狭长空间不同间距挡烟垂壁阻滞火灾烟气蔓延数值模拟

邵 琳 杨金溢 李志涌 蔡永壮 吴则琪讲师

(郑州轻工业大学 建筑环境工程学院，河南 郑州 450002)

0 引言

现代建筑往往含有诸如走廊等长度远大于宽度和高度的狭长空间[1]。一旦建筑内发生火灾，火灾烟气极容易通过这些狭长空间蔓延至未着火区域，造成灾害范围的扩大，人员逃生困难，人员伤亡加重[2]。建筑中的火灾烟气可通过合理进行防烟分区，配合排烟系统进行控制。防烟分区分隔可以通过设置挡烟垂壁或利用横梁等顶板构筑物进行自然分隔[3]。挡烟垂壁等顶部构筑物的挡烟、阻烟效果对建筑烟气控制起到重要作用[4]。然而，在狭长空间烟气运移课题的研究中，学者们往往关注火源功率、烟气温度分布、烟气层厚度等参数[5-8]，挡烟垂壁等走廊顶部构筑物对烟气的阻滞作用研究较少。近年来，一些学者开始关注烟气越过挡烟垂壁后，挡烟垂壁继续阻滞烟气流动的作用。王欢[9-11]等对挡烟垂壁阻滞烟气蔓延的现象进行研究认为，狭长空间烟气越过挡烟垂壁后，将继续受挡烟垂壁阻滞作用的影响，蔓延速度有所减慢，可以为逃生人员赢得宝贵的逃生时间。吴则琪[12]等通过数值模拟分析认为，多个挡烟垂壁对烟气的阻滞效果好于单个挡烟垂壁。如果在走廊等狭长空间合理设置多个挡烟垂壁，则可减缓火灾烟气蔓延，延长非着火区域的逃生时间。但目前尚缺少对多个挡烟垂壁设置参数的研究。本文将利用数值模拟方法，探究两个挡烟垂壁之间间距对阻滞烟气流动效果的影响，为狭长空间多挡烟垂壁间距的合理设置提供理论依据。

1 不同间距挡烟垂壁对烟气阻滞效果模拟

1.1 数值模型

采用FDS数值模拟软件对建筑内走廊烟气运移情况进行数值模拟。FDS数值模拟软件是专业的火灾模拟软件，该软件采用大涡模拟模型，可以适应常见的火灾烟气模拟。FDS的基本方程有：

根据我国建筑内走廊常见尺寸，并适当加长走廊长度保证模拟效果，模型走廊长度设置为30m，宽度为2m，高度为3m。走廊两端均为敞开边界，无强迫通风。火源位置位于走廊左端2m处地面中间，火源面积1×1m2，根据参考文献[13]，火源功率设置为1.6MW。挡烟垂壁高度为0.5m[14]，前挡烟垂壁设置在走廊中部，即距左端15m处。后挡烟垂壁分别设置在距离前挡烟垂壁1、5和10m处进行了3组模拟。在走廊最右端距地面2.8m处，设置一个热电偶，用来监测高温烟气到达走廊最右端的时间点。网格尺寸0.1×0.1×0.1m3，网格范围略大于走廊模型。以第一组模拟为例，数值模型，如图1。

图1 数值模拟模型示意图

1.2 数值模拟结果

根据走廊右端热电偶测得的温度变化数据，可以较准确地得到3组烟气前锋到达走廊右端的时间分别是16.3、18.4和17.4s。图2显示了3组数值模拟烟气前锋到达走廊右端时的烟气蔓延状态。

由数值模拟结果可以看出，挡烟垂壁间距对烟气蔓延速度有重要影响，挡烟垂壁的存在使挡烟垂壁前的烟气层厚度大于挡烟垂壁后。3组模拟中，前挡烟垂壁前的烟气层厚度相当，后挡烟垂壁后的烟气运移状态也相似，两挡烟垂壁间的烟气层厚度随挡烟垂壁间距变化明显。从烟气蔓延到达走廊右端的时间来看，当走廊存在2个挡烟垂壁时，挡烟垂壁的间距过大或过小均不能使其阻滞烟气蔓延的效果达到最佳，即2挡烟垂壁间距在某一范围内时，可使烟气蔓延的速度最低。因此，挡烟垂壁的间距影响了烟气的流动状态，进而影响了烟气蔓延的速度。

