地下車庫(kù)排煙口朝向?qū)ε艧熜Ч挠绊?/h1>
2022-08-23 03:03高子鶴
鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版） 2022年5期
鐘 委， 田 英， 韓 寧， 高子鶴， 章 恒
(1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)
0 引言
近年來(lái)，城市汽車的數(shù)量快速增加，汽車的存放成了一個(gè)交通管理的問(wèn)題，為了減少占地面積，地下車庫(kù)開始普及使用。然而，地下車庫(kù)在極大地解決了汽車存放問(wèn)題的同時(shí)，也帶來(lái)了許多安全問(wèn)題，其中的消防問(wèn)題尤為值得關(guān)注。由于地下車庫(kù)特殊的扁平狀結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生火災(zāi)，有毒和高溫?zé)煔庠跇O短時(shí)間內(nèi)就會(huì)上升到頂棚并快速蔓延至每個(gè)地方，阻礙人員疏散和火災(zāi)撲救[1]。而且車庫(kù)與其上部建筑是一個(gè)相連的整體，一般地下車庫(kù)頂部會(huì)存在大量的梁結(jié)構(gòu)，這些梁結(jié)構(gòu)對(duì)排煙也會(huì)有一定的影響,因此，高效的排煙方式對(duì)于安全疏散非常重要[2]。通常的排煙方式有兩種，一種是自然排煙，另一種是機(jī)械排煙。自然排煙的排煙效率低，還容易受到環(huán)境的影響[3],所以，地下車庫(kù)通常采用機(jī)械排煙的方式排煙。
前人對(duì)于地下車庫(kù)機(jī)械排煙的研究主要是機(jī)械排煙和自然排煙效率的比較以及排煙速度對(duì)排煙效率的影響。趙猛超等[4]利用FDS對(duì)機(jī)械排煙和自然排煙的效率進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在地下車庫(kù)中火源功率較小時(shí)，采用機(jī)械排煙效果好。Ji等[5]做了一系列的燃燒實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究排煙速度和排煙口高度對(duì)機(jī)械排煙效率的影響。結(jié)果表明，排煙口高度的增加或者適當(dāng)減小排煙速度，可以提高排煙效率。周志忠等[6]建立了一種縮尺寸扁平空間模型進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，研究了機(jī)械排煙速度對(duì)排煙效率的影響。結(jié)果表明，排煙速度小于0.3 m/s時(shí)，機(jī)械排煙和自然排煙的效果相差不大；排煙速度為0.3～1.85 m/s時(shí)，排煙效率逐漸升高至85%；再繼續(xù)增加排煙速度，對(duì)排煙效率影響不大。
也有學(xué)者對(duì)排煙口的分布和朝向?qū)ε艧煹挠绊戇M(jìn)行了研究。Hsu等[7]利用FDS進(jìn)行了排煙口布局對(duì)車庫(kù)內(nèi)煙氣流動(dòng)影響的模擬研究。結(jié)果表明，排煙口的有效布局可以有效延長(zhǎng)逃生時(shí)間。張梅紅等[8]利用FDS研究了排煙口朝向?qū)ε艧熜Ч挠绊憽＝Y(jié)果表明，在相同的排煙管道條件下，排煙口朝上開啟更容易排出煙氣。李英等[9]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)排煙口高度以及朝向不同的機(jī)械排煙系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，對(duì)于開口向下的排煙系統(tǒng)，排煙口高度越高，排煙效果越好；側(cè)向開口的系統(tǒng)排煙口高度對(duì)排煙效果影響較小。
對(duì)于地下車庫(kù)排煙，中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中有相關(guān)規(guī)定:有機(jī)械排煙地下車庫(kù)內(nèi)要有防煙分區(qū)的劃分，每一個(gè)防煙分區(qū)面積不宜超過(guò)2 000 m2；在每一個(gè)防煙分區(qū)都應(yīng)該設(shè)置排煙口[10]。雖然規(guī)范中給定了最小排煙量，但并未明確規(guī)定機(jī)械排煙系統(tǒng)中排煙口的朝向?，F(xiàn)在大部分地下車庫(kù)機(jī)械排煙系統(tǒng)使用的是排煙口向下開口，如圖1(a)所示；還有一部分采用側(cè)向開口，如圖1(b)所示；另外很少一部分是向上開口，如圖1(c)所示。
圖1 排煙口不同朝向示意圖Figure 1 Schematic diagram of different orientations of smoke exhaust outlet
