趙江平 儲(chǔ)小婷

（西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院 西安 710055）

0 引言

在高層建筑火災(zāi)中，走廊是人員逃生最信賴的安全通道，但同時(shí)也是煙氣彌漫和火災(zāi)蔓延的“死亡陷阱”。當(dāng)高溫?zé)煔饴又磷呃葧r(shí)會(huì)受到其頂部的機(jī)械排煙系統(tǒng)與自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)共同作用，排煙口通過排出煙氣提高建筑物內(nèi)人員的安全疏散能見度，然而自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的水滴下落會(huì)降低煙霧浮力（煙氣層下降），并影響排煙口的排放率，造成疏散困難；室外風(fēng)速會(huì)隨著建筑高度的增加呈線性增長(zhǎng)［1］。一旦發(fā)生火災(zāi)，走廊窗口處于開啟狀態(tài)對(duì)走廊煙氣蔓延具有很大影響。

近年來，學(xué)者們的研究主要考慮水噴淋或者排煙單個(gè)因素作用下，分析水噴淋的壓力大小、噴頭位置或排煙方式、排煙口位置、排煙量的大小對(duì)高層建筑室內(nèi)火災(zāi)煙氣分層、火災(zāi)發(fā)展和人員疏散的影響。煙氣是造成火災(zāi)蔓延的重要因素，但對(duì)于機(jī)械排煙系統(tǒng)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的先后開啟順序沒有明確規(guī)定；且建筑走廊長(zhǎng)度超過20 m應(yīng)設(shè)置排煙設(shè)施，但對(duì)排煙口的布置并未進(jìn)行明確規(guī)定。因此，本文針對(duì)水噴淋、機(jī)械排煙口以及室外風(fēng)速在時(shí)間和空間上的耦合作用對(duì)于高層建筑長(zhǎng)直走廊煙氣在水平和豎直方向上的蔓延規(guī)律進(jìn)行研究。

1 模型的建立

1.1 火災(zāi)煙氣基本控制方程

PyroSim湍流流動(dòng)模型是采用Smagorinsky形式的亞網(wǎng)格尺度的大渦模型（Large Eddy Simulation，LES），空間離散方法是采用二階中心差分格式，時(shí)間離散方法采用二階Runge-kutta格式。同時(shí)滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、組分守恒方程、理想狀態(tài)方程等。

火源功率的設(shè)置，根據(jù)Heskestad等對(duì)2火的增長(zhǎng)類型的分類，使用式（1）來設(shè)置。

高層辦公樓多由紙、棉與聚酯纖維彈簧床墊和木制家具組成，因此火災(zāi)增長(zhǎng)速率取木材火的中速增長(zhǎng)速率 為0.011 27 kW/s2。本文研究對(duì)象是高層建筑，其有噴淋的辦公室，設(shè)置火源功率為1.5×103kW，根據(jù)計(jì)算火源熱釋放速率在火災(zāi)發(fā)生后約365 s達(dá)到最大值［2]。

1.2 室外風(fēng)

走廊排煙窗高度位于樓層高度的1/2以上，面積大于排煙面積的2%，走廊盡頭窗口尺寸長(zhǎng)1 200 mm、高1 500 mm。據(jù)學(xué)者研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到68℃，玻璃就會(huì)碎裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陜西省西安市平均風(fēng)速為1.8 m/s，全年盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)［3]。風(fēng)速隨高度增加的依據(jù)可根據(jù)式（2）表示：

1.3 機(jī)械排煙模型

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，當(dāng)建筑內(nèi)疏散走道長(zhǎng)度大于20 m時(shí)應(yīng)設(shè)置排煙設(shè)施，且排煙口距離著火房間最遠(yuǎn)點(diǎn)不超過30 m。排煙口的尺寸為500 mm×500 mm。1個(gè)防煙分區(qū)的排煙量計(jì)算應(yīng)按每平方米不小于60 m3/h計(jì)算，且單臺(tái)風(fēng)機(jī)排煙量取值不小于7 200 m3/h。

1.4 水噴淋模型

自動(dòng)噴水濕式滅火系統(tǒng)由濕式報(bào)警閥組、閉式噴頭、水流指示器、控制閥門、末端試水裝置、管道和供水設(shè)施等組成［3-4]。依據(jù)實(shí)際保護(hù)面積選用流量系數(shù)為80、噴頭流量為61.3 L/min、噴頭間距為3.5 m的下垂型噴頭。噴頭的流量系數(shù)計(jì)算方法如下：

