防护工程水帘柜消烟策略模拟研究

茅靳丰邓忠凯毛维周进邢哲理余南田

1解放军理工大学国防工程学院 2总参工程兵第四设计研究院 3军委后勤保障部建筑规划设计研究院

0 引言

防护工程是一种相对封闭的地下空间，遇袭、工程内部线路老化或人员偶然因素都可能引起火灾。统计表明，高温烟气是火灾中最致命的因素，特别是地下火灾，燃烧不完全将释放出更多的有毒气体[1-2]。现如今，对通风条件差的相对封闭空间烟气消除技术主要有：机械排烟[3-5]、静电消烟[6-8]、水幕消烟[9-10]和多种防排烟措施联合运行等。但防护工程由于结构特点及伪装要求不可对外设置排烟口；而静电消烟不能消除有毒气体和降低火场温度，且在火场用高压进行静电消烟，会对消防和被困人员的生命造成威胁；其次，消防水幕耗水量大，工程排水困难，水渍污染严重，故水幕消烟在防护工程中也不适用。因此，针对防护工程特点，若能研发一种消烟系统将火灾烟气在工程内部消除，将有利于保障工程内部人员安全，提升工程防护能力。

基于以上考虑，课题组[]提出用水帘柜对地下工程相对封闭空间火灾烟气进行消除净化。在前期研究的基础上，利用火灾动力学软件Fire Dynamics Simulator（FDS）模拟火场温度和能见度变化情况，综合考虑高温烟气对人员安全逃生的影响，确定水帘柜消烟系统在防护工程中的应用策略。

1 数理模型

国内外众多学者利用FDS对火灾温度场、速度场和压力场进行了大量的验证和研究，尤其是地下工程火灾烟气的消除[12-14]。FDS对于热驱动流动的Navier-Stokes方程进行了数值求解，它包括DNS模型和LES模型[15]，本研究选择广泛应用于火灾烟气流动行为研究的LES模型。

1.1 数学模型

通过滤波函数对动量和能量方程进行处理，得到负责大尺度运动的紊流涡旋，进而得出大尺度运动的动量和能量传递方程[15]。

连续性方程：

动量方程：

能量守恒方程：

湍流粘度通过假设小尺度运动的能量产生和耗散相平衡得出。对于亚网格尺度的耗散过程采用Smgaorinsky亚格子尺度模型进行模拟，Smgaorinsky亚格子模型对湍流粘性的考虑为：

式中：Δ=(δxδyδz)1/3；Cs为 Smgaorinsky 常数，其值与流动有关，建议取值0.1～0.25。

1.2 物理模型

防护工程处于隔绝通风状态时，一旦发生火灾，将防火分区封闭，避免火灾烟气在工程内部大面积蔓延，内部人员向避难室疏散。本文为简化烟气净化过程，将水帘柜消烟系统简化成多个消烟口和一个出风口，消烟口沿走廊均匀布置。火灾发生时，烟气通过管道送入消烟室进行处理，净化后的气体经出风口排到工程内。

以某防护工程的防火分区为研究对象，如图1所示。该防火分区共500 m2，走廊长50 m，宽2 m，高3 m，沿走廊两侧分布功能不同的办公房间，各房间门开启，避难室靠近走廊端部。火源位于靠近走廊中部的房间，选用欧洲标准火——庚烷火[16]，模型为快速增长t2火模型，最大热释放速率为6 MW[17]。设置水帘柜启动时间为火灾发生后60 s，本文中不考虑消烟口和出风口大小对烟气扩散的影响，假设其尺寸均为0.5 m×0.5 m。

图1 水帘柜消烟系统示意图

1.3 测点布置

在消烟净化过程中，烟气层应始终保持在一定高度，保证人员不会从烟气中穿过或受到热辐射威胁。取人眼特征高度处的烟气特征参数为研究对象，沿走廊每隔5 m布置一个测点，共9个测点，同时监测走廊中间温度分布云图。

2 模拟结果

目前国际公认的火灾中人员安全疏散判据是：火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间（Available Safe Egress Time,ASET）必须大于火灾发生后人员疏散到安全地点所用的时间（Required Safe Egress Time,RSET），即：ASET>RSET[18]。环境耐受极限是指火灾时烟气特征参数（能见度和温度）不超过人员安全逃生阈值。根据前人研究[19,20]，对建筑熟悉的疏散者在安全疏散时所需的能见度为4 m；火场中呼吸过热的空气会导致热冲击和呼吸道灼伤，一般认为可吸入空气温度不高于60℃才是安全的。

考虑消烟风量Q和消烟口个数N对烟气扩散的影响，并以RSET时间内走廊人眼特征高度处的烟气特征参数为依据判断消烟净化效率，确定最佳设计风量和消烟口个数。

2.1 消烟风量对温度能见度影响

对于上述防火分区，考虑沿走廊均匀布置三个消烟口（位置为12.5 m，25 m和37.5 m），消烟风量Q分别为 10800 m3/h、12900 m3/h、15000 m3/h、17400 m3/h 和21600 m3/h时对走廊中间烟气特征参数的影响。

