外界风对建筑中庭自然排烟的影响

陈 霄，谢 妉

(沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳110136)

伴随着我国经济和相关技术的不断发展，中庭正以其庄重美观、视野开阔、环境舒适等特点被越来越多地引入到商业、展览、办公等大型公共建筑内。与此同时，中庭的贯通性也给消防安全设计带来了挑战。统计结果表明，火灾中80%以上死亡者死于烟气的影响。而中庭内通常无法按照常规方法划分防火分区，易导致烟气迅速扩散，使人员遭受高温浓烟威胁，极易引起恐慌和拥挤、踩踏现象，影响人员安全疏散。因此，中庭的排烟设计是中庭类公共建筑消防系统设计的重要组成部分［1，2］。

中庭通常采用的排烟方式有机械排烟和自然排烟。以往中庭通常采用机械排烟方式，并已有人做过相应研究［3－7］。机械排烟初期投资高，而且火灾猛烈发展阶段排烟效果会降低，另外，如今越来越多的中庭由于考虑到美观和采光的要求而采用玻璃顶棚，造成机械排烟设备安装不便。而自然排烟不仅结构简单，而且无动力设备和投资少，因此越来越受到青睐，例如北京大剧院、国家会议中心均采用了自然排烟方式。

影响自然排烟的因素很多，其中建筑外部环境风(简称为“外界风”)是不可忽略的重要因素，而在工程实践中，往往将出口边界条件简化处理为自由边界条件，忽略了外界风对于排烟效果的影响，显然是不尽合理的，需要分析外界风对于自然排烟的影响。本文采用数值模拟的方法，分析了固定风向、不同风速的外界风条件对中庭建筑自然排烟效果的影响，为中庭建筑自然排烟设计提供一定参考。

1 模型参数设置

1.1 基本参数设置

本文采用火灾动力学软件FDS对中庭建筑进行烟气模拟分析。中庭尺寸为40m长(x方向)、24m 宽(y方向)、28m 高(z方向)，模拟设定边界为60m×60m×54m。计算区域网格划分为0.5m ×0.5m ×0.5m，总模拟时间为 600s。火源位于中庭中央，面积为1m2。根据美国NFPA 92B中的建议，未限制可燃物的中庭最小火灾热释放速率为5000kW。火灾增长曲线选用快速t2火，火灾增长期时间为t=327s。

1.2 排烟补风参数

排烟量计算采用产烟量法［8］，经计算后确定排烟口总面积为12.96m2，个数为9个，尺寸为1.2m×1.2m，采取3行3列，顶棚居中布置。在中庭底部南北两侧分别设置尺寸为3.6m×1.8m的自然补风口，240s时排烟口和补风口开启。采取外界自然补风方案，主要分为无风、均匀风、梯度风三种状态，仅在风向与底部开口垂直的情况下，分析外界风对于中庭内部烟气流动分布规律的影响。

实际中，风速通常都是不稳定的外界因素，风速随高度的变化而变化。根据空气运动的角度分析，高度在0～100m的区域内空气流动受涡流、黏性和地面植物以及建筑物等的影响，风向基本不变，但风速大小会随着高度的增加而增大。而这一变化主要取决于地面粗糙度。

式中:υ—高度为h处的风速(m/s);

υ0—基准高度处的风速(m/s);

h0—基准高度，取10m;

p—粗糙度，取 0.4［9］。

不同地面情况的地面粗糙度如表1所示［10］。

本文所研究对象的高度远低于100m，因此处于风速随高度增大而增大的区域。假设研究对象位于城市，且周围有高层建筑，粗糙程度设定为0.4。

表2给出了风速取值的一般范围。由于二级风可以被人感觉到，三级风可以观察到旌旗展开，风速已经相当大。因此，以二级风速1.6m/s～3.3m/s、三级风速3.4m/s～5.4m/s为参考标准，分别取风速为2m/s、5m/s，制定模拟方案如表3所示。