對(duì)于下垂型噴頭液滴的初始速度，根據(jù)李思成等［5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取噴淋液滴在距噴淋虛點(diǎn)（噴口與濺水盤中）0.2 m處的速度約為0.5倍水束從噴口無(wú)阻尼噴出速度，并假設(shè)噴射仰角為0°～90°。

通過式（3）和式（4），得出噴頭入口處的壓力為0.058 7 MPa，噴淋液滴的初始速度約為5.42 m/s。系統(tǒng)的管道內(nèi)充滿有壓水，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣溫度達(dá)到68℃，噴頭鍍鉻融化，管內(nèi)的水在水箱水壓的作用下自動(dòng)噴出。

2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2.1 長(zhǎng)直走廊幾何模型的建立

物理模型是層高為3 m的21層高層建筑，走廊尺寸為30 m×2 m×3 m。走廊左端設(shè)置著火房間和通風(fēng)窗，著火房間內(nèi)燃燒盤尺寸為0.5 m×0.5 m。燃燒盤設(shè)置為燃燒狀態(tài)，樓梯間門設(shè)置為開啟狀態(tài)。模型環(huán)境初始溫度為20℃。模擬過程中為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，走廊墻壁均為絕熱條件。

經(jīng)過網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)［6]，最終選擇網(wǎng)格大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m，共1 747 200個(gè)網(wǎng)格，設(shè)定模擬時(shí)間700 s，工作站型號(hào)為DESKTOP-D6QO8OA，處理器是Intel（R）Xeon（R）Silver 4214 CPU@2.20GHz。

2.2 工況設(shè)計(jì)

在室外風(fēng)、水噴淋和機(jī)械排煙3個(gè)因素中，結(jié)合建筑火災(zāi)實(shí)際發(fā)展情況，高層建筑走廊煙氣蔓延第一階段主要排煙措施是室外風(fēng)，第二階段主要是室外風(fēng)與機(jī)械排煙或水噴淋進(jìn)行耦合，第三階段是在第二階段的基礎(chǔ)之上與第三種因素（機(jī)械排煙或者水噴淋）進(jìn)行耦合，由此產(chǎn)生了兩種耦合順序：第一種是室外風(fēng)、水噴淋和機(jī)械排煙先后進(jìn)行耦合；第二種是室外風(fēng)、機(jī)械排煙和水噴淋先后順序進(jìn)行耦合，見圖1所示。

圖1 不同階段耦合因素順序

針對(duì)機(jī)械排煙口與走廊窗口的距離占走廊總長(zhǎng)度的1/30、1/6、1/3、1/2等4種情況，設(shè)立了4種工況，從而進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械排煙與水噴淋空間耦合作用對(duì)煙氣蔓延的影響。從高層建筑走廊左側(cè)開始，設(shè)置煙氣流動(dòng)速度探測(cè)裝置、溫度探測(cè)裝置熱電偶、CO含量和O2含量探測(cè)器；分別在=5 m=23.5 m處設(shè)置溫度切片，在=5 m設(shè)置速度、CO含量和O2含量切片。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間耦合作用下煙氣流場(chǎng)分布

第20 s時(shí)，煙氣充滿著火房間，開始向門外蔓延，并受到高層建筑窗外風(fēng)速的影響，從走廊窗口向著火層上方卷吸；第30 s時(shí)，煙氣沿著走廊頂部出現(xiàn)頂棚射流，沿著著火層走廊頂部做水平運(yùn)動(dòng)迅速向走廊蔓延；第40～80 s時(shí)，由于水噴淋和機(jī)械排煙的作用，煙氣層分布會(huì)出現(xiàn)短暫的擾動(dòng)；第80～365 s時(shí)，煙氣層逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并通過樓梯迅速向上蔓延。

圖2是高層建筑走廊著火層的煙氣蔓延速度情況。隨著樓層的升高，著火層的室外風(fēng)速增大為2.2 m/s。在40 s之前，兩種耦合順序的煙氣蔓延速度保持一致，并且呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)；在40～80 s時(shí)，第二種耦合順序的煙氣蔓延速度明顯高于第一種耦合順序，且煙氣蔓延速度在水噴淋和機(jī)械排煙作用下有明顯的下降趨勢(shì)；在80 s之后，兩種耦合順序下的煙氣蔓延速度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)都出現(xiàn)了不同程度的擾動(dòng)，但是第二種耦合順序的蔓延速度比第一種要快0.12 m/s，在380 s時(shí)，第二種耦合順序下煙氣蔓延速度達(dá)到了峰值1.42 m/s。

