中庭类建筑火灾烟气流动的数值模拟

王 丹， 吴 强， 刘佳佳

(黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 150027)

中庭类建筑火灾烟气流动的数值模拟

王 丹， 吴 强， 刘佳佳

(黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 150027)

火灾场景烟气流动与控制数值模拟是性能化消防设计的关键。借助Fluent软件，考虑烟气产生量、烟气排放量两因素，设计两种中庭类建筑火灾场景，并建立数值模型。模型边界条件为:环境温度20℃，排烟口速度分别为15.741、11.111 m/s，补风口速度1.107 m/s。模拟结果表明:在火灾发生300、900 s时，两种场景在6 m处的温度场小于60℃，CO质量分数小于0.15%; 900 s时烟层沉降高度分别为14.0和11.5 m，三者均符合性能化评定标准。该研究对中庭烟气控制系统的工程设计具有实用价值。

中庭类建筑;火灾烟气;温度场;CO含量;烟层高度;数值模拟

随着我国社会经济的不断发展，中庭类高层建筑越来越多，已经发展成为城市的新标志。这些建筑虽然给城市增加了亮丽的风景，但也增加了建筑消防的难度。现代建筑的构成要素各不相同，传统消防设计规范已不适用，从而产生了“性能化”为基础的防灭火设计方法。

性能化消防设计是运用消防安全工程学的方法和原理对随机建筑的综合消防性能进行评定，设计出特定的符合现场实际情况的消防安全系统模式，以实现在发生火灾时，保障建筑物内的人员生命、财产安全的最终目标。

在进行性能化消防设计时，首先分析火灾本身发生、蔓延和发展的规律，结合以往火灾中累积的经验和方法，对可能引起建筑物火灾的危险源进行预先性计算和分析，从而确定研究对象的消防安全指标和性能指标;其次结合数值模拟软件对起火的因素和火灾现场、火灾烟气蔓延途径进行数值模拟，制定出符合现场实际情况的消防安全措施;最后对制定出的消防安全设计方案进行评估，以确保达到消防安全目标［1］。性能化消防设计的关键是根据设计火灾场景进行烟气控制与流动的模拟。笔者根据计算机流体力学(CFD)的基本理论，建立火灾场景下气体流动模型的基本方程，在确定模型边界条件的基础上，利用Fluent软件进行数值模拟。

1 边界条件

进行中庭类建筑内火灾场景下烟气流动数值模拟时，需考虑烟气的产生量、防排烟设置、火灾场景、模拟边界条件等因素。

1.1 烟气产生量

火灾烟气的发展及蔓延受到许多危险因素的影响，在建筑空间和火灾规模确定的情况下，烟气生成量主要取决于烟羽流的质量流量。烟羽流的质量流量是由燃烧所需的空气量、可燃物的质量损失速率及上升时卷吸的空气量三部分组成的。在可燃物的质量损失速率和燃烧所需的空气量确定的条件下，烟羽流的质量流量主要取决于烟羽流在烟层高度处的质量流量［2］。文中对火源位于中庭中心处的场景的排烟量进行定量分析，主要研究轴对称烟羽流，如图1所示。

图1 烟羽流图(轴对称)Fig.1 Plume flow diagram(axsymmetric)

根据设计规范NFPA 92B［3］，当烟层高度(h)不小于平均火焰高度(h1)时，对称烟羽流的质量流量计算方程为

式中:qm——烟羽流的质量流量，kg/s;

Qc——对流热释放速率，Qc=0.7Q，kW/m2;

Q——火源热释放速率，kW/m2;

h0——虚点火源的高度，除池火外，其他形式

火源h0=0，m。［4］

羽流体积流量计算方程为

式中:qV——烟羽流的体积流量，m3/s;

ρ0——场景中空气的密度，取1.2 kg/m3;

例如，在学习关注心血管疾病的相关知识时，教师可以将心血管疾病的并发原因向学生进行说明，当然在生活中有很多的并发原因都是因为不当的饮食和生活习惯造成的，所以教师有必要针对生物知识进行深入地讲解，进而引导学生在日常生活中，培养学生养成正确健康的饮食和生活习惯，避免疾病的发生。