本文對(duì)地下車庫(kù)排煙口朝向不同的排煙系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比3種朝向的排煙口在火災(zāi)中的溫度與流場(chǎng)分布、排熱量以及排煙效率，可以給以后地下車庫(kù)的通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。
1 數(shù)值模擬
本文所用模擬軟件為FDS(fire dynamics simulator)，是一款由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的專門用于對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行仿真模擬的火災(zāi)計(jì)算分析軟件[11-12]。已有研究表明[13]，F(xiàn)DS可以準(zhǔn)確地模擬出實(shí)際火災(zāi)發(fā)生后的煙氣流動(dòng)特征，也可以模擬火災(zāi)中的排煙場(chǎng)景。
本文以一個(gè)地下車庫(kù)的某一個(gè)防煙分區(qū)建立模型，如圖2～4所示。模型分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域用來(lái)產(chǎn)生煙氣，即起火間；另一個(gè)區(qū)域起到蓄煙作用，即防煙分區(qū)。之所以采用兩個(gè)區(qū)域是因?yàn)樵谶@樣的情況下，防煙分區(qū)內(nèi)的機(jī)械排煙系統(tǒng)對(duì)火源燃燒的影響可以忽略，保證給防煙分區(qū)提供一個(gè)穩(wěn)定煙氣源[14]。
圖2 排煙口朝下布置示意圖Figure 2 Schematic diagram of downward layout of smoke exhaust outlet
圖3 排煙口側(cè)向布置示意圖Figure 3 Schematic diagram of lateral layout of smoke exhaust outlet
圖4 排煙口朝上布置示意圖Figure 4 Schematic diagram of upward layout of smoke exhaust outlet
該模型的起火間長(zhǎng)8.4 m，寬6 m，高3.4 m，在其前后兩側(cè)底部各有3個(gè)尺寸為1 m×1 m的補(bǔ)氣口，火源位于房間中央，尺寸為1 m×2 m。防煙分區(qū)長(zhǎng)14 m，寬12 m，凈高4.8 m，防煙分區(qū)的左端與起火間相連，右端開口，擋煙垂壁設(shè)置在右端，高度為1.5 m，擋煙垂壁距離右端開口有2 m的距離?；鹪垂β蕿? MW，模擬小汽車發(fā)生火災(zāi)[15]。為了縮短模擬時(shí)間，火源設(shè)置起火即達(dá)到最大設(shè)定功率。3種排煙口大小形狀完全一致，都設(shè)置為0.8 m×0.8 m的正方形排煙口，排煙口始終處于開啟狀態(tài)，排煙口均位于防煙分區(qū)中心。
3種機(jī)械排煙系統(tǒng)的排煙速度均以1 m/s為間隔從1 m/s增大到10 m/s，模擬工況介紹見表1。在過(guò)排煙口中心位置設(shè)置了溫度與速度切片(圖2～4)；在排煙口的平面處監(jiān)測(cè)熱流量和CO質(zhì)量流率。根據(jù)模擬結(jié)果可知，模擬70 s之后煙氣充滿防煙分區(qū)且煙氣層相對(duì)穩(wěn)定，將模擬時(shí)間設(shè)定為200 s。環(huán)境溫度的起始溫度為20 ℃。起火間和防煙分區(qū)頂棚、地面和擋煙垂壁的表面均設(shè)置為混凝土。地下車庫(kù)中的環(huán)境壓力為101.325 kPa，環(huán)境中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.232。計(jì)算域中的相對(duì)濕度約為40%[16]。
表1 模擬工況表Table 1 Simulation conditions
FDS中的計(jì)算單元是網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。選擇網(wǎng)格大小的標(biāo)準(zhǔn)就是當(dāng)量火源直徑D*，確定網(wǎng)格是否合理可以通過(guò)火源的當(dāng)量直徑與網(wǎng)格尺寸的比值D*/δx來(lái)判斷，D*的計(jì)算公式如下所示[17]：
(1)
