上、下悬窗阻风能力对比研究

2021-03-13王春雨耿伟超刘高文张小娟

火灾科学 2021年4期

刘博，王春雨，耿伟超，邓军，刘高文，张小娟

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，西安，710054；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京，100013；3.应急管理部上海消防研究所，上海，200438)

0 引言

环境风对建筑排烟的影响主要表现在加速室内烟气沉降和影响排烟口处压力分布，进而改变烟气排出的速度和方向。当有外界风时，排烟口内外压差会受到风压作用而改变。若排烟口位于迎风面，则会阻碍烟气的排出，若风速过大，甚至会导致自然排烟失效[1]。上、下悬窗是目前自然排烟最常用到的两种开窗形式[2,3]，探究何种开窗形式能更有效地减少环境风进入室内，对于增强自然排烟系统稳定性、提高自然排烟效率意义重大[4]。

贾海江等[5]、窦清华等[6]以环境风速、风向或排烟口面积、位置、布置方式为变量，研究了环境风对自然排烟效率的影响，探讨了环境风下烟气运动理论，为火灾应急方案的设计提供了参考。杨淑江等[7]引入“总风压系数”和“临界失效风速”并将其作为参数用以评价环境风对自然排烟的影响。Yang等[8]通过数值模拟，研究环境风速、通风位置和热源对建筑内压力分布和烟气运动的影响，发现在逆风条件下，压差随着环境风的增大而增大，排烟时压力与排烟口面积成正比，和进风口面积成反比。刘航等[9]研究了悬窗的开启角度、长度及悬窗个数对自然排烟的影响，提出排烟效率与开启角度正弦值之间的关系。

前人对排烟窗布置方式、环境风特点等方面做了很多研究，但大多没有考虑排烟口的实际形状，鲜有从阻风能力出发进行悬窗自然排烟的研究。本文在前人研究基础之上，以FDS软件为基础，研究悬窗结构对其阻风能力的影响，并以窗体周围压力和速度变化为基础，对悬窗主要进风区域进行深入分析，研究结果对科学认识两种排烟窗的差异，增强自然排烟系统稳定性有重要意义。

1 模型及边界设定

1.1 模型建立及初始参数设置

悬窗的排烟区域[9]可分为如图1所示的三个区域，区域1位于窗体两侧，形状为三角形，总面积记为S1；区域2位于近窗下侧水平区域，形状为矩形，面积记为S2；区域3位于远窗下侧竖直区域，形状为矩形，面积记为S3。

图1 悬窗模型Fig. 1 Model of hung window

为了节省计算成本，本文选取一个小型建筑物作为研究对象，建筑长、宽、高分别为4.8 m、3.6 m、3.6 m，根据排烟要求设计一扇1 m×1 m的自然排烟窗，窗体上沿距建筑顶部0.6 m(储烟仓以内)，在窗对面的墙上沿建筑底部设有同样大小的开口用来补气。由于需要考虑环境风的影响，因此对计算域进行适当扩展以确保环境风到达排烟口时的风速为所需要的模拟风速，设定计算域长12 m、宽10.8 m、高7.2 m，风墙位于建筑左侧，风向与排烟口法线方向平行，建筑的简化模型如图2，FDS建立的物理模型如图3。

为了对上、下悬窗阻风能力及主要排烟区域进行分析，在排烟口位置设置一个总质量流量测点，同时在上、下悬窗的三个区域分别设置质量流量测点。

图2 建筑模型示意图Fig. 2 Schematic of building model

图3 FDS模型图Fig. 3 Model of FDS building

1.2 开窗阻力系数研究

开窗流量系数是开窗阻力特性参数[10]，在其他条件相同的情况下，不同流量系数决定了不同的通风量。如果建筑物外墙上的窗孔两侧存在风压差ΔP，空气就会流过该窗户，空气流过窗户时的阻力就和ΔP[11]成正比。

(1)

式中，ΔP为窗孔两侧的风压差(Pa)；v为空气流过窗户时的平均流速(m/s)；ρ为通过窗孔空气的密度(kg/m3)；ξ为窗户的局部阻力系数。则通过窗户的通风量计算公式：

(2)

式中：Ψ为窗户的流量系数。

(3)

根据公式3可导出流量系数表达式：

(4)

式中：qv为通过窗户的空气体积流量(m3/s)；F为开窗的面积(m2)。其中流量系数与相对进风量总和为1[12]，本文从宏观角度出发研究悬窗各区域进风量随开窗角度的变化关系。

1.3 模拟工况设定

本文主要研究开窗角度和风速对上、下悬窗阻风能力的影响，开窗角度分别设置为15°、30°、45°、60°、75°、90°，风速设置为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s。共设置78组工况，如表1所示，其中窗体直接开口为对照组。模拟时间共600 s。

