任廣魯，邱金水，劉伯運(yùn)，易祥烈

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢　430033)

?

排煙對(duì)狹長(zhǎng)空間火災(zāi)煙氣特性影響的模擬

任廣魯，邱金水，劉伯運(yùn)，易祥烈

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033)

摘要：移動(dòng)排煙機(jī)由于其自身使用的靈活性，被廣泛用于火場(chǎng)排煙。以能見(jiàn)度及溫度為指標(biāo)，對(duì)狹長(zhǎng)空間火災(zāi)發(fā)生時(shí)使用移動(dòng)排煙機(jī)進(jìn)行排煙的效果進(jìn)行了大渦模擬。分析結(jié)果表明：在不采用任何排煙措施的情況下，煙氣蔓延速度快、溫度高，容易出現(xiàn)“游走火”現(xiàn)象，可能造成難以預(yù)估的傷害；采取正壓送風(fēng)或負(fù)壓排風(fēng)的排煙方式對(duì)提高空間能見(jiàn)度及降低空間溫度有顯著作用；正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)聯(lián)合使用效果不如單獨(dú)使用一種排煙方式。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)排煙機(jī)；狹長(zhǎng)空間；煙氣特性；大渦模擬

本文引用格式：任廣魯，邱金水，劉伯運(yùn)，等.排煙對(duì)狹長(zhǎng)空間火災(zāi)煙氣特性影響的模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(1):87-91.

Citation format:REN Guang-lu, QIU Jin-shui, LIU Bo-yun, et al.Simulation of Effect of Smoke Exhaust on Smoke Characteristics in Long Corridor Fire[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):87-91.

狹長(zhǎng)空間是一種常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)形式，表現(xiàn)為長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于高度或?qū)挾确较虻某叽?。民用建筑中的走廊、艦船中的通道等都是狹長(zhǎng)空間。狹長(zhǎng)空間內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi)，內(nèi)部溫度將迅速升高，最高溫度可1 000℃以上；另一方面，空間狹長(zhǎng)，煙氣容易在內(nèi)部擴(kuò)散，由于通風(fēng)條件差且不能迅速排出，將產(chǎn)生的大量有毒氣體，使得空間內(nèi)人員弦暈、窒息，甚至中毒；此外，火災(zāi)發(fā)生后煙氣層不斷下降，能見(jiàn)度較低，造成人員巨大的恐慌心理,致使疏散的難度增加[1]。

在建筑火災(zāi)中，排煙特別受到重視，在《公安消防部隊(duì)執(zhí)勤戰(zhàn)斗條令》第一章第四條“五個(gè)第一時(shí)間”中就有“第一時(shí)間排煙降毒”。而根據(jù)《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，每一個(gè)消防站都應(yīng)配備至少一臺(tái)移動(dòng)式排煙機(jī)?？梢?jiàn)當(dāng)前消防部隊(duì)已將排煙作為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)術(shù)措施[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于狹長(zhǎng)空間火災(zāi)及移動(dòng)式排煙都有研究。王萬(wàn)通等[3]運(yùn)用FDS對(duì)移動(dòng)風(fēng)機(jī)在不同俯仰角度下對(duì)公路隧道火災(zāi)煙氣控制效果進(jìn)行了模擬研究，證明移動(dòng)風(fēng)機(jī)的傾角為0°時(shí)不能阻止煙氣逆流；王磊等[4]運(yùn)用Phoenics軟件對(duì)潛艇狹長(zhǎng)空間下火災(zāi)煙囪溫度場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，但沒(méi)有涉及到機(jī)械排煙；蘇琳[5]以窗口排煙流量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)某型移動(dòng)排煙機(jī)在不同安放位置及俯仰角度下的排煙效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明排煙機(jī)在安放距離1.0～1.5 m、俯仰角18°的情況下排煙效率最高，但沒(méi)有設(shè)置火源研究煙氣特性。而對(duì)于在狹長(zhǎng)空間中使用移動(dòng)排煙機(jī)進(jìn)行排煙的研究較少。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析，比較不同防排煙方式對(duì)狹長(zhǎng)空間火災(zāi)煙氣的影響可為制定合理的防排煙戰(zhàn)術(shù)提供依據(jù)。

1場(chǎng)景設(shè)置

以?xún)蓚€(gè)相鄰空間為研究對(duì)象，其中左側(cè)空間著火且頂部無(wú)通風(fēng)口，右側(cè)空間頂部有通風(fēng)口，兩空間之間有打開(kāi)的水密門(mén)。移動(dòng)排煙機(jī)的使用可分為正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)，因此，基于這兩種機(jī)理設(shè)置4種場(chǎng)景，如表1所示。