θ0——环境温度，℃;

c——比热容，取1.01 J/(kg·K)。

1.2 烟气排烟量

现阶段，国内外常用的防排烟系统的排烟方式有自然排烟方式、机械排烟方式、加压送风方式三种。文中采用机械排烟方式。

根据GB 50045—95《高层民用建筑设计防火规范》的规定，如果中庭的体积小于17 000 m3时，排烟量(Q1)按照中庭体积的6次/h换气计算;如果体积大于17 000 m3时，排烟量按照中庭体积的4次/h换气计算，排烟量不得低于102 000 m3/h［5］。

1.3 火灾场景

根据克劳特的建议，燃料受限的大空间中，热释放速率可取225 kW/m2;如果可燃物较多时，热释放速率可取500 kW/m2［6］。文中火灾荷载可燃物较多，所以热释放速率可取500 kW/m2。火灾设定为稳态火，火灾区域位于中庭中心部位，火源面积3 m× 3 m，最大放热量4 500 kW。

根据现场空间的实际情况，设计两个火灾场景。方案一、二的排烟风机均匀设置在中庭的顶部位置;补风口均采取自然补风的方式，文中假设两个自然补风口位于卷帘处［7］。模拟场景具体方案设计如表1所示，其中，P为风机功率，Q2为风量，n为排烟口数量。

表1 中庭类烟控系统方案Table 1 Scheme of smoke control system of atrium

1.4 模拟边界条件

数值模拟结果与实际情况是否相似的关键在于模拟边界条件的设定。结合现场实际设置边界条件，见表2，其中，vp为排烟口速度，vb为补风口速度。

表2 模拟的边界条件Table 2 Simulation of boundary conditions

2 数值模型及评定标准

2.1 数值模型

利用Fluent软件中的Gambit进行建模。中庭类大型商业广场的内部建筑结构均非常复杂，因此文中将较为复杂的商业广场(图2a)简化为简单的立体模型(图2b)。

图2 方案模型Fig.2 Physical model of case

2.2 评定标准

我国目前还没有性能化防火的具体规范，所以对模拟结果的评估标准尚无确切规定，笔者结合国外的性能化规范得出性能判定标准［8］:

(1)空间温度。大于2 m空间内的烟气温度θ≤180℃;小于或等于2 m空间内的烟气温度θ≤60℃，能见度大于10 m。

(2)CO含量。火灾发生的最初阶段w(CO)≤0.20%;前6 min内w(CO)≤0.15%;前15 min内w(CO)≤0.08%。一般采用w(CO)＜0.15%为判定标准。

(3)烟层沉降高度。三维商业广场中庭主要是作为大卖场促销场所，同时该中庭在二楼两侧扶梯处有休息区，当火灾发生时，为了防止烟气层沉降到休息区内及安全疏散高度以下影响人员疏散，保守地将烟气层高度设定6 m，即一层高度4 m与二层高度2 m之和。

3 结果分析

3.1 烟气温度

方案一和方案二在火灾发生300、900 s时的烟气层温度场分布如图3所示(取中庭中心处截面)。当火灾发生300 s时，方案一和方案二的烟层比较稀薄，没有出现明显的烟气层，6 m处温度均在23～25℃之间;900 s时，烟气层高度6 m处，方案一平均温度为28℃，方案二平均温度为31℃。两种方案在6 m处的温度均小于60℃，符合性能化判定标准。

图3 温度场分布Fig.3 Temperature field distribution

3.2 CO量

方案一和方案二在火灾发生300、900 s时CO含量分布情况如图4所示(取中庭中心处截面)。

图4 CO含量的分布Fig.4 CO concentration distribution

当火灾发生300 s时，方案一和方案二产生的CO量接近;900 s时，烟气层高度6 m处，方案一CO质量分数为0.008 5%，方案二CO质量分数为0.011 5%。两种方案的CO质量分数均小于0.15%，符合性能化判定标准。