FDS用戶手冊(cè)[18]指出，D*/δx的值在4～16之間時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果較好，經(jīng)計(jì)算得出，火源功率為4 MW時(shí)，火源特征直徑為1.672 m，網(wǎng)格尺寸為0.105～0.418 m。因此，選擇了0.1 m×0.1 m、0.2 m×0.2 m和0.3 m×0.3 m 3種不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行比較。如圖5所示，隨著網(wǎng)格密度的增加，溫度隨高度變化趨勢(shì)大致保持一致。網(wǎng)格尺寸為0.1 m和0.2 m的模擬結(jié)果差別不大，考慮到計(jì)算時(shí)間以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m進(jìn)行模擬。
圖5 不同網(wǎng)格尺寸時(shí)溫度隨高度的變化Figure 5 Variation of temperature with height at different grid sizes
2 結(jié)果與討論
2.1 溫度流場(chǎng)分布
2.1.1 溫度分布
圖6為3種不同朝向的排煙系統(tǒng)在排煙速度為6 m/s時(shí)的溫度流場(chǎng)分布。如圖6所示，因?yàn)橛袚鯚煷贡诘挠绊?，起火間產(chǎn)生的熱煙氣在防煙分區(qū)內(nèi)聚集，自上向下煙氣溫度逐漸降低，煙氣層厚度達(dá)到一定程度后，越過(guò)擋煙垂壁逸出。這和實(shí)際情況的防煙分區(qū)內(nèi)煙氣聚集情況相同。在防煙分區(qū)上部，熱煙氣的最高溫度超過(guò)200 ℃，在防煙分區(qū)的下部區(qū)域，溫度等于環(huán)境溫度。
從側(cè)向開口的排煙系統(tǒng)中(圖6(a))可以看出，排煙口可以排出包括防煙分區(qū)上部的高溫?zé)釤煔夂椭胁康臒釤煔猓遗艧熆谙虏康牡蜏責(zé)煔庖彩艿脚艧熆诘奈Φ挠绊?，有一個(gè)向上的凹陷。
從開口朝下的排煙系統(tǒng)中(圖6(b)、圖6(c))可以看出，當(dāng)排煙口高度較低時(shí)，高溫?zé)煔庖恢贝嬖谟诜罒煼謪^(qū)上部，不會(huì)被排煙口排出，排煙口排出的主要是中部的煙氣。排煙口上方的煙氣受排煙口干擾很小，排煙口下方的煙氣層則受到一定程度的擾動(dòng)。隨著排煙口高度的升高，排煙口吸入的煙氣溫度逐漸升高,同時(shí)，排煙口對(duì)下層的低溫?zé)煔鈱拥母蓴_越來(lái)越小。
從開口朝上的排煙系統(tǒng)中(圖6(d)、圖6(e)、圖6(f))可以看出，當(dāng)排煙口高度較低時(shí)，雖然高溫?zé)煔庠谂艧熆谡戏?，但是由于煙氣層在防煙分區(qū)內(nèi)聚集的較厚，高溫?zé)煔鉄o(wú)法被排出。和開口向下的系統(tǒng)一樣，排煙口排出的主要是中部的煙氣。隨著排煙口高度的升高，排煙口吸入的煙氣溫度逐漸升高；但是，在升高到一定程度后，由于和頂棚之間的距離減小，頂棚和排煙口之間的煙氣流動(dòng)受到限制，排煙口吸入的煙氣包含了排煙口后方的煙氣。
圖6 不同朝向排煙系統(tǒng)溫度流場(chǎng)分布Figure 6 Temperature and flow field distribution of smoke exhaust system in different directions
從溫度分布云圖中可以看出，由于擋煙垂壁對(duì)煙氣有蓄積作用，3種排煙系統(tǒng)的煙氣層厚度均保持在3 m左右。
2.1.2 流場(chǎng)分布
3種排煙系統(tǒng)下的煙氣吸入方式和流場(chǎng)分布有很大的不同。首先就煙氣吸入方式來(lái)說(shuō)，3種排煙系統(tǒng)下的煙氣吸入方式有較大差別;側(cè)向開口排出的是排煙口正前方的煙氣，包括了起火房間直接流出的煙氣和煙氣層卷吸的空氣；排煙口向下排出的煙氣主要是排煙口正下方的煙氣，包括了起火房間直接流出的煙氣和煙氣層卷吸的空氣；排煙口向上排出的煙氣主要是排煙口正上方的煙氣，其中的大部分是起火房間直接流出的煙氣和少量的煙氣層卷吸的空氣。
其次，通過(guò)比較3種排煙系統(tǒng)的流場(chǎng)分布可知，排煙口高度相同時(shí)，向上和側(cè)向開口的排煙系統(tǒng)流場(chǎng)相對(duì)更穩(wěn)定，隨著排煙口高度的增加，向下開口的排煙系統(tǒng)流場(chǎng)也變得相對(duì)穩(wěn)定。
2.2 排熱量
地下車庫(kù)在發(fā)生火災(zāi)后，會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣和熱量，對(duì)3種排煙系統(tǒng)下的排熱量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。