表1　場(chǎng)景設(shè)置

2理論基礎(chǔ)

為了真實(shí)地模擬湍流流動(dòng)，計(jì)算區(qū)域尺寸應(yīng)大到包含湍流運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的最大渦并小到分辨出最小渦的運(yùn)動(dòng)。但由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，計(jì)算網(wǎng)格的最小尺度仍大于最小渦尺度。因此，目前仍不能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有尺度范圍上渦的運(yùn)動(dòng)模擬[6]。大渦模擬就是在流場(chǎng)的大尺度結(jié)構(gòu)和小尺度結(jié)構(gòu)之間選擇濾波寬度對(duì)控制方程進(jìn)行濾波，進(jìn)而把所有變量分成大尺度量和小尺度量。大尺度量進(jìn)行直接模擬，得到的是其真實(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)；而對(duì)小尺度量則采用亞格子模型進(jìn)行模擬。雖然大渦模擬對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)采用了亞格子模型，但由于小尺度結(jié)構(gòu)具有各向同性，因而對(duì)流場(chǎng)中的小尺度結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一的亞格子模型是合理的，同時(shí)在采用適當(dāng)?shù)膩喐褡幽Ｊ降拇鬁u模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度較高，模擬結(jié)果是物理真實(shí)的瞬態(tài)流場(chǎng)[7-8]。

經(jīng)過(guò)濾波處理后的瞬態(tài)Navier-Stokes方程及連續(xù)性方程分別如下：

以上兩式構(gòu)成了在LES模型方法中使用的控制方程組， 需要注意的是其為瞬態(tài)下的方程，式中帶有上劃線(xiàn)的量為濾波后的場(chǎng)變量，新出現(xiàn)的τij就被定義為亞格子尺度應(yīng)力(Subgrid-Scale Stress，簡(jiǎn)稱(chēng)SGS應(yīng)力)，其體現(xiàn)了小尺度的渦對(duì)大尺度渦流運(yùn)動(dòng)的影響，可表示為

(3)

3模擬設(shè)置

3.1火源設(shè)置與網(wǎng)格劃分

火源設(shè)置于左側(cè)空間中心位置，火源設(shè)置為1 m×1 m的油池火，成分為庚烷，最大熱釋放速率為1 000 kW，熱釋放效率按照超快型增長(zhǎng)模式增長(zhǎng)。通風(fēng)口設(shè)置于右側(cè)空間頂部中心位置，大小為0.8 m×0.8 m，水密門(mén)位于兩空間連接處，大小為1.6 m×0.8 m。采用矩形網(wǎng)格單元網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)度為0.1 m整個(gè)區(qū)域共144 000個(gè)網(wǎng)格單元。

在每個(gè)空間設(shè)置平均可見(jiàn)度監(jiān)測(cè)。整個(gè)網(wǎng)格縱向中心面設(shè)置4組熱電偶束，每組設(shè)置10個(gè)熱電偶，從距地面0.1 m開(kāi)始每隔0.3 m設(shè)置一個(gè)以觀測(cè)不同高度的溫度變化。

3.2初始條件與邊界條件

環(huán)境初始?jí)毫橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，初始溫度為20℃，相對(duì)濕度40%。計(jì)算區(qū)域與外部環(huán)境間界面采用自由邊界，允許流體自由進(jìn)入和離開(kāi)計(jì)算區(qū)域。在自由邊界上，壓力為環(huán)境壓力，速度梯度和溫度梯度為零。排煙機(jī)排煙流量設(shè)置為1.5 m3/s。

4計(jì)算結(jié)果及討論

4.1空間能見(jiàn)度分析

煙氣的遮光性是其危害性的一部分，能見(jiàn)度的降低給滅火以及人員逃生帶來(lái)困難。因此，對(duì)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中兩個(gè)空間的平均能見(jiàn)度變化進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1　左空間能見(jiàn)度變化

由圖1可以看出，4種場(chǎng)景能見(jiàn)度在前50 s左右變化趨勢(shì)基本相同，都出現(xiàn)了劇烈下降，到50 s時(shí)能見(jiàn)度已經(jīng)降到5 m，4種場(chǎng)景達(dá)到的最終能見(jiàn)度分別為1.3 m、3.0 m、3.4 m、3.8 m。