表1 不同地面粗糙度汇总表

表2 风速等级表

表3 不同风速情况汇总表

1.3 测点布置

沿x方向距离火源10m处布置两组热电偶，最低点坐标为(10，12，1)最高点坐标为(10，12，27)，垂直间距为1m，共计54个热电偶。并设置了经过火源的温度、可见度等纵切面，同时设置了排烟口附近的压力和流量切面等，测点布置如图1所示。

图1 模型及排烟口布置示意图

2 模拟结果分析

2.1 不同外界风对于火焰倾斜程度的影响

图2为t=480s时，不同风速条件下x=20m切面上的烟羽流形状。从上图可以看出，场景1中，初始风速为0m/s即无外界风的情况下，在排烟口和补风口开启后，烟羽流基本竖直向上蔓延到达顶棚，一部分由排烟口排至室外，一部分沿两侧墙壁逐渐下降，并卷吸空气使得烟层厚度逐渐增加，但保持对称平稳下降的趋势。

场景2—场景5中，排烟口和补风口开启后，单侧外界风造成火羽流发生不同程度的倾斜，风速越大，发生的倾斜角度越大。针对于均匀风来看，场景2中，羽流倾斜角度在20～30°左右，场景3中，羽流倾斜角度在70～80°左右，并且火羽流几乎被吹倒，贴近地面，烟羽流半径被拉长了3m左右。针对于梯度风来看，在火灾初期，火羽流从连续火焰处便开始发生倾斜。场景4中，火羽流倾斜较小角度;场景5中，火羽流倾斜角度很大。

横向比较发现，同一时刻，均匀风造成的烟羽流倾斜角度比梯度风稍大，原因可能是均匀风在补风口附近的风速比梯度风大，对烟羽流的扰动较大。模拟中还发现，场景3和场景5中，中庭上方的烟羽流因风速过大而呈现不规则的跳动。

图2 不同风速条件下烟羽流形状

2.2 不同外界风对于排烟口附近压力的影响

从X=20m处的压力切面来看，在燃烧后期，由于风速条件不同，造成室内压力分布有所不同。场景1中，即在无风条件下，室内压力分布随高度增加而增加，到顶棚附近压力最大，并且同一高度压力基本相同。场景2和场景4中，即外界风速为2m/s时，压力随高度增加而增加，与无风状态下相差不大，不同的是，背风面靠近顶棚处压力稍大于相同高度处周围其他位置;而背风面在中庭1/2高度处附近压力稍小于相同高度周围其他位置。另外，梯度风与均匀风相比，梯度风在补风口附近形成负压漩涡，对补风造成影响。场景3和场景5中，即外界风为5m/s时，室内压力仍随高度增加而增加，与场景1、场景2和场景4相比，同一高度处压力较大。即风速越大，同一时刻同一高度处的压力越小。横向比较发现，梯度风条件下的顶棚压力小于均匀风条件，但在补风口附近同样形成负压漩涡。

2.3 不同外界风对于烟气温度的影响

从图2可看出，无风状态下，火源附近最大温度低于有风状态，火灾和初期，火源附近最大温度的变化不大，主要变化发生在火灾中后期，随着风速的增加，火源附近的温度明显下降。

图3 X=20m切面处，不同风速条件下压力分布图

图4 不同时刻、不同外界风、不同高度处的测点温度分布比较

从测点温度测点值来看，燃烧的初始阶段(60s内)，由于补风口排烟口均未开启，不同场景测点温度基本保持不变。补风口开启后，风速对于不同高度处的温度变化有了明显的影响。

某高度以下，风速越大，测点温度值越高;某高度以上，风速越大测点温度值越低。即温度大小随高度变化的变化率随风速增加而减小。例如，420s时，高度为4m处，场景1、场景2、场景3对应的温度分别为 20.19°、26.65°、27.39°;而高度为20m处，三个场景对应的温度分别为38.49°、37.00°、33.80°。场景 4 和场景 5 中，不同梯度风速之间存在相似规律。说明在高度较低的位置，外界风助长了火势，同时使得卷入烟气中的空气量增加，造成较高位置的烟气温度有所下降。

场景2与场景4、场景3与场景5对比发现，在高度较低处，场景4同一高度测点温度高于场景2，同理，场景5测点温度高于场景3。在高度大于某一值时，场景4和场景5的测点温度分别略小于场景2和场景3。