以模擬時(shí)間200 s內(nèi)排出熱量的平均值來(lái)表示機(jī)械排煙口的排熱量。3種排煙系統(tǒng)的排熱量均隨排煙速度的增加而升高。如圖7(a)所示，在排煙口高度相同時(shí)，排煙口的排出熱量從大到小順序?yàn)橄蛏祥_口、側(cè)向開口、向下開口，而且可以通過(guò)向上開口排出熱量-向下開口排出熱量/向上開口排出熱量，計(jì)算出向上開口比向下開口多排出10%左右的熱量。說(shuō)明排煙口同等高度時(shí)，開口向上的排煙系統(tǒng)排熱效果更好。如圖7(b)所示，對(duì)于開口向下的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高明顯增加。如圖7(c)所示，對(duì)于開口向上的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高變化不大，排煙口高度在4.5 m以下時(shí)，排熱量隨著排煙口高度的升高逐漸增大，在高度繼續(xù)增加到4.6 m時(shí)，排熱量比4.5 m高度時(shí)有所減小。
圖7 不同排煙系統(tǒng)下的排熱量Figure 7 Heat exhaust of different smoke exhaust systems
2.3 排煙效率
選用的火源為庚烷，庚烷不完全燃燒反應(yīng)方程式為[19]
C7H16+10.862O2→6.855CO2+7.993H2O+
0.021 4CO+ 0.137 6Soot。
從反應(yīng)方程式得知，庚烷不完全燃燒的產(chǎn)物有CO2、H2O、CO和碳煙粒子，為了減小環(huán)境對(duì)模擬結(jié)果的干擾，選擇測(cè)量排煙口處的CO量進(jìn)行計(jì)算。
排煙效率是衡量火災(zāi)發(fā)生后地下車庫(kù)排煙效果的重要指標(biāo)[19]。將排煙速度為0時(shí)排煙口處的CO濃度作為基準(zhǔn)濃度，排煙效率η定義為實(shí)際排煙時(shí)排出的煙氣量與理想狀況下排出的煙氣量的比值[14]，即
(2)
式中：Vfact為實(shí)際不同排煙速率下排出的煙氣量，m3/s；Videal為理論上應(yīng)該排出的煙氣量，m3/s；Vv為機(jī)械排煙量，m3/s；C0為基準(zhǔn)CO濃度，kg/m3；Ci(i=1,2,…，10)為不同排煙速率下排煙口處的CO濃度，kg/m3。
根據(jù)式(2)計(jì)算出3種排煙系統(tǒng)在不同排煙口高度下的排煙效率隨排煙速率的變化趨勢(shì)如圖8所示。從圖8可知，3種排煙方式的排煙效率均隨排煙速度的增大而下降，隨著排煙口高度的升高，排煙效率有所提高。如圖8(a)所示，在相同高度下，排煙口向下的排煙系統(tǒng)的排煙效率總是小于排煙口向上的排煙系統(tǒng)，而且可以通過(guò)向上開口排煙效率-向下開口排煙效率/向上開口排煙效率，計(jì)算出向上開口比向下開口排煙效率高4%左右；如圖8(b)所示，對(duì)于向上開口的排煙系統(tǒng)，隨著高度的增加，排煙效率呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢(shì)；如圖8(c)所示，對(duì)于向下開口的排煙系統(tǒng)，隨著高度的增加，排煙效率逐漸增加，而且增加的趨勢(shì)逐漸變緩。排煙口高度相同時(shí)，結(jié)合排熱量考慮3種排煙系統(tǒng)的排煙效率從大到小順序?yàn)橄蛏祥_口、側(cè)向開口、向下開口。隨著排煙口高度的增加，向下開口排煙系統(tǒng)的排煙效率會(huì)逐漸超過(guò)側(cè)向開口的排煙系統(tǒng)。
圖8 不同排煙系統(tǒng)下的排煙效率Figure 8 Smoke exhaust efficiency of different smoke exhaust systems
3 結(jié)論
本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地下車庫(kù)火災(zāi)中3種排煙系統(tǒng)的排煙效果進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)排煙口朝向、排煙口高度和排煙速度這些變量對(duì)排煙效果影響進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：
(1)3種排煙系統(tǒng)的排煙效率均隨著排煙速度的增加而下降。在排煙口高度相同時(shí)，從排煙效率和排熱量來(lái)看，排煙口向上的機(jī)械排煙系統(tǒng)相對(duì)于向下的系統(tǒng)在排煙效率上要高4%左右，排熱量要高10%左右，3種排煙系統(tǒng)的排煙效果從大到小順序?yàn)橄蛏祥_口、側(cè)向開口、向下開口。
(2)開口向上的排煙系統(tǒng)，排煙效率先隨著排煙口高度的升高而增大，在增加到4.5 m之后，隨著排煙口高度的升高開始減小。開口向下的排煙系統(tǒng)，排煙效率先隨著排煙口高度的升高而增大，增大的趨勢(shì)逐漸變緩。
(3)開口向下的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高明顯增加，而開口向上的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高變化不大。
