非封闭式天井形状对烟气蔓延影响的模拟

袁 满，韩 峥，陈艳秋，陈龙飞

非封闭式天井形状对烟气蔓延影响的模拟

袁 满1，韩 峥1，陈艳秋2，陈龙飞2

(1. 应急管理部四川消防研究所，成都 610036；2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031)

住宅建筑中非封闭式天井常被用于改善中间户型的通风和采光，构造上一般为外立面凹槽内设置敞开外廊的形式．本文采用火灾动力学模拟软件FDS对给定天井面积和高度情况下，非封闭式天井的形状对烟气蔓延特征以及外廊安全性的影响进行数值模拟和分析．研究表明非封闭式天井烟气上升过程中，会通过外廊上部镂空区域与外界进行热量和质量交换，但天井形状对烟气温度影响较小．天井的深度与宽度比值越大，烟囱效应越弱，上升速度越慢，水平扩散越明显，非封闭式天井的烟气前锋上升时间越长，无量纲烟气上升时间与无量纲高度的0.67～0.73次方呈正比关系．

天井；非封闭式天井；外廊；火灾烟气

非封闭式内天井常见于住宅建筑中，用于改善一梯多户中间户型的通风和采光条件．在结构形式上，非封闭式内天井与外立面凹槽结构相似，二者区别在于非封闭式内天井在凹槽内设有外廊，该外廊一般作为疏散通道或前室．在消防工作中，一般将此类结构作为室外开放空间处理，实际上，由于凹槽的约束作用，此类非封闭式天井会成为火势蔓延和烟气上升的快速通道．非封闭式天井结构，一方面具有外立面凹槽的特点，另一方面外廊对向上的烟气流动起到一定阻碍作用．

近年来，相对于各种类型竖井烟气运动规律的研究，非封闭式天井火灾危险性和烟气蔓延特点的研究较少，基本都是针对某具体建筑开展的案例研究，以此得到性能化设计角度所关注的参数范围[1-2]．极少有研究系统针对非封闭式天井的烟气蔓延特征．少数研究者对凹槽的烟气和火焰蔓延开展了规律性分 析[3-6]，其中对于凹槽火蔓延特点的研究较为系统[4-5].研究者定义凹槽的深度与宽度的比值作为结构因子来量化凹槽形状[4]．潘晓菲等[7]对凹槽的结构因子对烟气上升过程的影响规律利用计算流体力学(CFD)方法开展了研究，发现结构因子不大于0.4的凹槽无烟囱效应，当结构因子在0.6～1.2范围时，烟囱效应逐渐增强，而继续增大结构因子，烟囱效应趋于稳定．但是，其研究中凹槽的宽度为定值，而深度为变量，这样凹槽的面积随深度线性变化，得到的结论很难区分是形状差异导致，还是面积变化导致．

1 模拟场景设计

1.1 FDS软件简介

研究使用美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的火灾动力学模拟软件FDS开展，FDS在火灾烟气模拟方面的可靠性已经得到了大量验证．FDS一般采用大涡模拟方法LES(large eddy simulation)来求解控制方程，侧重于模拟空间热场、烟粒子的扩散、热传导、空间热流速率等现象．由于火灾动力学模拟尺度通常很大，为了加速计算，控制方程是从Navier-Stokes方程组上进行了系列简化，例如不求解动量守恒方程、燃烧反应简化等，详细控制方程和计算模型见FDS技术文档和用户手册[8-9]．

在计算流体力学中，计算网格尺寸选取是影响模拟精度的重要因素之一．对于火灾这类典型热驱动流场，网格尺寸与火源功率密切相关．特征火源直径*由火源功率确定，其表达式为

经过系列验证研究，McGrattan等[9]发现火源特征直径*与网格尺寸的比值*/在4～16之间的能够较好捕捉火源驱动流场参数．

1.2 模型建筑结构

利用FDS构建一个33m含非封闭式天井的高层住宅建筑．模型建筑的层高为3m，即共有11层楼．天井部分截面积为6.0m2，考虑两种结构的天井，天井1的宽度为2.4m，深度t为2.5m，形状系数为1.04；天井2的宽度为4.0m，深度t为1.5m，形状系数为0.375．外廊外侧到建筑外沿为1.0m，外廊宽度为1.0m，外廊两侧护墙高度为1.2m.模型的平面示意图和FDS建模图见图1．