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：① 左側(cè)空間能見(jiàn)度下降迅速，這是由于空間燃燒池不斷產(chǎn)生煙霧導(dǎo)致；② 通風(fēng)條件下的空間能見(jiàn)度明顯好于不通風(fēng)條件；③ 3種通風(fēng)方式的通風(fēng)效果差別不大，其中場(chǎng)景4通風(fēng)效果最好。

由圖2可以看出，右側(cè)空間能見(jiàn)度下降速度明顯小于左側(cè)空間，4個(gè)場(chǎng)景能見(jiàn)度到達(dá)5 m的時(shí)間分別為170 s、340 s、220 s、185 s，4個(gè)場(chǎng)景達(dá)到的最終能見(jiàn)度分別為1.6 m、2.7 m、3.2 m、2.5 m。

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：① 右側(cè)空間下降速度明顯低于左側(cè)空間；② 通風(fēng)對(duì)右側(cè)空間能見(jiàn)度改善明顯；③ 場(chǎng)景2的通風(fēng)效果對(duì)于延緩能見(jiàn)度降低效果最好；④ 場(chǎng)景4中正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)配合使用效果較差，不如使用單臺(tái)排煙機(jī)效果好。

4.2溫度場(chǎng)分析

對(duì)4種場(chǎng)景在不同高度以及不同位置縱向位置的溫度進(jìn)行研究，選取z=0.4 m，1.6 m，2.8 m 3個(gè)高度以及x=2 m，6 m，10 m，14 m 4個(gè)縱向位置處的熱電偶溫度變化繪制曲線(xiàn)圖。

圖2　右空間能見(jiàn)度變化

圖3　場(chǎng)景1溫度變化

從圖3可以看出：① 場(chǎng)景1中4個(gè)縱向位置在垂直方向溫度分層現(xiàn)象明顯，溫度隨高度的增大而增大；② 左側(cè)空間溫度上升很快，最高溫度達(dá)到了近400℃，在160 s左右溫度急劇下降，之后溫度回落到100℃以下緩慢降落。這是因?yàn)樽髠?cè)空間的氧氣密度隨著燃燒的進(jìn)行不斷降低，最終不足以支撐燃燒的繼續(xù)，從而火焰熄滅；③ 右側(cè)空間溫度逐漸增加，至160 s左右時(shí)出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，空間高處(z=1.6 m，2.8 m)溫度繼續(xù)增加，空間底部(z=0.4 m)溫度保持穩(wěn)定。這是由于通風(fēng)嚴(yán)重不足從而出現(xiàn)了“游走火”(Ghosting flame)現(xiàn)象[9]，如圖4所示，這種現(xiàn)象在前人多次實(shí)驗(yàn)中均有出現(xiàn)[10-11]。

圖4　場(chǎng)景1“游走火”現(xiàn)象

從圖5可以看出：① 場(chǎng)景2中4個(gè)縱向位置溫度分層明顯，溫度隨高度的增大而增大，溫度發(fā)展趨勢(shì)均為短時(shí)間上升后保持穩(wěn)定；② 左側(cè)空間在x=6 m處在t=200 s時(shí)發(fā)生較大幅度溫升，溫度超過(guò)z=2.8 m達(dá)到500℃，這是由于排煙機(jī)吸氣使本來(lái)垂直的火焰向右側(cè)偏移，剛好與z=1.6 m處的熱電偶位置重合，導(dǎo)致溫度升高；③ 右側(cè)空間最高溫度出現(xiàn)在x=10 m處的頂部位置，約為150℃，相對(duì)于場(chǎng)景1溫度降低幅度較大。

從圖6可以看出：① 場(chǎng)景3中4個(gè)縱向位置溫度分層明顯，溫度隨高度的增大而增大，溫度發(fā)展趨勢(shì)均為短時(shí)間上升后保持穩(wěn)定；② 左側(cè)空間溫度略低于場(chǎng)景2中左側(cè)空間溫度，且溫度較為平穩(wěn)；③ 右側(cè)空間溫度與場(chǎng)景2基本相同。

從圖7可以看出：① 場(chǎng)景4中空間溫度分層現(xiàn)象不明顯，溫度變化劇烈且頻繁，這是由于正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)聯(lián)合作用擾亂了艙內(nèi)氣流；② 左側(cè)空間溫度先升高，在80 s左右溫度開(kāi)始下降，最低降至環(huán)境溫度，到380 s左右溫度出現(xiàn)上升，溫度發(fā)展趨勢(shì)不穩(wěn)定；③ 右側(cè)空間溫度不斷升高，到200 s左右溫度開(kāi)始無(wú)規(guī)律變化，瞬間最高溫超過(guò)200℃。