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0 引言
近年來(lái)，城市汽車的數(shù)量快速增加，汽車的存放成了一個(gè)交通管理的問(wèn)題，為了減少占地面積，地下車庫(kù)開始普及使用。然而，地下車庫(kù)在極大地解決了汽車存放問(wèn)題的同時(shí)，也帶來(lái)了許多安全問(wèn)題，其中的消防問(wèn)題尤為值得關(guān)注。由于地下車庫(kù)特殊的扁平狀結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生火災(zāi)，有毒和高溫?zé)煔庠跇O短時(shí)間內(nèi)就會(huì)上升到頂棚并快速蔓延至每個(gè)地方，阻礙人員疏散和火災(zāi)撲救[1]。而且車庫(kù)與其上部建筑是一個(gè)相連的整體，一般地下車庫(kù)頂部會(huì)存在大量的梁結(jié)構(gòu)，這些梁結(jié)構(gòu)對(duì)排煙也會(huì)有一定的影響,因此，高效的排煙方式對(duì)于安全疏散非常重要[2]。通常的排煙方式有兩種，一種是自然排煙，另一種是機(jī)械排煙。自然排煙的排煙效率低，還容易受到環(huán)境的影響[3],所以，地下車庫(kù)通常采用機(jī)械排煙的方式排煙。
前人對(duì)于地下車庫(kù)機(jī)械排煙的研究主要是機(jī)械排煙和自然排煙效率的比較以及排煙速度對(duì)排煙效率的影響。趙猛超等[4]利用FDS對(duì)機(jī)械排煙和自然排煙的效率進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在地下車庫(kù)中火源功率較小時(shí)，采用機(jī)械排煙效果好。Ji等[5]做了一系列的燃燒實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究排煙速度和排煙口高度對(duì)機(jī)械排煙效率的影響。結(jié)果表明，排煙口高度的增加或者適當(dāng)減小排煙速度，可以提高排煙效率。周志忠等[6]建立了一種縮尺寸扁平空間模型進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，研究了機(jī)械排煙速度對(duì)排煙效率的影響。結(jié)果表明，排煙速度小于0.3 m/s時(shí)，機(jī)械排煙和自然排煙的效果相差不大；排煙速度為0.3～1.85 m/s時(shí)，排煙效率逐漸升高至85%；再繼續(xù)增加排煙速度，對(duì)排煙效率影響不大。
也有學(xué)者對(duì)排煙口的分布和朝向?qū)ε艧煹挠绊戇M(jìn)行了研究。Hsu等[7]利用FDS進(jìn)行了排煙口布局對(duì)車庫(kù)內(nèi)煙氣流動(dòng)影響的模擬研究。結(jié)果表明，排煙口的有效布局可以有效延長(zhǎng)逃生時(shí)間。張梅紅等[8]利用FDS研究了排煙口朝向?qū)ε艧熜Ч挠绊憽＝Y(jié)果表明，在相同的排煙管道條件下，排煙口朝上開啟更容易排出煙氣。李英等[9]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)排煙口高度以及朝向不同的機(jī)械排煙系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，對(duì)于開口向下的排煙系統(tǒng)，排煙口高度越高，排煙效果越好；側(cè)向開口的系統(tǒng)排煙口高度對(duì)排煙效果影響較小。
對(duì)于地下車庫(kù)排煙，中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中有相關(guān)規(guī)定:有機(jī)械排煙地下車庫(kù)內(nèi)要有防煙分區(qū)的劃分，每一個(gè)防煙分區(qū)面積不宜超過(guò)2 000 m2；在每一個(gè)防煙分區(qū)都應(yīng)該設(shè)置排煙口[10]。雖然規(guī)范中給定了最小排煙量，但并未明確規(guī)定機(jī)械排煙系統(tǒng)中排煙口的朝向?，F(xiàn)在大部分地下車庫(kù)機(jī)械排煙系統(tǒng)使用的是排煙口向下開口，如圖1(a)所示；還有一部分采用側(cè)向開口，如圖1(b)所示；另外很少一部分是向上開口，如圖1(c)所示。
圖1 排煙口不同朝向示意圖Figure 1 Schematic diagram of different orientations of smoke exhaust outlet
