火源熱釋放速率對中庭火災(zāi)自然排煙的影響分析

安　魯,　馮　雷,　徐洪濤,　李起耘,　陸延安,　楊　茉

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上?！?00093; 2.國核工程有限公司,上?！?00233;

3.上海市浦東新區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所,上?！?00136)

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火源熱釋放速率對中庭火災(zāi)自然排煙的影響分析

安魯1,馮雷2,徐洪濤1,李起耘3,陸延安3,楊茉1

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海200093; 2.國核工程有限公司,上海200233;

3.上海市浦東新區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所,上海200136)

摘要:利用計算流體動力學(xué)的方法,以連通地鐵站和商業(yè)區(qū)的中庭為模型,研究了火源熱釋放速率對中庭火災(zāi)自然排煙策略的影響.火源熱釋放速率分別設(shè)為2,3,4 MW,模擬結(jié)果表明:中庭采用自然排煙策略,當(dāng)室外環(huán)境溫度低于5 ℃時,火源熱釋放速率由2 MW增大到4 MW的過程中,自然排煙策略失效;當(dāng)室外環(huán)境溫度高于25 ℃時,煙氣可由中庭天窗穩(wěn)定排出,且隨著火源熱釋放速率的增大,自然排煙效果增強;隨著室外溫度的增加,中庭內(nèi)外溫差減小,火源熱釋放速率的變化對中庭自然排煙的影響減小.

關(guān)鍵詞:中庭; 數(shù)值模擬; 熱釋放速率; 自然排煙

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的提高,現(xiàn)代建筑中出現(xiàn)了越來越多的中庭設(shè)計,其排煙系統(tǒng)主要是用來排出火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的大量煙氣,提供一個可供逃生的維生環(huán)境.維生環(huán)境是指火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的煙氣溫度、一氧化碳濃度、能見度及熱輻射量等需控制在一定的范圍內(nèi)[1],以便確保建筑內(nèi)人員能夠安全逃生.

目前,中庭建筑的排煙系統(tǒng)多采用自然排煙.對于中庭排煙系統(tǒng)的設(shè)計,國內(nèi)外的相關(guān)規(guī)范都對其進(jìn)行了規(guī)定.國內(nèi)的GB 50016—2013建筑設(shè)計防火規(guī)范[2]中規(guī)定自然排煙口的凈面積應(yīng)為中庭地面面積的5%.GB 50045—95高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范[3]中規(guī)定中庭防火分區(qū)面積應(yīng)按上、下層連通的面積疊加計算.美國國家消防協(xié)會頒布的中庭煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計指南NFPA 92B[4]和英國建筑研究所(BRE)頒布的中庭建筑煙氣控制設(shè)計方法[5]均對中庭內(nèi)的煙氣控制方法和排煙策略進(jìn)行了規(guī)定,為中庭建筑排煙系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù).

近十年,國內(nèi)外學(xué)者對中庭火災(zāi)進(jìn)行了大量的研究工作.Chang等[6]模擬分析了建筑中庭內(nèi)自然排煙、機械排煙和天花板結(jié)構(gòu)對中庭火災(zāi)排煙的影響.Yi等[7]討論了兩層建筑的中庭火災(zāi)時不同補風(fēng)位置對機械排煙效果的作用.Shi等[8]將某零售店中庭火災(zāi)的實驗結(jié)果與幾種計算流體力學(xué)模擬軟件所得結(jié)果進(jìn)行比較分析.Ji等[9]以一層空間與中庭相連為模型,比較了一層空間起火時中庭有、無通風(fēng)口對煙氣傳播的影響.Li等[10]從機械排煙的補風(fēng)量大小著手,研究了中庭火災(zāi)的煙氣控制策略.Qin等[11]討論了6個不同位置的天窗對建筑火災(zāi)內(nèi)自然排煙的影響.徐洪濤等[12-13]模擬分析了地鐵站軌行區(qū)的煙氣排放控制策略,同時也利用動網(wǎng)格法和動量源項法對隧道通風(fēng)的活塞效應(yīng)進(jìn)行了研究.Gao等[14]模擬分析了地鐵車站內(nèi)中庭的天窗尺寸對煙氣的影響.朱常琳等[15]對全尺寸地鐵區(qū)間隧道利用聯(lián)絡(luò)通道排煙的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析.陳陽壽[16]研究了地鐵列車火災(zāi)煙氣流速與壓力的變化規(guī)律.

不同火源種類在火災(zāi)中反映為熱釋放速率和火災(zāi)發(fā)展速度的不同,火源的熱釋放速率在不同室外溫度下對中庭的自然排煙策略有明顯影響,目前對于這方面的研究不是很多.本文基于地鐵站與商業(yè)區(qū)綜合一體化的發(fā)展趨勢[17],根據(jù)某建筑中庭的具體參數(shù)建立計算模型,模擬分析火源的不同熱釋放速率對中庭自然排煙的影響.