表1 模拟工况表

1.4 网格敏感性分析

采用大涡模拟进行火灾研究时，网格尺寸直接决定了模拟结果的准确性与可靠性。网格越细，计算结果相对越准确，但计算时间越长，当D*/δx的比值范围在4～16时可以得到较为准确的计算结果[13,14]。

(5)

式中：D*—火源特征直径，m；δx—网格尺寸，m；Q—火源功率，kW；ρ∞—空气密度，kg/m3；cp—空气定压比热容，kJ/(kg·K)；T∞—环境温度，K；g—重力加速度，m/s2。

本文设置燃烧模拟时间为600 s，环境温度为20 ℃，火源位于建筑物中央位置，火源功率120 kW，按式(5)计算可得D*最大值为0.4 m，在满足计算精度和模拟时间在可接受范围内的条件下，将网格大小确定为0.1 m×0.1 m×0.1 m[11]。

2 开窗角度对悬窗阻风能力影响

2.1 上悬窗阻风能力影响分析

为便于分析悬窗阻风能力，将模拟稳定阶段300 s～600 s的进风量求平均值绘制成图4。由图4可知，进风量随着开窗角度增大而增加，同时也随着风速增大而增加。与对照组相比，开窗角度15°时，不同风速下进风量降低幅度在30%～33%；开窗角度为30°时，进风量降低幅度在12%～15%；开窗角度大于45°后，进风量降低幅度均在±4%以内。从上述分析可知，上悬窗阻风效果不明显，开窗角度小于30°时可以减少部分空气进入室内，而开窗角度大于45°后，其进风量与对照组基本相等，不能起到减少空气进入室内的作用。

为了进一步对上悬窗阻风能力进行分析，定义相对进风量为：

(6)

式中：ηi为相对进风量，mi-0为对照组的进风量，mi-α为开窗角度α时的进风量。

按照式(6)对图4中的数据进行处理绘制出相对进风量随开窗角度的变化规律如图5。从图5可知，开窗角度相同时，不同风速下相对进风量近乎一致，随着开窗角度增大，相对进风量呈非线性增长，且增长幅度随着开窗角度的增大迅速降低。开窗角度小于45°时，增长幅度较大，开窗角度大于45°后，增长幅度基本保持不变且相对进风量在97 %以上。

图4 上悬窗各工况质量流量变化图Fig. 4 Variation of mass flow in each case of top-hung window

图5 上悬窗相对进风量Fig. 5 Relative air inflow of top-hung window

对图5中数据点进行曲线拟合发现其符合指数分布，拟合结果R2=0.99805，证明拟合函数与数据点之间相关性很强，通过解回归方程，计算出相对进风量与开窗角度的关系近似满足下式：

ηi=-1.01·e-α/14.2+1.01

(7)

式中：ηi为相对进风量；α为开窗角度，°。

当开窗角度为70°时，利用式(7)计算出相对进风量为100 %，此时上悬窗进风量与窗体直接开口时相等，上悬窗失去阻风能力。结合杨洋[15]的研究对式(7)进行扩展，仅有环境风时，通过排烟口的气体质量流量如下：

mi=ΨAeveρ∞

(8)

式中：mi为排烟口的气体质量流量；Ψ为开口处的流量系数，取0.7；Ae为排烟口面积，m2；ve为通过排烟口的气体流速，m/s；ρ∞为空气密度，kg/m3。

联立式(6)、式(7)和式(8)得到式(9)：

宣纸上用水彩作画，馆藏作品中尚有5幅作品。但明显墨线的运用更为突出，而这5幅作品均已按国画的方式装裱成了挂轴或横披，在账本中归类为“国画”一类（图8）。

mi-α=(-1.01·e-α/14.2+1.01)(ΨAeveρ∞)

(9)

式中：mi-α为开窗角度α时的进风量，α为开窗角度。

利用式(9)可以计算不同尺寸上悬窗某一开窗角度时的进风量。

2.2 下悬窗阻风能力影响分析

图6为稳定阶段下悬窗不同工况排烟口气体的平均质量流量。由图6可知，进风量随开窗角度的增大而增加，同时也随着风速增大而增加。与对照组相比，开窗角度为15°、30°、45°、60°、75°、90°时不同风速下进风量平均降低幅度分别在73%、59%、35%、16%、4%、0%左右。从上述分析可知，开窗角度小于75°时，下悬窗能够有效减少空气进入室内，开窗角度大于75°后，下悬窗阻风效果不明显，与上悬窗相比，下悬窗能有效降低环境风对烟气排出的影响。

