大于45°后，其進(jìn)風(fēng)量與對(duì)照組基本相等，不能起到減少空氣進(jìn)入室內(nèi)的作用。

為了進(jìn)一步對(duì)上懸窗阻風(fēng)能力進(jìn)行分析，定義相對(duì)進(jìn)風(fēng)量為：

(6)

式中：ηi為相對(duì)進(jìn)風(fēng)量，mi-0為對(duì)照組的進(jìn)風(fēng)量，mi-α為開窗角度α?xí)r的進(jìn)風(fēng)量。

按照式(6)對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪制出相對(duì)進(jìn)風(fēng)量隨開窗角度的變化規(guī)律如圖5。從圖5可知，開窗角度相同時(shí)，不同風(fēng)速下相對(duì)進(jìn)風(fēng)量近乎一致，隨著開窗角度增大，相對(duì)進(jìn)風(fēng)量呈非線性增長，且增長幅度隨著開窗角度的增大迅速降低。開窗角度小于45°時(shí)，增長幅度較大，開窗角度大于45°后，增長幅度基本保持不變且相對(duì)進(jìn)風(fēng)量在97 %以上。

圖4 上懸窗各工況質(zhì)量流量變化圖Fig. 4 Variation of mass flow in each case of top-hung window

圖5 上懸窗相對(duì)進(jìn)風(fēng)量Fig. 5 Relative air inflow of top-hung window

對(duì)圖5中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合發(fā)現(xiàn)其符合指數(shù)分布，擬合結(jié)果R2=0.99805，證明擬合函數(shù)與數(shù)據(jù)點(diǎn)之間相關(guān)性很強(qiáng)，通過解回歸方程，計(jì)算出相對(duì)進(jìn)風(fēng)量與開窗角度的關(guān)系近似滿足下式：

ηi=-1.01·e-α/14.2+1.01

(7)

式中：ηi為相對(duì)進(jìn)風(fēng)量；α為開窗角度，°。

當(dāng)開窗角度為70°時(shí)，利用式(7)計(jì)算出相對(duì)進(jìn)風(fēng)量為100 %，此時(shí)上懸窗進(jìn)風(fēng)量與窗體直接開口時(shí)相等，上懸窗失去阻風(fēng)能力。結(jié)合楊洋[15]的研究對(duì)式(7)進(jìn)行擴(kuò)展，僅有環(huán)境風(fēng)時(shí)，通過排煙口的氣體質(zhì)量流量如下：

mi=ΨAeveρ∞

(8)

式中：mi為排煙口的氣體質(zhì)量流量；Ψ為開口處的流量系數(shù)，取0.7；Ae為排煙口面積，m2；ve為通過排煙口的氣體流速，m/s；ρ∞為空氣密度，kg/m3。

聯(lián)立式(6)、式(7)和式(8)得到式(9)：

宣紙上用水彩作畫，館藏作品中尚有5幅作品。但明顯墨線的運(yùn)用更為突出，而這5幅作品均已按國畫的方式裝裱成了掛軸或橫披，在賬本中歸類為“國畫”一類（圖8）。

mi-α=(-1.01·e-α/14.2+1.01)(ΨAeveρ∞)

(9)

式中：mi-α為開窗角度α?xí)r的進(jìn)風(fēng)量，α為開窗角度。

利用式(9)可以計(jì)算不同尺寸上懸窗某一開窗角度時(shí)的進(jìn)風(fēng)量。

2.2 下懸窗阻風(fēng)能力影響分析

圖6為穩(wěn)定階段下懸窗不同工況排煙口氣體的平均質(zhì)量流量。由圖6可知，進(jìn)風(fēng)量隨開窗角度的增大而增加，同時(shí)也隨著風(fēng)速增大而增加。與對(duì)照組相比，開窗角度為15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)不同風(fēng)速下進(jìn)風(fēng)量平均降低幅度分別在73%、59%、35%、16%、4%、0%左右。從上述分析可知，開窗角度小于75°時(shí)，下懸窗能夠有效減少空氣進(jìn)入室內(nèi)，開窗角度大于75°后，下懸窗阻風(fēng)效果不明顯，與上懸窗相比，下懸窗能有效降低環(huán)境風(fēng)對(duì)煙氣排出的影響。

圖6 下懸窗各工況質(zhì)量流量變化圖Fig. 6 Variation of mass flow in each case of bottom-hung window

利用式(6)對(duì)圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪制成圖7。從圖7可知，隨著開窗角度增大，相對(duì)進(jìn)風(fēng)量呈非線性增長，但增長幅度變化不大。

圖7 下懸窗相對(duì)進(jìn)風(fēng)量Fig.7 Relative air inflow of bottom-hung window

對(duì)圖7中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合結(jié)果R2=0.98819，證明擬合函數(shù)與數(shù)據(jù)點(diǎn)之間相關(guān)性很強(qiáng)。通過解回歸方程，計(jì)算出下懸窗相對(duì)進(jìn)風(fēng)量與開窗角度的關(guān)系近似滿足下式：

