高层建筑走廊防排烟方式的数值模拟分析*

2010-06-12刘秀玉

山西建筑 2010年27期

刘秀玉戴圣

0 引言

高层建筑因其结构复杂,人员密度大,可燃物较多,火灾正成为建筑最大的安全隐患。火灾产生的烟气具有毒性,易使人窒息死亡。国内外大量火灾实例统计表明,因火灾造成的伤亡者中,受烟害直接致死的约占1/3～2/3。由于火灾烟气的极大危害性,建筑物的防排烟设计成为建筑设计和消防工作人员十分关注的问题[1]。建筑的防排烟主要有三种方式:自然排烟,机械防烟,机械排烟。笔者通过数值模拟的方法,比较了三种排烟方式下的烟气扩散特点,为建筑的防排烟设计提供理论依据。

1 物理模型

该模型为某高层办公楼,共15层,建筑长、宽、高分别为30 m,13 m和47 m,单室进深5 m。本文选取的计算区域为该写字楼的第10层,走廊宽度为2.5 m,高度为3 m,走廊的两端为常开窗户。火源位于走廊东侧尽头的一房间,根据DGJ 08-88-2006上海市建筑防排烟技术规程,火灾功率设1.5 MW。楼梯间在走廊中部,前室设有机械送风系统。排烟口尺寸为1000mm×800mm。

2 数学模型

火灾发生后,烟气在建筑内部进行的流动是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则运动。烟气的流动遵循着能量质量的守恒定律,即:能量方程、动量方程、连续性方程和组分方程。这些方程的通用形式为:

其中,四项分别为时间项,对流项,扩散项和源项;φ为通用变量;Γ为扩散系数[2]。

3 模拟方案

目前我国高层建筑的防排烟方式主要有自然排烟、机械防烟、机械排烟三种,为了探讨不同烟气控制模式下的烟气流动形态,确定三种防排烟各自的优缺点,拟采用的烟气控制方式有以下三种:

1)自然通风下的建筑内部烟气流动情况,不设置机械防排烟系统。

2)在楼梯间前室设置正压送风系统。

3)在走廊设置机械排烟口,楼梯间前室设置正压送风系统。

4 边界条件

4.1 入口边界条件

模拟中,考虑到自然排烟条件下,室外风速风向对烟气排出有很大的影响。火灾发生房间的窗口设为速度入口。入口处的

风速由下式计算[3]:

4.2 出口边界条件

走廊的窗户设置为压力出口条件,机械排烟口设置为风机出口,在出口处加一个压力跃升。

4.3 壁面函数

对于壁面速度分量(u,v,w)均采用无滑移边界条件。对于能量方程,围护结构传热按一维传热处理,且采用定外壁面温度条件,即壁面温度不变,壁面的热流量为0,即是绝热壁面。假定固定壁面烟流不可渗透,即在壁面处扩散通量为0的边界条件。

4.4 火源

本文的火源模拟采用体积热源法,在gambit建模时设置一独立的立方体作为火源,在fluent中采用UDF编程给火源增加能量源项和质量源项。在真实条件下,火源的燃烧不会立即达到稳定燃烧的最大释热速率,通常被看做是时间的函数。本文中火源的释热由以下公式计算[4]:

其中,Q为火源放热量,kW;a为火源释热增长系数,kW/s2,设计取值0.047。

4.5 烟气

本文重点讨论火灾发生后,不同烟气的控制方式下烟气流动的特性。所以,在模拟中,不考虑可燃物燃烧生成的各种有毒气体,而是假设火焰完全燃烧,生成的产物为CO2,其生成量的计算符合耗氧原理,即每生成1.32×107的热量,就有1 kg的氧气被消耗[5]。通过氧气的消耗量,进而求出CO2的产生量。

5 模拟结果及分析

5.1 自然排烟

从自然排烟下的烟气扩散图中可以看出,火灾发生60 s后,烟气已经从火灾发生的房间里蔓延至走廊上,并在走廊顶部聚集。120 s时,火灾烟气已经从走廊蔓延至楼梯间前室附近。180 s时,火灾产生的烟气已经侵入楼梯间前室,并有少量烟气进入了楼梯间。至火灾发生后240 s,烟气已经充满楼梯间。

5.2 楼梯间加压送风

在楼梯间前室设置机械送风口,并使前室相对于走廊保持25 Pa的正压。在火灾发生后,建筑内部的烟气分布情况如图1所示。

从图1中可以看出,在火灾发生后120 s,烟气到达楼梯间处,但由于前室的机械加压送风系统的作用,烟气未能进入前室内。至180 s,有少量烟气进入前室,240 s时,烟气进入楼梯间,但楼梯间烟气浓度维持在一个较低的水平。相对于自然排烟,在楼梯间前室设置加压送风系统后,烟气进入前室的时间得到了很大的延迟。在大量室外新风作用下,即使烟气侵入前室后,整个楼梯间温度上升的较为缓慢,且最高温度相对于自然排烟下的楼梯间温度低了约60℃。但此时楼梯间的温度较高,高温烟气的存在,对人员的逃生仍然造成很大危害。

5.3 楼梯间加压送风和走廊机械排风联合作用

在楼梯间前室设置机械送风口,使前室相对于走廊保持25 Pa的正压。在走廊东侧顶部设置机械排烟口。排烟风机排烟量为7200 m3/h。

从图2中可以看出,火灾发生后60 s由于产生的烟气还比较少,走廊顶部排烟系统开始运行后,走廊基本没有烟气。在120 s时,由于排烟系统工作后形成的负压,致使排烟风机附近2 m范围内,烟气沉积大于走廊其他部位。若排烟口设置在楼梯间前室处,那么造成的负压会使前室门口沉积大量的烟气,阻碍人员的逃生。这也印证了《高规》上“排烟口与附近安全出口沿走道方向最小水平距离不应小于1.5 m”的条例。180 s,烟气在前室附近走廊内继续聚积,仍然未能进入前室。240 s,烟气少量进入前室。火灾发生240 s时,前室的最高温度只有45℃,而楼梯间温度在41℃左右。在此温度下,逃生人员能够忍受。从图3中可以看出,240 s时前室的最大烟气浓度约为0.08,而楼梯间的烟气浓度在0.06左右。火灾中CO2体积分数达到3%时对人体造成较大伤害[6],即CO2质量分数小于0.046时为安全状态。此时楼梯间内的温度和烟气浓度,对逃生人员的生命安全不会造成伤害。