本文對(duì)地下車庫(kù)排煙口朝向不同的排煙系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比3種朝向的排煙口在火災(zāi)中的溫度與流場(chǎng)分布、排熱量以及排煙效率，可以給以后地下車庫(kù)的通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。
1 數(shù)值模擬
本文所用模擬軟件為FDS(fire dynamics simulator)，是一款由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的專門用于對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行仿真模擬的火災(zāi)計(jì)算分析軟件[11-12]。已有研究表明[13]，F(xiàn)DS可以準(zhǔn)確地模擬出實(shí)際火災(zāi)發(fā)生后的煙氣流動(dòng)特征，也可以模擬火災(zāi)中的排煙場(chǎng)景。
本文以一個(gè)地下車庫(kù)的某一個(gè)防煙分區(qū)建立模型，如圖2～4所示。模型分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域用來(lái)產(chǎn)生煙氣，即起火間；另一個(gè)區(qū)域起到蓄煙作用，即防煙分區(qū)。之所以采用兩個(gè)區(qū)域是因?yàn)樵谶@樣的情況下，防煙分區(qū)內(nèi)的機(jī)械排煙系統(tǒng)對(duì)火源燃燒的影響可以忽略，保證給防煙分區(qū)提供一個(gè)穩(wěn)定煙氣源[14]。
圖2 排煙口朝下布置示意圖Figure 2 Schematic diagram of downward layout of smoke exhaust outlet
圖3 排煙口側(cè)向布置示意圖Figure 3 Schematic diagram of lateral layout of smoke exhaust outlet
圖4 排煙口朝上布置示意圖Figure 4 Schematic diagram of upward layout of smoke exhaust outlet
該模型的起火間長(zhǎng)8.4 m，寬6 m，高3.4 m，在其前后兩側(cè)底部各有3個(gè)尺寸為1 m×1 m的補(bǔ)氣口，火源位于房間中央，尺寸為1 m×2 m。防煙分區(qū)長(zhǎng)14 m，寬12 m，凈高4.8 m，防煙分區(qū)的左端與起火間相連，右端開口，擋煙垂壁設(shè)置在右端，高度為1.5 m，擋煙垂壁距離右端開口有2 m的距離?；鹪垂β蕿? MW，模擬小汽車發(fā)生火災(zāi)[15]。為了縮短模擬時(shí)間，火源設(shè)置起火即達(dá)到最大設(shè)定功率。3種排煙口大小形狀完全一致，都設(shè)置為0.8 m×0.8 m的正方形排煙口，排煙口始終處于開啟狀態(tài)，排煙口均位于防煙分區(qū)中心。
3種機(jī)械排煙系統(tǒng)的排煙速度均以1 m/s為間隔從1 m/s增大到10 m/s，模擬工況介紹見表1。在過(guò)排煙口中心位置設(shè)置了溫度與速度切片(圖2～4)；在排煙口的平面處監(jiān)測(cè)熱流量和CO質(zhì)量流率。根據(jù)模擬結(jié)果可知，模擬70 s之后煙氣充滿防煙分區(qū)且煙氣層相對(duì)穩(wěn)定，將模擬時(shí)間設(shè)定為200 s。環(huán)境溫度的起始溫度為20 ℃。起火間和防煙分區(qū)頂棚、地面和擋煙垂壁的表面均設(shè)置為混凝土。地下車庫(kù)中的環(huán)境壓力為101.325 kPa，環(huán)境中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.232。計(jì)算域中的相對(duì)濕度約為40%[16]。
表1 模擬工況表Table 1 Simulation conditions
FDS中的計(jì)算單元是網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。選擇網(wǎng)格大小的標(biāo)準(zhǔn)就是當(dāng)量火源直徑D*，確定網(wǎng)格是否合理可以通過(guò)火源的當(dāng)量直徑與網(wǎng)格尺寸的比值D*/δx來(lái)判斷，D*的計(jì)算公式如下所示[17]：
(1)
FDS用戶手冊(cè)[18]指出，D*/δx的值在4～16之間時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果較好，經(jīng)計(jì)算得出，火源功率為4 MW時(shí)，火源特征直徑為1.672 m，網(wǎng)格尺寸為0.105～0.418 m。因此，選擇了0.1 m×0.1 m、0.2 m×0.2 m和0.3 m×0.3 m 3種不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行比較。如圖5所示，隨著網(wǎng)格密度的增加，溫度隨高度變化趨勢(shì)大致保持一致。網(wǎng)格尺寸為0.1 m和0.2 m的模擬結(jié)果差別不大，考慮到計(jì)算時(shí)間以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m進(jìn)行模擬。