ηi=-1.57·e-α/83.3+1.57

(10)

聯(lián)立式(6)、式(8)和式(10)得到式(11)，利用式(11)可以計(jì)算不同尺寸下懸窗在某一開窗角度時(shí)的進(jìn)風(fēng)量。

mi-α=(-1.57·e-α/83.3+1.57)(ΨAeveρ∞)

(11)

3 懸窗主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域分析

3.1 上懸窗進(jìn)風(fēng)區(qū)域

存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，上懸窗的三個(gè)區(qū)域由于位置、面積不同，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量各有差異，對(duì)于排煙的影響也不盡相同。下面以風(fēng)速3 m/s為例，對(duì)三個(gè)區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量展開細(xì)化研究。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)：區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量基本隨著開窗角度增大而降低，開窗角度大于60°以后，區(qū)域1便沒有空氣進(jìn)入室內(nèi)，區(qū)域3進(jìn)風(fēng)量隨著開窗角度增加而不斷增大。

圖8為上懸窗各區(qū)域進(jìn)風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量的百分比。由圖8可知，開窗角度小于55°時(shí)，區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量的50%以上，開窗角度為15°時(shí)，最高占比達(dá)70%。隨著開窗角度增大，區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量占比逐漸下降，區(qū)域3進(jìn)風(fēng)量占比逐漸升高。開窗角度大于55°后，區(qū)域3逐漸成為主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域，開窗角度為90°時(shí)，進(jìn)入室內(nèi)的空氣全部由區(qū)域3進(jìn)入。從上述分析可知：開窗角度小于55°時(shí)上懸窗主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)閰^(qū)域2，而大于55°后主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)閰^(qū)域3。

圖8 上懸窗各區(qū)域進(jìn)風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量百分比Fig. 8 Percentage of air inflow in each region of top-hung window

圖9 不同開窗角度上懸窗排煙口氣體流動(dòng)圖Fig. 9 Gas flow diagram of top-hung window exhaust outlet at different window opening angles

結(jié)合圖9氣體流動(dòng)圖對(duì)上述原因進(jìn)行分析可知：窗體直接開口時(shí)，氣流直接通過排煙口進(jìn)入室內(nèi)，見圖9(a)。存在上懸窗時(shí)，氣流通過排煙口時(shí)被窗體分割為上下兩部分，見圖9(b)和圖9(c)，區(qū)域1法線方向與環(huán)境風(fēng)方向垂直，同時(shí)由于窗體遮擋，僅有少量空氣繞過窗體從區(qū)域1進(jìn)入室內(nèi)，見圖9(d)。隨著開窗角度增大，區(qū)域1進(jìn)風(fēng)量持續(xù)減少，開窗角度等于60°時(shí)，環(huán)境風(fēng)經(jīng)過窗體時(shí)直接流向窗體兩邊，沒有從區(qū)域1進(jìn)入室內(nèi)，見圖9(e)。區(qū)域2和區(qū)域3進(jìn)風(fēng)量受窗體影響較小，氣流可以經(jīng)過窗體下沿直接進(jìn)入室內(nèi)，進(jìn)風(fēng)量主要與其進(jìn)風(fēng)面積有關(guān)，開窗角度較小時(shí)，受限于窗體結(jié)構(gòu)，區(qū)域3面積小于區(qū)域2，區(qū)域2為主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域，隨著開窗角度增大，窗體結(jié)構(gòu)有利于區(qū)域3進(jìn)風(fēng)，區(qū)域3進(jìn)風(fēng)能力得到迅速增強(qiáng)，上懸窗開到一定角度時(shí)，區(qū)域3成為主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域。

3.2 下懸窗進(jìn)風(fēng)區(qū)域

圖10為下懸窗各區(qū)域進(jìn)風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量的百分比。從圖10可知，區(qū)域1開窗角度大于45°后進(jìn)風(fēng)量為負(fù)，說明開窗角度大于45°后區(qū)域1將失去進(jìn)風(fēng)作用，區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量隨開窗角度增大變化不大，區(qū)域3進(jìn)風(fēng)量隨著開窗角度增大而不斷增加。

開窗角度為15°時(shí)，區(qū)域3進(jìn)風(fēng)量最低占比在42%左右，且隨著開窗角度增大而不斷增加；區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量占比隨開窗角度增大變化不大，平均進(jìn)風(fēng)量占比在12%左右；而區(qū)域1只有在開窗角度小于45°時(shí)可以有效進(jìn)風(fēng)，開窗角度26°時(shí)最高占比在54%左右。從上述分析可知：開窗角度小于45°時(shí)，下懸窗主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)閰^(qū)域1和區(qū)域3；開窗角度大于45°后，主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)閰^(qū)域3。