圖5　場(chǎng)景2溫度變化

圖6　場(chǎng)景3溫度變化

圖7　場(chǎng)景4溫度變化

5結(jié)論

1) 通風(fēng)對(duì)提高空間火災(zāi)發(fā)生時(shí)的能見(jiàn)度效果明顯，3種通風(fēng)方式效果差別不大，其中場(chǎng)景4正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)效果優(yōu)于其他兩種通風(fēng)方式。

2) 狹長(zhǎng)空間在無(wú)通風(fēng)僅有一開(kāi)口的情況下，隨著火災(zāi)的發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)“游走火”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能會(huì)點(diǎn)燃遠(yuǎn)離火源的空間，造成不可預(yù)知的傷害。

3) 正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)兩種排煙方式對(duì)煙氣溫度的影響相似，都能有效降低空間溫度，從而為空間人員的生存提供保障。

4) 將正壓送風(fēng)與負(fù)壓排風(fēng)兩種排煙方式結(jié)合起來(lái)使用，其降低煙氣溫度的效果并不如單獨(dú)使用其中一種方式效果好，相反，由于兩種方式排煙的相互作用，對(duì)煙氣造成了猛烈擾動(dòng)，使空間內(nèi)煙氣溫度變化劇烈，不利于人員逃生。

通過(guò)以上分析可以看出，狹長(zhǎng)空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)使用正確的排煙方式對(duì)提高空間能見(jiàn)度、降低空間內(nèi)溫度有良好作用。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)使用正壓送風(fēng)或負(fù)壓排風(fēng)的排煙方式進(jìn)行排煙，能為人員逃生及消防員滅火提供有利條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙威風(fēng).狹長(zhǎng)空間油池火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[2]李思成，荀迪濤，王萬(wàn)通.正壓送風(fēng)排煙在火場(chǎng)中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013.32(9):1023-1026.

[3]王萬(wàn)通，李思成，荀迪濤.移動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)公路隧道火災(zāi)煙氣控制效果的模擬研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2014,33(4):397-399.

[4]王磊，浦金云.潛艇狹長(zhǎng)空間下火災(zāi)煙囪溫度場(chǎng)特性分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(9):34-38.

[5]蘇琳.移動(dòng)式排煙機(jī)安放位置的討論[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012,31(1):29-31.

[6]劉奕，郭印誠(chéng)，張會(huì)強(qiáng).大渦模擬及其在湍流燃燒中的應(yīng)用[J].力學(xué)進(jìn)展，2011,31(2):215-216.

[7]ANDERSON J D.Computational Fluid Dynamics:The Basics with Application[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[8]楊銳.大渦模擬及亞格子層流小火焰燃燒模型在火災(zāi)模擬中的應(yīng)用研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004.

[9]黎昌海.船舶封閉空間池火行為實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[10]SUGAWA O,KAWAGOE K,OKA Y,et al.Burning behavior in a poorly-ventilated compartment fire-ghosting fire[J].Fire Science and Technology,1989(9):163-72.

[11]AUDOUIN L,SUCH J,MALET J,et al.A real scenario for a ghosting flame[C]//Fire Safety Science-proceedings of the 15th international conference.[S.l.]:[s.n.],1997:1261-1272.

(責(zé)任編輯唐定國(guó))

【后勤保障與裝備管理】

Simulation of Effect of Smoke Exhaust on Smoke Characteristics

in Long Corridor Fire

REN Guang-lu, QIU Jin-shui, LIU Bo-yun, YI Xiang-lie

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:As its own flexibility, portable smoke exhausted fan is widely used in exhausting smoking in fire. Visibility and temperature were taken as the index to simulate the effect of portable smoke exhaust fan in long corridor fire. The analysis results show that in the case of not using any smoke control measures, the long corridor smoke spreads fast and the temperature is high, where is prone to appear “ghosting phenomenon”, which may cause unpredictable damage. And the positive pressure blowing or negative pressure drainage is helpful to improve the visibility of the space and to reduce the space temperature. The joint effect of positive pressure blowing and negative pressure drainage is not as good as using single method.

Key words:portable smoke exhaust fan; long corridor; smoke characteristics; large eddy simulation

文章編號(hào)：1006-0707(2016)01-0087-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.021

作者簡(jiǎn)介：任廣魯(1989—)，男，博士，主要從事艦艇消防技術(shù)與工程研究。

收稿日期：2015-05-31；修回日期：2015-06-15