圖5 不同網(wǎng)格尺寸時(shí)溫度隨高度的變化Figure 5 Variation of temperature with height at different grid sizes
2 結(jié)果與討論
2.1 溫度流場(chǎng)分布
2.1.1 溫度分布
圖6為3種不同朝向的排煙系統(tǒng)在排煙速度為6 m/s時(shí)的溫度流場(chǎng)分布。如圖6所示，因?yàn)橛袚鯚煷贡诘挠绊?，起火間產(chǎn)生的熱煙氣在防煙分區(qū)內(nèi)聚集，自上向下煙氣溫度逐漸降低，煙氣層厚度達(dá)到一定程度后，越過(guò)擋煙垂壁逸出。這和實(shí)際情況的防煙分區(qū)內(nèi)煙氣聚集情況相同。在防煙分區(qū)上部，熱煙氣的最高溫度超過(guò)200 ℃，在防煙分區(qū)的下部區(qū)域，溫度等于環(huán)境溫度。
從側(cè)向開口的排煙系統(tǒng)中(圖6(a))可以看出，排煙口可以排出包括防煙分區(qū)上部的高溫?zé)釤煔夂椭胁康臒釤煔猓遗艧熆谙虏康牡蜏責(zé)煔庖彩艿脚艧熆诘奈Φ挠绊?，有一個(gè)向上的凹陷。
從開口朝下的排煙系統(tǒng)中(圖6(b)、圖6(c))可以看出，當(dāng)排煙口高度較低時(shí)，高溫?zé)煔庖恢贝嬖谟诜罒煼謪^(qū)上部，不會(huì)被排煙口排出，排煙口排出的主要是中部的煙氣。排煙口上方的煙氣受排煙口干擾很小，排煙口下方的煙氣層則受到一定程度的擾動(dòng)。隨著排煙口高度的升高，排煙口吸入的煙氣溫度逐漸升高,同時(shí)，排煙口對(duì)下層的低溫?zé)煔鈱拥母蓴_越來(lái)越小。
從開口朝上的排煙系統(tǒng)中(圖6(d)、圖6(e)、圖6(f))可以看出，當(dāng)排煙口高度較低時(shí)，雖然高溫?zé)煔庠谂艧熆谡戏?，但是由于煙氣層在防煙分區(qū)內(nèi)聚集的較厚，高溫?zé)煔鉄o(wú)法被排出。和開口向下的系統(tǒng)一樣，排煙口排出的主要是中部的煙氣。隨著排煙口高度的升高，排煙口吸入的煙氣溫度逐漸升高；但是，在升高到一定程度后，由于和頂棚之間的距離減小，頂棚和排煙口之間的煙氣流動(dòng)受到限制，排煙口吸入的煙氣包含了排煙口后方的煙氣。
圖6 不同朝向排煙系統(tǒng)溫度流場(chǎng)分布Figure 6 Temperature and flow field distribution of smoke exhaust system in different directions
從溫度分布云圖中可以看出，由于擋煙垂壁對(duì)煙氣有蓄積作用，3種排煙系統(tǒng)的煙氣層厚度均保持在3 m左右。
2.1.2 流場(chǎng)分布
3種排煙系統(tǒng)下的煙氣吸入方式和流場(chǎng)分布有很大的不同。首先就煙氣吸入方式來(lái)說(shuō)，3種排煙系統(tǒng)下的煙氣吸入方式有較大差別;側(cè)向開口排出的是排煙口正前方的煙氣，包括了起火房間直接流出的煙氣和煙氣層卷吸的空氣；排煙口向下排出的煙氣主要是排煙口正下方的煙氣，包括了起火房間直接流出的煙氣和煙氣層卷吸的空氣；排煙口向上排出的煙氣主要是排煙口正上方的煙氣，其中的大部分是起火房間直接流出的煙氣和少量的煙氣層卷吸的空氣。
其次，通過(guò)比較3種排煙系統(tǒng)的流場(chǎng)分布可知，排煙口高度相同時(shí)，向上和側(cè)向開口的排煙系統(tǒng)流場(chǎng)相對(duì)更穩(wěn)定，隨著排煙口高度的增加，向下開口的排煙系統(tǒng)流場(chǎng)也變得相對(duì)穩(wěn)定。
2.2 排熱量
地下車庫(kù)在發(fā)生火災(zāi)后，會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣和熱量，對(duì)3種排煙系統(tǒng)下的排熱量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。