图2 不同挡烟垂壁间距的烟气运移模拟结果

2 挡烟垂壁最优间距范围分析

2.1 烟气越过挡烟垂壁后的流动状态分析

为了分析挡烟垂壁间距影响烟气蔓延速度的原因，首先进行了一组单挡烟垂壁的模拟，该模拟模型的参数和第1部分中3组模拟相同。通过数值模拟方法可以分析烟气越过挡烟垂壁后的流动状态。模拟得到烟气越过挡烟垂壁后，走廊纵向切片的速度矢量图，如图3。

图3 烟气运移速度矢量图

从图3可以看出，烟气越过挡烟垂壁后，会在挡烟垂壁附近区域形成一个涡旋，涡旋区域内烟气流速低，大部分烟气绕过了该涡旋区域。涡旋区域在本模拟中的长度大约2.6m。在涡旋区域过后，由于烟气绕过挡烟垂壁时处于较低位置，烟气重新上浮撞击顶板，造成了非定常的涌波现象，形成涌波区。该涌波的波体向烟气流动方向移动，逐渐衰减。大约6m后，涌波基本消失，烟气恢复定常流动，形成定常流动区。因此，烟气越过挡烟垂壁后，按其流动状态可分为涡旋区、涌波区和定常流动区3个区域。本文中3个区域的范围大致是挡烟垂壁后0～2.6m、2.6～6m和6m以上。

2.2 不同间距挡烟垂壁阻烟效果分析

当走廊顶部有两个挡烟垂壁时，后挡烟垂壁所在位置烟气的流动状态关乎挡烟垂壁对烟气的阻滞效果。烟气越过前挡烟垂壁后，形成涡旋区、涌波区和定常流动区。由于烟气的主要流动部分绕过涡旋区，后挡烟垂壁设置在涡旋区内就难以对烟气形成较好的阻滞效果。因此，在1.2的3组模拟中，两挡烟垂壁间距1m时，阻烟效果较差。当两挡烟垂壁间距5m，后挡烟垂壁位于涌波区时，由于这部分烟气层忽厚忽薄，烟气流动不稳定，挡烟垂壁对烟气形成的能量耗散较大，因此阻烟效果好。两挡烟垂壁间距10m时，后挡烟垂壁几乎位于定常流动区，由于涌波的波体逐渐衰减，当挡烟垂壁位于涌波区末端或定常流动区时，该区域烟气流动较稳定，阻烟效果又会下降。

因此，两挡烟垂壁存在一个阻滞烟气流动效果最佳的间距，该间距应使后挡烟垂壁处于涌波区内。为了寻找数值模型中挡烟垂壁的最优间距，调整挡烟垂壁的间距在2～6m之间进行了多组模拟，模拟结果，见下表。模拟结果表明，本数值模型中挡烟垂壁间距在3～6m时阻烟效果最佳，在此区间内，阻烟效果差别不大。该结果印证了前文对挡烟垂壁后烟气流动3个区域分析的结论。

表 挡烟垂壁间距2～6m范围内烟气到达走廊最右端时间模拟结果表

3 结论

本论文通过数值模拟分析，研究了狭长空间两挡烟垂壁不同间距的阻烟效果，分析了挡烟垂壁间距影响其阻烟效果的原因，主要得出以下结论：

(1)烟气越过挡烟垂壁后，根据其流动状态的变化可以分为3个区域：即涡旋区、涌波区和定常流动区。其中，烟气流动绕过涡旋区的涡旋部分，在涌波区形成较混乱的且波体逐渐衰减的非定常流动，待波体衰减殆尽，烟气进入定常流动区。

(2)挡烟垂壁间距不同时，阻烟效果不同。当后挡烟垂壁位于前挡烟垂壁的涡旋区时，烟气绕过后挡烟垂壁，后挡烟垂壁阻烟效果不佳；当后挡烟垂壁位于前挡烟垂壁的定常流动区时，由于该区域烟气流动平稳，后挡烟垂壁对烟气的阻滞作用也不能发挥至最佳。当后挡烟垂壁位于前挡烟垂壁的涌波区时，阻烟效果最佳。