圖2 著火層煙氣蔓延速度變化

在第一階段，在水噴淋單獨(dú)作用時(shí)，靠近走廊頂部和地面的煙氣蔓延速度較快，中間層蔓延速度較慢，煙氣蔓延以最快速度2.6 m/s出現(xiàn)在著火房間內(nèi)；在第二階段，走廊煙氣的蔓延速度依舊呈現(xiàn)中間蔓延速度慢，上下層速度快的趨勢(shì)，煙氣蔓延以最快速度2 m/s依舊出現(xiàn)在著火房間內(nèi)；第三階段，在水噴淋和機(jī)械排煙耦合作用下，走廊煙氣的蔓延速度有明顯提升，且靠近走廊頂部的煙氣蔓延速度高達(dá)4.5 m/s。

3.2 時(shí)間耦合作用下煙氣溫度場(chǎng)分布

圖3是高層建筑走廊著火層距離各樓層地面1.5 m高度處煙氣溫度變化情況。在0～40 s，兩種耦合順序下煙氣的溫度分布相同；在40～80 s，由于水噴淋和機(jī)械排煙的開啟，兩種耦合順序下煙氣溫度均有明顯下降；在80 s之后，第二種耦合順序的煙氣溫度平均比第一種耦合方式低10℃。

圖3 著火層煙氣溫度變化情況

3.3 時(shí)間耦合作用下煙氣組分場(chǎng)分布

在火災(zāi)人員的傷亡原因分類中，大約50%是由煙氣中CO中毒引起的。圖4給出的就是兩種耦合順序下著火層走廊的CO體積分?jǐn)?shù)變化情況。在0～200 s，兩種耦合順序下的走廊內(nèi)部O2含量相對(duì)充足，CO體積分?jǐn)?shù)也快速升高；在200～300 s，走廊CO濃度增加速率變小，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低；300～500 s，走廊內(nèi)的供氧量不足，CO體積分?jǐn)?shù)以較快的速度增加，在500 s時(shí)第一種耦合順序下CO體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)接近人能夠忍受的極限值（500×10-6），甚至達(dá)到了短時(shí)致命中毒乃至死亡的濃度值，人會(huì)在短時(shí)間內(nèi)中毒窒息而亡；在500 s后，第二種耦合順序下的CO體積分?jǐn)?shù)比第一種低，并且O2的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一種耦合順序下。

圖4 著火層煙氣CO體積分?jǐn)?shù)分布

3.4 空間耦合作用下煙氣蔓延規(guī)律

通過對(duì)水噴淋與排煙時(shí)間耦合作用下煙氣蔓延變化規(guī)律研究，得出第二種耦合順序比第一種的煙氣蔓延速度慢、著火層溫度低、煙氣中CO含量低且O2含量高，所以為了研究水噴淋與排煙空間耦合作用下煙氣蔓延規(guī)律，選擇第二種耦合順序?yàn)榛A(chǔ)條件，對(duì)機(jī)械排煙口到走廊窗口的4種不同距離進(jìn)行模擬分析。

圖5可以看出在4種工況的模擬結(jié)果中，長(zhǎng)直走廊的機(jī)械排煙口到走廊窗口的距離為走廊總長(zhǎng)度的1/2時(shí)（工況4），著火層煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO體積分?jǐn)?shù)含量均低于其他3種工況。

圖5 著火層煙氣蔓延情況

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，研究了長(zhǎng)直走廊內(nèi)水噴淋與排煙在時(shí)間和空間耦合作用下煙氣蔓延規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

1）排煙與水噴淋耦合可以分為三個(gè)時(shí)間階段。第一階段是在40 s前，室外風(fēng)單獨(dú)作用；第二階段是在40～80 s時(shí)，室外風(fēng)和水噴淋或機(jī)械排煙耦合作用；第三階段是80 s后，室外風(fēng)、機(jī)械排煙和水噴淋耦合作用。

2）室外風(fēng)和機(jī)械排煙先耦合較水噴淋先耦合相比，煙氣層蔓延速度較快，煙氣溫度更低，煙氣中CO組分含量低、而O2含量高，所以第二種耦合順序比第一種耦合順序更有利于走廊人員疏散。

3）在水噴淋與排煙耦合作用下長(zhǎng)直走廊的機(jī)械排煙口到走廊窗口最佳排煙距離為走廊總長(zhǎng)度的

1/2。

4）水噴淋與排煙耦合作用下高層建筑走廊煙氣蔓延規(guī)律的影響因素較多，如高層建筑走廊窗口的開啟對(duì)水噴淋向下擴(kuò)散角度的影響、著火層上方煙氣分布等，模擬中對(duì)這些因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在后續(xù)工作中有待深入地研究。