图1 非封闭式天井结构示意图和FDS建模图

1.3 场景设计及模拟参数

本文共开展了6组模拟，分别针对天井1和天井2，开展不同火源功率的数值模拟研究．模拟场景如表1所示．考虑最不利场景，将火源设置在一层靠近天井的房间内，忽略火灾增长过程．

表1 模拟研究工况

Tab.1 Working conditions for simulation study

表中，火源功率2MW、4MW和6MW的火源特征直径分别为1.25m、1.65m和2.18m，选取网格尺寸为0.25m，能够满足所有场景的计算需求．

2 结果与讨论

2.1 非封闭式天井的烟气上升过程形态特征

当火灾发生在靠近天井的房间内时，火焰及烟气以窗口溢流的形式进入天井．蒋亚强等[6]对凹槽内溢流火特征开展研究显示，凹槽内溢流火的火焰高度和壁面接收热流强度都远高于平面溢流火．在相同开口时，溢出烟气的水平动能相同，形状系数越小，直接受溢出烟气影响的可能性越大．相比封闭式天井中烟气只能向上运动，且烟羽流基本不能卷吸外界空气，非封闭式天井中烟气在向上运动过程中可以从未封闭一侧卷吸空气，且可能具有横向扩散特征[10]．特别是在较高位置，烟气温度大幅降低，卷吸作用减弱，部分烟气会从未封闭一侧流出，如图2所示．

图2 典型时刻非封闭天井烟气蔓延情况

非封闭天井内烟气的向上运动、与外界环境的交互影响可以从天井剖面的速度场观察出来．图3给出了实验2中天井中心线剖面的速度矢量分布图.天井内以向上的烟气流动为主，但是在外廊位置，可以看到明显的水平流动，这对外廊的安全性具有很大影响．在上部楼层，外廊上方呈现明显的双向流动特征，靠近天花板的流动为向外，而下方则是向内的流动．即烟气从上方流出，新鲜空气从下方流入．而在下部楼层，几乎不可见向外的流动，只有向内方向的空气流入．所以，可以推测影响下部楼层外廊安全性的主要是火焰和热烟气辐射，而影响上部楼层外廊安全性的则是烟气流动．

2.2 天井上下压差

对于非封闭式天井这类未完全封闭的空间，本文使用天井底部与顶部的压力差来定量分析烟囱效应．图4给出了天井1和天井2在2MW、4MW和6MW火源下的上下压差随时间变化情况．天井1中的形状系数接近1，对应凹槽的结构因子/为1.875，两侧翼墙对烟流的限制作用明显，压差也会随着火源增大而扩大．当火源为2MW时，上下压差随时间变化不明显，过程中基本维持在0～-1Pa．当火源为4MW和6MW时，模拟过程中后期压差逐渐变大，4MW时后期压差达到-3Pa，而6MW时后期压差达到-5Pa．在天井1中，上下压差随着火源功率增大而扩大．天井2的形状系数为0.375，对应凹槽的结构因子/为0.875．此时天井与环境的连通面积大幅提高，天井上下压差随火源增大并未有明显改变，除了前期压力波动，数值基本未超过1Pa，说明天井2基本没有烟囱效应．

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图3 非封闭天井中心剖面速度矢量分布

图4 天井1和天井2上下压差随时间变化情况

2.3 天井中心温度分布

图5给出了两个天井在不同火源功率时，下部、中部和上部典型楼层的温度对比，其中图5(d)为已经到达稳定状态的200～250s阶段，不同场景、不同楼层高度热电偶温度的平均值．图中，下部楼层即2楼的热电偶温度差异明显，天井2在低楼层的温度高于天井1．这是由于天井下部的热电偶距离起火房间较近，直接受到窗口溢流火和烟气的影响．天井2的深度仅1.5m，天井中心点距离起火房间窗户的水平距离仅为0.75m，其受溢流火的影响更强．随着高度升高，两者趋于一致．这说明两个天井对外的热量损失基本相同，即烟气温度主要与天井截面积有关，而与天井形状相关较弱．