图6 下悬窗各工况质量流量变化图Fig. 6 Variation of mass flow in each case of bottom-hung window

利用式(6)对图6数据进行处理绘制成图7。从图7可知，随着开窗角度增大，相对进风量呈非线性增长，但增长幅度变化不大。

图7 下悬窗相对进风量Fig.7 Relative air inflow of bottom-hung window

对图7中数据点进行指数拟合，拟合结果R2=0.98819，证明拟合函数与数据点之间相关性很强。通过解回归方程，计算出下悬窗相对进风量与开窗角度的关系近似满足下式：

ηi=-1.57·e-α/83.3+1.57

(10)

联立式(6)、式(8)和式(10)得到式(11)，利用式(11)可以计算不同尺寸下悬窗在某一开窗角度时的进风量。

mi-α=(-1.57·e-α/83.3+1.57)(ΨAeveρ∞)

(11)

3 悬窗主要进风区域分析

3.1 上悬窗进风区域

存在环境风时，上悬窗的三个区域由于位置、面积不同，导致进风量各有差异，对于排烟的影响也不尽相同。下面以风速3 m/s为例，对三个区域的进风量展开细化研究。经模拟发现：区域1和区域2进风量基本随着开窗角度增大而降低，开窗角度大于60°以后，区域1便没有空气进入室内，区域3进风量随着开窗角度增加而不断增大。

图8为上悬窗各区域进风量占总进风量的百分比。由图8可知，开窗角度小于55°时，区域2进风量占总进风量的50%以上，开窗角度为15°时，最高占比达70%。随着开窗角度增大，区域2进风量占比逐渐下降，区域3进风量占比逐渐升高。开窗角度大于55°后，区域3逐渐成为主要进风区域，开窗角度为90°时，进入室内的空气全部由区域3进入。从上述分析可知：开窗角度小于55°时上悬窗主要进风区域为区域2，而大于55°后主要进风区域为区域3。

图8 上悬窗各区域进风量占总进风量百分比Fig. 8 Percentage of air inflow in each region of top-hung window

图9 不同开窗角度上悬窗排烟口气体流动图Fig. 9 Gas flow diagram of top-hung window exhaust outlet at different window opening angles

结合图9气体流动图对上述原因进行分析可知：窗体直接开口时，气流直接通过排烟口进入室内，见图9(a)。存在上悬窗时，气流通过排烟口时被窗体分割为上下两部分，见图9(b)和图9(c)，区域1法线方向与环境风方向垂直，同时由于窗体遮挡，仅有少量空气绕过窗体从区域1进入室内，见图9(d)。随着开窗角度增大，区域1进风量持续减少，开窗角度等于60°时，环境风经过窗体时直接流向窗体两边，没有从区域1进入室内，见图9(e)。区域2和区域3进风量受窗体影响较小，气流可以经过窗体下沿直接进入室内，进风量主要与其进风面积有关，开窗角度较小时，受限于窗体结构，区域3面积小于区域2，区域2为主要进风区域，随着开窗角度增大，窗体结构有利于区域3进风，区域3进风能力得到迅速增强，上悬窗开到一定角度时，区域3成为主要进风区域。

3.2 下悬窗进风区域

图10为下悬窗各区域进风量占总进风量的百分比。从图10可知，区域1开窗角度大于45°后进风量为负，说明开窗角度大于45°后区域1将失去进风作用，区域2进风量随开窗角度增大变化不大，区域3进风量随着开窗角度增大而不断增加。

开窗角度为15°时，区域3进风量最低占比在42%左右，且随着开窗角度增大而不断增加；区域2进风量占比随开窗角度增大变化不大，平均进风量占比在12%左右；而区域1只有在开窗角度小于45°时可以有效进风，开窗角度26°时最高占比在54%左右。从上述分析可知：开窗角度小于45°时，下悬窗主要进风区域为区域1和区域3；开窗角度大于45°后，主要进风区域为区域3。

图10 下悬窗各区域进风量占总进风量百分比Fig. 10 Percentage of air inflow in each region

结合图11气体流动图对其原因进行分析：窗体直接开口时，气流直接通过排烟口进入室内。存在下悬窗时，气体流向发生改变。对比图11(a)和图11(c)，区域1法线方向与环境风方向垂直，进入区域1的风量只能是流经窗体下沿的空气绕过窗体进入的风量，而且随着开窗角度增大，流经窗体下沿的空气逐渐减少，开窗角度60°时便没有气流进入，如图11(d)。

进入区域2和区域3的风量主要来自窗体上沿的空气，由于窗体遮挡作用，窗体上下沿之间压力突减，在进风口形成涡旋，造成进风口处气体流动紊乱，见图12。涡旋对区域2进风量影响较大，区域2同时有气体流入和流出，因此进风量较小。区域3法线方向与空气流动方向基本一致，受到涡旋的影响较小，随着开窗角度增大，区域3面积增大，进风量逐渐增多。