以模擬時(shí)間200 s內(nèi)排出熱量的平均值來(lái)表示機(jī)械排煙口的排熱量。3種排煙系統(tǒng)的排熱量均隨排煙速度的增加而升高。如圖7(a)所示，在排煙口高度相同時(shí)，排煙口的排出熱量從大到小順序?yàn)橄蛏祥_口、側(cè)向開口、向下開口，而且可以通過(guò)向上開口排出熱量-向下開口排出熱量/向上開口排出熱量，計(jì)算出向上開口比向下開口多排出10%左右的熱量。說(shuō)明排煙口同等高度時(shí)，開口向上的排煙系統(tǒng)排熱效果更好。如圖7(b)所示，對(duì)于開口向下的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高明顯增加。如圖7(c)所示，對(duì)于開口向上的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高變化不大，排煙口高度在4.5 m以下時(shí)，排熱量隨著排煙口高度的升高逐漸增大，在高度繼續(xù)增加到4.6 m時(shí)，排熱量比4.5 m高度時(shí)有所減小。
圖7 不同排煙系統(tǒng)下的排熱量Figure 7 Heat exhaust of different smoke exhaust systems
2.3 排煙效率
選用的火源為庚烷，庚烷不完全燃燒反應(yīng)方程式為[19]
C7H16+10.862O2→6.855CO2+7.993H2O+
0.021 4CO+ 0.137 6Soot。
從反應(yīng)方程式得知，庚烷不完全燃燒的產(chǎn)物有CO2、H2O、CO和碳煙粒子，為了減小環(huán)境對(duì)模擬結(jié)果的干擾，選擇測(cè)量排煙口處的CO量進(jìn)行計(jì)算。
排煙效率是衡量火災(zāi)發(fā)生后地下車庫(kù)排煙效果的重要指標(biāo)[19]。將排煙速度為0時(shí)排煙口處的CO濃度作為基準(zhǔn)濃度，排煙效率η定義為實(shí)際排煙時(shí)排出的煙氣量與理想狀況下排出的煙氣量的比值[14]，即
(2)
式中：Vfact為實(shí)際不同排煙速率下排出的煙氣量，m3/s；Videal為理論上應(yīng)該排出的煙氣量，m3/s；Vv為機(jī)械排煙量，m3/s；C0為基準(zhǔn)CO濃度，kg/m3；Ci(i=1,2,…，10)為不同排煙速率下排煙口處的CO濃度，kg/m3。
根據(jù)式(2)計(jì)算出3種排煙系統(tǒng)在不同排煙口高度下的排煙效率隨排煙速率的變化趨勢(shì)如圖8所示。從圖8可知，3種排煙方式的排煙效率均隨排煙速度的增大而下降，隨著排煙口高度的升高，排煙效率有所提高。如圖8(a)所示，在相同高度下，排煙口向下的排煙系統(tǒng)的排煙效率總是小于排煙口向上的排煙系統(tǒng)，而且可以通過(guò)向上開口排煙效率-向下開口排煙效率/向上開口排煙效率，計(jì)算出向上開口比向下開口排煙效率高4%左右；如圖8(b)所示，對(duì)于向上開口的排煙系統(tǒng)，隨著高度的增加，排煙效率呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢(shì)；如圖8(c)所示，對(duì)于向下開口的排煙系統(tǒng)，隨著高度的增加，排煙效率逐漸增加，而且增加的趨勢(shì)逐漸變緩。排煙口高度相同時(shí)，結(jié)合排熱量考慮3種排煙系統(tǒng)的排煙效率從大到小順序?yàn)橄蛏祥_口、側(cè)向開口、向下開口。隨著排煙口高度的增加，向下開口排煙系統(tǒng)的排煙效率會(huì)逐漸超過(guò)側(cè)向開口的排煙系統(tǒng)。
圖8 不同排煙系統(tǒng)下的排煙效率Figure 8 Smoke exhaust efficiency of different smoke exhaust systems
3 結(jié)論
本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地下車庫(kù)火災(zāi)中3種排煙系統(tǒng)的排煙效果進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)排煙口朝向、排煙口高度和排煙速度這些變量對(duì)排煙效果影響進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：
(1)3種排煙系統(tǒng)的排煙效率均隨著排煙速度的增加而下降。在排煙口高度相同時(shí)，從排煙效率和排熱量來(lái)看，排煙口向上的機(jī)械排煙系統(tǒng)相對(duì)于向下的系統(tǒng)在排煙效率上要高4%左右，排熱量要高10%左右，3種排煙系統(tǒng)的排煙效果從大到小順序?yàn)橄蛏祥_口、側(cè)向開口、向下開口。
(2)開口向上的排煙系統(tǒng)，排煙效率先隨著排煙口高度的升高而增大，在增加到4.5 m之后，隨著排煙口高度的升高開始減小。開口向下的排煙系統(tǒng)，排煙效率先隨著排煙口高度的升高而增大，增大的趨勢(shì)逐漸變緩。
(3)開口向下的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高明顯增加，而開口向上的排煙系統(tǒng)，排熱量隨著排煙口高度的升高變化不大。
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