2.4 烟气上升时间

图7中，相同天井中烟气上升时间随火源功率升高而降低．形状系数较小的天井2在相同火源功率时烟气上升时间长于天井1．在非封闭式天井中，烟囱效应和湍流混合作用同时存在，且随着密闭性减弱，烟气与壁面的换热以及在外廊位置与外界气体的交换使得湍流混合作用所起作用增强．通过量纲分析，引入特征时间和特征高度来消除火源功率的影响，可以得到如图6所示的无量纲烟气上升时间与高度的关系图．对于两个天井，参考Chow等[11]的数据拟合方式，可以得到天井1和2的无量纲烟气上升时间与无量纲高度之间的关系为

图5 非封闭式天井温度分布特点

系数和指数的差异就是由于天井结构差异导致的．Chow等[11]对距离火源较远高度竖井中无量纲上升时间和高度之间拟合关系为，其研究对象为四周均封闭的天井结构，而在非封闭式天井中，相同功率火源驱动的烟气上升时间更长．

图7 不同场景烟气上升时间

可见，在拟合关系式中，非封闭式天井的烟气前锋上升时间与无量纲高度的0.67～0.73次方呈正比关系．

2.5 外廊的温度和CO浓度分析

以火源功率为6MW的场景为例，分析外廊上方的温度和CO质量浓度，分别如图8和图9所示．图8中，所有楼层的外廊温度均维持在较低值，且存在剧烈振荡，这是由于外廊位置天井内烟气与外界空气存在交换．总体上，随着火灾持续，温度以较慢的速度持续上升，对于中上部楼层外廊，后期温度趋于稳定．下部楼层的外廊温度高于上部楼层，相同楼层天井2的温度高于天井1．对比图5天井中心点温度，可以发现，外廊能够有效阻碍烟气的水平运动过程．

进一步分析外廊的CO质量浓度，并将其与同高度天井中心的CO质量浓度对比．由于下部楼层受窗口溢流的影响明显，在此仅分析中上部楼层的数据，如图9所示．图中，天井1和天井2在中心的CO质量浓度差异并不明显，均远高于同楼层的外廊位置数值．而外廊位置的CO质量浓度，随着火灾持续而保持上升．虽然数据存在一定振荡，但是可以发现6层和11层外廊的CO质量浓度差异并不明显．相同位置上，天井2的CO质量浓度明显高于天井1．这说明天井形状系数越小，外廊越容易受到烟气的影响，危险性越高.

图8 走廊上方温度

图9 走廊上方CO质量浓度

3 结 论

(1)非封闭式天井烟气上升过程中，会通过外廊上部镂空区域卷吸外部空气，当烟气上升到一定高度后，温度降低，上升动力减弱，烟气会从外廊上部镂空区域流出天井．

(2)在一定天井截面积下，相同高度的天井，形状不同对天井烟气温度影响可忽略不计．烟囱效应随着天井形状系数增大而升高，而烟气上升时间则随着天井形状系数增大而减小，长于相同条件下封闭式天井的烟气上升时间．无量纲烟气上升时间与无量纲高度的0.67～0.73次方呈正比．

(3)天井的形状系数越小，即天井深度越小，烟囱效应越弱，烟气上升过程中的水平扩散越明显，外廊安全性越低．

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Impact of Shaft Shape on Smoke Movement in Unsealed Shafts

Yuan Man1，Han Zheng1，Chen Yanqiu2，Chen Longfei2

(1. Sichuan Fire Research Institute of MEM，Chengdu 610036，China ；2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Unsealed shafts are widely used in residential buildings to improve the lighting and ventilation conditions. In this paper，Fire Dynamic Simulator(FDS) was employed to study the smoke movement characteristics in unsealed shafts and the safety of exterior corridors for a given shaft area and height. It was found that heat and mass transfer occurred at the openings above the exterior corridors. However，shaft shape had little influence on smoke temperature. With the growth of the ratio of depth to width，the stack effect was reduced，the smoke velocity dropped，and the horizontal movement was then strengthened. According to the simulations，the dimensionless smoke rising time was proportional to the 0.67—0.73 power of dimensionless height.

shaft；unsealed shaft；exterior corridor；fire smoke

X932，TU241.8

A

1006-8740(2021)01-0029-06

10.11715/rskxjs.R202003031

2020-03-20．

应急管理部消防救援局科研计划应用创新资助项目(2017XFCX17).

袁 满（1986—  ），女，博士，助理研究员.

袁 满，yuanman@scfri.cn.