540s时，场景3和场景5的测定温度值相差不大，说明不同形式的风主要影响较低位置的烟气温度分布，对于较高位置的烟气温度分布影响不太大。

2.4 不同外界风对于烟气高度的影响

图5为根据N—百分比法［11］计算得到的不同补风速度下烟气层高度随时间的变化。从图中可以看出，随着燃烧的进行，烟气层高度逐渐下降，无风的情况下，300s以后，烟气层下降缓慢，有外界风存在时，烟气层下降速度加快，且风速越大，烟气层下降的越快。风速较大的梯度风(场景5)对于烟气层的扰动较大。

图5 不同场景中烟气层高度随时间的变化

2.5 不同外界风对于排烟口处烟气流量的影响

在无风及风速较低的情况下，观察各排烟口流量发现:位于墙角处的排烟口流量较大，排烟口编号为fp303、fp103、fp1和fp3;位于墙边处的排烟口流量适中，排烟口编号为fp302、fp102、fp2和fp203;位于火源上方的排烟口流量较小，排烟口编号为fp202，且三种类型的排烟口流量区分较明显。较大风速的梯度风(场景5)对于迎风侧排烟口流量的扰动很大。

图6 排烟口流量随时间变化的对比

从9个排烟口总流量来看，2m/s均匀风对排烟口总流量基本没有影响，2m/s梯度风使得排烟口总流量略有增加，而5m/s的外界风造成排烟口总流量下降。原因是风速大，使得烟气温度降低，上升的热浮力减小，风压造成排烟口附近产生负压，但是综合产生的压力差小于无风情况下的压差，由于自然排烟主要靠热浮力和室外风压为动力，所以排烟口流量减少。

从单个排烟口的最大流量来分析，排烟口最大流量随着风速的增加而降低。以排烟流量最大排烟口(fp303)为例，无风及轻风条件(场景1、场景2和场景4)下，最大排烟流量为8m3/s以上，微风条件(场景3)下，最大排烟流量为6m3/s～7m3/s。

2m/s的风速使背风侧边墙排烟口(fp302)流量随时间的变化率增大，且梯度风的变化率更大;5m/s的风速使背风侧边墙排烟口(fp302)流量随时间的变化率减小，且梯度风的变化率改变更大。2m/s的风速使迎风侧排烟口(fp102)流量随时间的变化率稍大于无风的情况，而5m/s的风速使其流量相对于时间的变化率减小，5m/s梯度风使得该排烟口在400s后流量随时间减小。

2.6 排烟的情况

通过观察发现，在5种场景条件下，高度为2m的平面上，除背风侧补风口附近外，其余区域在600s内能见度均高于10m，温度均高于60℃。

3 结论

通过模拟和分析，得出以下初步结论:

(1)从补风对于火焰倾斜度的影响来看，单侧外界风均会造成火羽流发生不同程度的倾斜。风速越大，发生的倾斜角度越大;同一时刻，均匀风造成的烟羽流倾斜角度比梯度风稍大。

(2)在无风条件下，室内压力分布随高度增加而增加，并且同一高度压力基本相同;风速越大，同一时刻相同高度处的压力越小;梯度风条件下的顶棚压力小于均匀风条件，并在补风口附近形成负压漩涡。

(3)从补风对于温度的影响来看，风速越大，火源附近的温度明显下降。中庭烟气温度大小相对于高度的变化率随风速增加而减小。不同形式的风主要影响较低位置的烟气温度分布，梯度风条件下测点温度高于均匀风的情况。

(4)外界风使得烟气层下降速度加快，且风速越大，烟气层下降得越快。

(5)外界风对排烟口流量的影响，从单个排烟口的最大流量来分析，排烟口最大流量随着风速的增加而降低。从全部排烟口总流量来看，2m/s均匀风对排烟口总流量基本没有影响，2m/s梯度风使得排烟口总流量略有增加，而5m/s的外界风造成排烟口总流量下降。从排烟口位置来分析，5m/s梯度风使得迎风侧排烟口流量明显降低，风速越大对烟气的扰动越剧烈。

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