3.3 烟层沉降高度

根据方案一和方案二的温度、CO含量分布可以得到烟气层随时间的沉降情况，如图5所示。

图5 烟气层高度发展曲线Fig.5 Smoke height development in graph with two scheme

从图5可以看到，在火灾发生初期(200 s之内)烟气层高度基本没有沉降;随着火灾发生时间的继续增长，热烟气充满中庭的上部空间，导致烟气层高度随着时间的增加而不断下降。模拟结束时，方案一和方案二的烟气层与中庭地面的高度分别为14.0、11.5 m。从模拟的数据来看，在900 s时方案一和方案二的烟气层高度均符合评定标准。

以上分析表明:方案一和方案二在温度场、CO含量分布及烟气层高度三个方面均符合性能化消防设计的判断标准，方案一和方案二的安全性较为接近，这说明排烟量为170 000和120 000 m3/h的烟控系统排烟效果相差不明显，也就是说排烟量不可无限制的增大，这样会造成无谓的经济投入。

4 结束语

利用Fluent软件对不同火灾场景下的烟气流动情况进行数值模拟，结果表明，在模拟过程中所设计的防排烟系统情境下，火灾温度、CO含量以及烟气层沉降高度均符合性能化消防设计标准。根据确切建筑物的空间特点进行消防设计，既达到安全目标又尽可能的经济，优化了中庭类建筑火灾烟控系统的设计，对工程设计具有参考价值。但是，实际火灾发生过程千变万化，其影响因素多种多样，数学模型只能对实际物理现象进行近似描述。该研究尚存在不足之处，即数学模型中对燃烧过程进行了简化处理，后续工作应着眼于如何真实模拟、再现火灾场景，进一步完善现有火灾烟气流动模型，为火灾模型从学术领域推广应用于工程设计领域奠定基础。

［1］霍 然，袁宏永.性能化建筑防火分析与设计［M］.合肥:安徽科学技术出版社，2003:67－71.

［2］RICHARD L P CUSTER，BRIAN J，MEACHAM P H D.SFPE engineering guide to performance-based fire protection analysis and design of buildings［C］.USA:National Fire Protection Association，2000.

［3］胡隆华，霍 然，李元洲.澳大利亚性能化防火设计规范的结构特点浅析及启发［J］.消防科学与技术，2002(3):18－20，25.

［4］NFPA.NFPA 92B Guide for smoke management system in malls，atria and large areas［S］.［S.l.］:National Fire Protection Association，1995.

［5］中华人民共和国公安部.GB 50045—95高层民用建筑设计防火规范［S］.北京:中国计划出版社，2005.

［6］JOHN H K.New developments in atrium smoke management［J］.Ashrae Transactions，2000，106(1):620－626.

［7］韩占中，王 敬，兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2008:198－213.

［8］公安部消防局，公安部天津消防研究所.GA 503—2004建筑消防设施检测技术规程［S］.北京:中国计划出版社，2004.

Numerical simulation of smoke movement in fires on atrium buildings

WANG Dan，WU Qiang，LIU Jiajia
(College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Numerical simulation of smoke movement and control in fires is a key for performancebased fire safety design.In consideration of the output and discharge of smoke，two fire scenes of buildings with atrium are designed and a numerical model is established with the help of Fluent software.The terminal conditions of the model include:ambient temperature is 20℃，the speed of smoke vent is 15.741 m/s and 11.111 m/s respectively，and the speed of wind compensating vent is 1.107 m/s.As a result:when fires have been on for 300 s and 900 s，the temperature field of the two scenes is lower than 60℃ at the height of 6 m，the mass fraction of CO is less than 0.15%;at 900 s，the smoke layer interface height is 14.0 m and 11.5 m respectively.All the three values meet performance standard.This research has practical value for engineering designs of smoke management system in atrium.

atrium buildings;fire smoke;temperature field;CO content;smoke height;numerical simulation

TU972.4

A

1671－0118(2012)02－0207－04

2012－02－24

国家自然科学基金项目(50476033);河南省杰出人才创新基金项目(0421000800)

王 丹(1985－)，女，河南省焦作人，助教，硕士，研究方向:火灾防治理论与技术、安全评价，E-mail:wangyiran85@163.com。

(编辑荀海鑫)