2.1.1 烟气特征参数影响

图2给出了RSET时间内不同消烟风量下走廊中间的温度分布云图，黑色线为T=60℃温度安全阈值线。从图中可知，不同消烟风量下，沿走廊温度分布呈明显的热分层。对比分析不同风量时温度安全阈值线高度，可以发现消烟风量越大，安全阈值线高度越高，主要因为消烟风量越大，经水帘柜净化的烟气量越大，对烟气沉降具有更好的控制效果，故烟气层厚度越薄，走廊平均温度越低。图2（a）给出了无消烟措施情况下走廊烟气自然填充时的温度云图，对比分析有水帘柜消烟净化时的温度云图可知：水帘柜消烟时的烟气层沉降速度均慢于无消烟措施时烟气沉降速度。由图 2（f）可知，当消烟风量过大（Q=21600 m3/h）时，靠近消烟室走廊温度较低，主要由于水帘柜出风口风速较大，消烟室与消烟口1距离较近，经水帘柜处理后排出的冷却空气出现气流短路现象；而消烟风速较大也导致走廊右侧消烟口3处发生烟气层吸穿现象。

图3给出了不同工况下RSET时间内各测点温度沿走廊变化曲线。由图可知，靠近着火房间走廊温度最高，从着火房间向走廊两侧温度逐渐降低，着火房间左侧走廊温降大于右侧，主要由于消烟口消烟和出风口空气冷却的共同作用；右侧走廊温度较高是因为走廊左侧水帘柜出风口空气排出加速了顶棚烟气射流向走廊右端的扩散速率，同时诱导从着火房间溢出的高温烟气流向走廊右侧，导致该侧烟气层厚度增加，温度升高。对比分析走廊各测点温度与安全阈值温度可知，当消烟风量Q不小于17400 m3/h时，走廊温度满足人员安全逃生要求。

图2 走廊烟气温度分布云图

图3 各测点温度沿走廊变化曲线

图4给出了不同工况下RSET时间内各测点能见度沿走廊变化曲线。由图可知，无消烟措施时走廊各处能见度较差，不能满足人员安全逃生要求。当消烟风量较小时（Q=10800 m3/h），走廊各处能见度较低，且在着火房间右侧能见度接近安全阈值，人员疏散存在危险性，而当风量Q不小于17400 m3/h，在走廊各处能见度满足人员疏散要求。走廊左侧消烟口1附近能见度较低，主要由于出风口空气和烟气射流前锋在此处相遇，而出风口风速较大，射流前锋烟气回流，且烟气在回流过程中卷吸大量的冷空气同时与周围壁面换热导致温度降低，烟气层下降，故能见度降低。当消烟风量Q=21600 m3/h时，消烟口消烟风速较大发生烟气层吸穿现象，故着火房间右侧走廊能见度大于左侧。

图4 各测点能见度沿走廊变化曲线

2.2 消烟口个数对温度能见度影响

图5给出了消烟风量为Q=17400 m3/h，消烟口个数N=2、3和4时走廊中间温度云图。由图可知，当消烟口个数N=3时，走廊温度安全阈值线高度最高，即水帘柜消烟净化效果最好。当N=4时，走廊烟气层温度比N=2时高，主要由于消烟口风速较小，消烟效率较低导致。当N=2时，消烟口风速较大，左侧和右侧消烟口均发生烟气层吸穿现象，消烟效率低，水帘柜处理烟气量少，故消烟效果差。

图5 走廊烟气温分布度云图

图6 各测点温度沿走廊变化曲线

图6给出了不同消烟口个数情况下RSET时间内各测点温度沿走廊变化曲线。由图可知，当N=3时走廊各测点温度最低，除靠近着火房间测点外，其余各测点均低于温度安全阈值，消烟效果好，有利于人员逃生。当N=4时，走廊左侧温度低于N=2，但右侧温度高于N=2，且右侧部分测点温度超过或接近温度安全阈值，消烟效果差，不利于人员安全逃生。

图7给出了不同消烟口个数情况下RSET时间内各测点能见度沿走廊变化曲线。由图可知，当N=2时，走廊平均能见度最差；出风口空气补风对N=3时走廊能见度影响最大，此时走廊平均能见度最高，消烟效果最好；N=4时走廊能见度相对波动较小，主要由于消烟口风速较小，走廊速度场湍流强度较小。

图7 RSET时间走廊各测点能见度衰减曲线图

3 结论

1）当使用水帘柜消烟时，温度沿走廊分布呈明显的热分层；消烟风量越大，烟气沉降控制效果越好；但消烟风量过大（Q=21600 m3/h）时，走廊左侧经水帘柜处理后冷却空气冷却补风与消烟口消烟出现气流短路，且在走廊右侧出现明显的烟气层吸穿现象，消烟效率低。

2）当消烟口个数N=3时，走廊温度安全阈值线高度最高，即水帘柜消烟净化效果最好。当消烟风量一定时，消烟口个数少会导致明显的烟气层吸穿现象，走廊温度高、能见度差，但消烟口过多导致消烟效率较低。

3）对于防护工程单个防火分区，当消烟口个数N=3时，消烟风量Q=17900 m3/s时，水帘柜消烟净化效率高，走廊各处能见度和温度满足人员安全逃生要求。

4）消烟室和着火房间之间的左侧走廊安全性较高，避难室宜设置在靠近水帘柜消烟室一端的走廊。