1物理模型

中庭連接著地鐵站和商業(yè)區(qū).商業(yè)區(qū)每層高為4 m.中庭內(nèi)部空間長51.2 m,寬30.6 m,高10 m.中庭頂部設(shè)有2個天窗,開口大小為4 m×4 m.商業(yè)區(qū)一二層連廊與中庭之間設(shè)有擋煙垂壁,擋煙垂壁距地面2.2 m.整個建筑的物理模型如圖1所示.地鐵站、中庭和商業(yè)區(qū)一體化的內(nèi)部示意圖如圖2所示,位置為圖1的AA′截面.中庭火源位置如圖3所示.

圖1　地鐵站、中庭和商業(yè)區(qū)一體化物理模型

圖2　地鐵站、中庭和商業(yè)區(qū)一體化內(nèi)部示意圖

圖3　中庭火源位置圖

2數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

利用計算流體動力學(xué)軟件FDS(fire dynamics simulator)進(jìn)行火災(zāi)模擬分析,控制方程描述可參考FDS技術(shù)手冊[18].火源熱釋放速率(heat release rate)體現(xiàn)了火災(zāi)強度隨時間的變化速率,決定著室內(nèi)火災(zāi)的溫度變化.火源熱釋放速率為單位面積火源熱釋放速率與火源表面積的乘積.

(1)

在實際的火災(zāi)模擬中采用赫斯凱斯[19]提出的二次方火災(zāi)熱釋放速率模型

(2)

式中:α為火災(zāi)增長系數(shù),kW/s2;t為起火后的時間;t0為開始有效燃燒所需的時間.

平利縣位于巴山北麓，境內(nèi)北部的女媧山方圓60平方公里，山上的女媧廟現(xiàn)為省級重點文物保護(hù)單位。當(dāng)?shù)夭粌H有古老、神圣、悠久的神奇?zhèn)髡f，還有女媧廟、高皇廟、三皇廟、殘存碑刻等遺址。

在火災(zāi)中,燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馍仙倪^程產(chǎn)生的浮升力

(3)

式中:β為膨脹系數(shù),K-1;g為重力加速度,m/s2;Δt為流體內(nèi)部溫差,℃.

2.2火災(zāi)模擬參數(shù)設(shè)定

模擬的火源熱釋放速率分別為2,3,4MW,火災(zāi)增長類型采用快速火模型,α取0.047[4].圖4為不同火源熱釋放速率隨時間變化的特征曲線.τ為時間,H為火源熱釋放速率.墻面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),密度為2 200 kg/m3,熱傳導(dǎo)率為1.2 W/(m·K),比熱容為0.88 kJ/(kg·K).模擬中初始的中庭環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃.每個模型的模擬時間設(shè)為350 s.

圖4　不同火源熱釋放速率示意圖

2.3網(wǎng)格無關(guān)性驗證

現(xiàn)主要對4套網(wǎng)格0.15 m×0.15 m×0.15 m,0.2 m×0.2 m×0.2 m,0.3 m×0.3 m×0.3 m和0.4 m×0.4 m×0.4 m進(jìn)行分析比較.在網(wǎng)格驗證中,設(shè)定的室外溫度為25 ℃,火源熱釋放速率為4 MW.圖5為100 s時BB′截面(圖3所示)的速度矢量圖.由圖5可知,網(wǎng)格(c)和網(wǎng)格(d)模擬所得的渦旋比較一致,網(wǎng)格(a)和網(wǎng)格(b)的結(jié)果與網(wǎng)格(c)和(d)的結(jié)果相差較大.從節(jié)省計算時間和確保模擬準(zhǔn)確性的角度出發(fā),本文選取網(wǎng)格(c):0.2 m×0.2 m×0.2 m進(jìn)行模擬計算.

圖5　100 s時的速度矢量圖

3模擬結(jié)果分析

模擬的室外溫度分別為35,30,25,20,15,10,5,0,-5,-10 ℃,火源熱釋放速率分別為2,3,4 MW.火源熱釋放速率為4 MW時,其完全燃燒的時間為292 s,350 s時火源熱釋放速率達(dá)到最大值.因此,本文模擬時間長度設(shè)為350 s.現(xiàn)從氣體流量、溫度場等方面分析煙氣在中庭內(nèi)以及在頂部開口處的流動狀況,以便評估中庭火災(zāi)自然排煙策略的效果.

如圖6(a)和圖6(b)所示,當(dāng)室外溫度為-10,-5,0,5 ℃時,隨著火災(zāi)的發(fā)展,即使熱釋放量在增大,依舊有大量的室外冷空氣在熱壓的作用下進(jìn)入到室內(nèi),通過天窗的氣體體積凈流量為負(fù)值.室外溫度為0 ℃且火源熱釋放速率為4 MW時,350 s內(nèi)通過天窗的煙氣體積凈流量仍然為負(fù)值,所以,自然排煙策略在350 s內(nèi)基本失效.當(dāng)室外溫度為10,15,20 ℃時,火源充分發(fā)展之后,氣體體積流量變?yōu)檎?自然排煙策略開始有效.室外溫度越高,氣體體積流量變?yōu)檎翟娇?煙氣能夠越快地從天窗排出.室外溫度在25,30,35 ℃下,煙氣可以順利地從天窗排出,隨著熱釋放量的增加,氣體流量也隨之增加,如圖6(c)所示.這說明,在室外溫度較高時,熱釋放速率越大,煙氣越容易克服阻力從中庭天窗排出.