圖10 下懸窗各區(qū)域進(jìn)風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量百分比Fig. 10 Percentage of air inflow in each region

結(jié)合圖11氣體流動(dòng)圖對(duì)其原因進(jìn)行分析：窗體直接開口時(shí)，氣流直接通過排煙口進(jìn)入室內(nèi)。存在下懸窗時(shí)，氣體流向發(fā)生改變。對(duì)比圖11(a)和圖11(c)，區(qū)域1法線方向與環(huán)境風(fēng)方向垂直，進(jìn)入?yún)^(qū)域1的風(fēng)量只能是流經(jīng)窗體下沿的空氣繞過窗體進(jìn)入的風(fēng)量，而且隨著開窗角度增大，流經(jīng)窗體下沿的空氣逐漸減少，開窗角度60°時(shí)便沒有氣流進(jìn)入，如圖11(d)。

進(jìn)入?yún)^(qū)域2和區(qū)域3的風(fēng)量主要來自窗體上沿的空氣，由于窗體遮擋作用，窗體上下沿之間壓力突減，在進(jìn)風(fēng)口形成渦旋，造成進(jìn)風(fēng)口處氣體流動(dòng)紊亂，見圖12。渦旋對(duì)區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量影響較大，區(qū)域2同時(shí)有氣體流入和流出，因此進(jìn)風(fēng)量較小。區(qū)域3法線方向與空氣流動(dòng)方向基本一致，受到渦旋的影響較小，隨著開窗角度增大，區(qū)域3面積增大，進(jìn)風(fēng)量逐漸增多。

圖11 不同開窗角度下懸窗排煙口氣體流動(dòng)圖Fig. 11 Gas flow diagram of bottom-hung window exhaust outlet at different window opening angles

圖12 排煙口壓力分布示意圖Fig. 12 Schematic of pressure distribution at smoke outlet

4 上、下懸窗阻風(fēng)能力比較

圖13以環(huán)境風(fēng)速1 m/s、3 m/s、6 m/s為例，對(duì)上、下懸窗不同開窗角度時(shí)的進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行比較。

圖13 上、下懸窗進(jìn)風(fēng)量比較Fig. 13 Comparison of air inflow between top and bottom hung window

由圖13可知，開窗角度相同時(shí)，下懸窗進(jìn)風(fēng)量始終小于上懸窗。開窗角度小于30°時(shí)，下懸窗相比上懸窗至少能多阻止51%空氣進(jìn)入室內(nèi)。從圖14也可看出，在整個(gè)開窗角度內(nèi)，下懸窗相對(duì)進(jìn)風(fēng)量始終遠(yuǎn)小于上懸窗。

圖14 上、下懸窗相對(duì)進(jìn)風(fēng)量對(duì)比Fig. 14 Comparison of relative air inflow of top and bottom hung window

因此，有環(huán)境風(fēng)時(shí)，下懸窗相對(duì)上懸窗能夠更好地引導(dǎo)氣流，防止過多室外空氣直接進(jìn)入室內(nèi)，進(jìn)而減小環(huán)境風(fēng)對(duì)自然排煙的影響。綜上分析得出：當(dāng)上、下懸窗僅用于自然排煙時(shí)，下懸窗能夠有效降低環(huán)境風(fēng)對(duì)自然排煙的影響。若上、下懸窗用于日常的通風(fēng)，則應(yīng)優(yōu)先使用上懸窗，其通風(fēng)能力較強(qiáng)，而且能夠起到防止雨雪的效果。

5 結(jié)論

(1)相同風(fēng)速、同一開窗角度下，上懸窗阻風(fēng)能力不如下懸窗。開窗角度小于30°時(shí)，下懸窗相比上懸窗至少能多阻止51%空氣進(jìn)入室內(nèi)。上懸窗開窗角度大于45°后相對(duì)進(jìn)風(fēng)量達(dá)到97%以上，與窗體直接開口進(jìn)風(fēng)效果相等。下懸窗開窗角度15°時(shí)相對(duì)進(jìn)風(fēng)量僅為26%，最多能減少74%的空氣進(jìn)入室內(nèi)。

(2)上懸窗開窗角度小于56°時(shí)，區(qū)域2進(jìn)風(fēng)量占到總進(jìn)風(fēng)量50%以上，為主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域。下懸窗開窗角度小于30°時(shí)主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)閰^(qū)域1和區(qū)域3，二者進(jìn)風(fēng)量之和占到總進(jìn)風(fēng)量80%以上。隨著開窗角度增大，上、下懸窗主要進(jìn)風(fēng)區(qū)域均過渡到區(qū)域3。

(3)上、下懸窗相對(duì)進(jìn)風(fēng)量與開窗角度均符合指數(shù)變化規(guī)律，變化關(guān)系分別為，上懸窗：ηi=-1.01·

e-α/14.2+1.01；下懸窗：ηi=-1.57·e-α/83.3+1.57。