室外溫度為0 ℃下,350 s時AA′截面在不同火源熱釋放速率下的溫度場如圖7所示.

隨著火源熱釋放速率的增大,中庭內(nèi)的煙氣的溫度升高.由浮升力式(3)可知,溫差越大,煙氣的浮升力也越大.火災(zāi)充分發(fā)展以后,隨著火源熱釋放速率從2 MW增大到4 MW,中庭內(nèi)外溫差增大,煙氣的浮升力增大,通過天窗氣體體積凈流量增大,且氣體體積凈流量的增長速率也明顯增大,即室外溫度較低時,火源熱釋放速率越大,自然排煙效果越好.

室外溫度為25 ℃下,350 s時AA′截面在不同火源熱釋放速率下的溫度場如圖8所示.由圖8可知,室外溫度為25 ℃時的中庭內(nèi)外平均溫差小于室外溫度為0 ℃時的中庭內(nèi)外平均溫差.結(jié)合圖6(c),當(dāng)室外溫度為25 ℃時,火災(zāi)充分發(fā)展以后,隨著火源熱釋放速率的增大,通過天窗的氣體體積凈流量增大.但由于中庭內(nèi)外平均溫差較小,氣體體積流量的增長速率較小,即室外溫度較高時,火源熱釋放速率的增大對自然排煙的效果影響較小.

圖6　通過某一天窗的氣體體積凈流量的變化

圖7　室外溫度為0 ℃下350 s時AA′ 截面的溫度場

4 結(jié)論

a. 當(dāng)室內(nèi)溫度為25 ℃,室外環(huán)境溫度低于5 ℃時,中庭采用的自然排煙策略失效.當(dāng)室外環(huán)境溫度高于25 ℃時,煙氣可由中庭天窗穩(wěn)定排出,自然排煙策略有效.

b. 當(dāng)室外溫度低于25 ℃時,火源熱釋放速率對自然排煙效果的影響較大.當(dāng)室外溫度高于25 ℃,火源熱釋放速率對自然排煙效果的影響減小.隨著室外溫度的增加,中庭內(nèi)外的溫差減小,火源熱釋放速率的變化對中庭自然排煙的影響減小.

圖8　室外溫度為25 ℃下350 s時AA′截面的溫度場

c. 當(dāng)室外溫度較高時,隨著火源熱釋放速率的增大,天窗能夠排出的煙氣增多,排煙效果增強.

火源熱釋放速率對中庭火災(zāi)的自然排煙策略有較大的影響.在利用火災(zāi)工程方法進(jìn)行消防設(shè)計的時候,需要充分考慮到環(huán)境溫度不同情況下火源的熱釋放速率對火災(zāi)排煙系統(tǒng)的影響,確保中庭自然排煙策略能夠滿足設(shè)計要求.

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(編輯:石瑛)

Impact of Fire Heat Release Rate on Natural Smoke Extraction in Atrium Fire

AN Lu1,FENG Lei2,XU Hongtao1,LI Qiyun3,LU Yanan3,YANG Mo1

(1.School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.State Nuclear Power Engineering Company,Shanghai 200233,China; 3.Shanghai Pudong Institute of Special Equipment Inspection,Shanghai 200136,China)

Abstract:The model of an atrium,combining the subway station with commercial districts,was built and the CFD (computer fluid dynamics) technology was adopted to simulate the effects of heat release rate on the natural smoke extraction strategy when fire occurs in the atrium.The heat release rate was set to be 2,3,4 MW.The simulated results indicate that,the smoke extraction strategy fails with the increase of fire heat release rate from 2 MW to 4 MW when the outdoor temperature is lower than 5 ℃.When it exceeds 25 ℃,the smoke can be extracted and the effect is better with the increase of heat release rate.With the increase of outdoor temperature and the reduction of temperature difference between outdoor and indoor environment,the effect of heat release rate on the atrium natural smoke extraction decreases.

Keywords:atrium; numerical simulation; heat release rate; natural smoke extraction

中圖分類號:TK 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

通信作者:徐洪濤(1976-),男,副教授.研究方向:傳熱傳質(zhì)與數(shù)值模擬.E-mail:htxu@usst.edu.cn

基金項目:上海市科委自然科學(xué)基金資助項目(12ZR1420900);上海市教委科研創(chuàng)新項目(14ZZ134);上海市質(zhì)量監(jiān)督局公益科研項目(2012-12,2012-41)

收稿日期:2014-11-10

DOI:10.13255/j.cnki.jusst.2016.01.004

文章編號:1007-6735(2016)01-0019-06

第一作者: 安魯(1987-),男,碩士研究生.研究方向:傳熱傳質(zhì)與數(shù)值模擬.E-mail:af2419@163.com