风作用下凹型超高层建筑窗口羽流火焰数值模拟分析

2021-09-14周盈彤刘铁林

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2021年4期

王宇,邢佳,周盈彤,刘铁林

(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳 110168)

超高层建筑因纵向超高等特点,易受风作用影响,一旦发生火灾,火势将迅速蔓延[1]。故对超高层建筑在风荷载作用下火灾蔓延特点及防控需重点研究。对于高层建筑火灾,国内外学者进行了大量研究工作[2-6]。王宇等[7]首次提出窗口羽流火焰融合高度,通过对无外保温材料高层建筑的数值模拟分析,给出防火阻隔区高度。对于超高层建筑火灾,I.Fletcher等[8-10]通过实际超高层建筑火灾倒塌研究,基础性的分析了两种倒塌模式,并提出相关建议。朱杰等[11-12]通过对超高层建筑竖井结构内部烟气流动影响因素的相关研究,发现了火源位置和温度分布关系,并给出其拟合函数。黄友钦[13]对超高层建筑表面风压分布规律进行了研究。张昊[14]研究了自然风压对超高层建筑火灾排烟的影响及正压排烟策略,发现室外正压力极值和负压力极值的大小与室外自然风速相关,极值位置易受建筑物几何形状的影响,并开创性的提出在设置合理的前提下,室外风可形成利于超高层建筑火灾防烟排烟的条件,给出正压建筑入风口设置在正压区有利于火灾防烟,建筑物负压区设置排烟口有利于火灾时排烟的建议。

以上研究主要针对超高层建筑火灾安全疏散及内部烟气流动特性,并未对风荷载作用下超高层建筑外部火蔓延进行研究。基于此,笔者针对风作用下凹型超高层建筑窗口羽流火焰进行了模拟研究,通过改变风速、风向,研究不同工况下凹型超高层建筑窗口羽流火焰发生融合高度的影响以及窗口温度分布规律,并引入危险温度540°C(火焰融合温度),其中火焰融合包括窗口与窗口及窗口与保温材料(外保温材料点燃温度350°C)之间的融合。研究表明,水平风向作用下,风对火纵向蔓延有抑制作用;竖直风向作用下,风对火纵向蔓延有促进作用;并给出不同风速下多窗口纵向火蔓延时,火焰融合高度的极限值,为超高层建筑火灾外部蔓延防火阻隔区设置提供参考依据。

1 数值模型

1.1 计算模型

笔者以沈阳某一超高层住宅楼为简化模型(见图1),共34层,总高度102 m,层高3 m,窗口宽高为2.4 m×1.8 m。火灾位置设置在第14层,房间长宽为5.4 m×4.5 m。网格[15]尺寸为0.35 m×0.35 m×0.35 m。热电偶(THCP)布置在每一层窗户中心位置,共34个温度探测点,获得窗口温度曲线数据;在窗口横向中心位置布置切片,获得温度分布等温线数据。

图1 超高层模型

1.2 工况设置

文中设置水平向左和竖直向上两种风向,0 m/s、2 m/s、6 m/s三种风速。根据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251—2017)[16],客房卧室火灾热释放率为6 MW,故火荷载密度为0.28 MW/m2,当达到6MW热释放率时,所用时间为179 s。为研究火焰融合高度,设置竖向连续三窗口及四窗口,工况设置见表1。

表1 不同风向风速时工况

2 模拟结果

图2～图11中THCP17～THCP29表示第17层至第29层窗口温度探测点。所有温度分布等温线图的横坐标Y表示超高层建筑横向宽度,纵坐标Z表示超高层建筑竖向高度,所有温度曲线图的横坐标表示燃烧时间,纵坐标表示窗口温度。火焰融合高度为火焰总高度减去火源位置处高度。

2.1 风速0 m/s

室外风速为0 m/s时,连续竖向三窗口及四窗口的温度分布等温线和温度曲线如图2和图3所示。

图2 风速0 m/s时温度分布等温线

图3 风速0 m/s时温度曲线

由图2可知,在无风条件下,达到危险温度540 ℃时[17-19],竖向连续三窗口的火焰高度为63.96 m,竖向连续四窗口的火焰高度为67.08 m。达到350 ℃时[20-22],竖向连续三窗口的火焰高度为68.16 m，竖向连续四窗口的火焰高度为72.46 m。

根据图2和图3可以看出,在无风条件下,当危险温度达到540 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为15.96 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为16.08 m。当温度达到350 ℃时,竖向连续三窗口的火焰融合高度为20.16 m,竖向连续四窗口的火焰融合高度为21.46 m。

2.2 风速2 m/s

2.2.1 水平风向作用

室外风速为2 m/s时,水平风向作用下,连续竖向三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图4和图5所示。

图4 风速2 m/s时温度分布等温线

图5 风速2 m/s时温度曲线

由图4可知,水平风向作用,风速为2 m/s条件下,达到危险温度540 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为59.76 m;竖向连续四窗口的火焰高度为63.14 m。达到温度350 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为64.74 m,竖向连续四窗口的火焰高度为70.30 m。

根据图4和图5可以看出,在水平风向作用,风速为2 m/s的情况下,当危险温度达到540 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为11.76 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为12.14 m。当温度达到350 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为16.74 m;竖向连续四窗口处的火焰融合高度为21.30 m。

2.2.2 竖直风向作用

室外风速为2 m/s时,竖直风向作用下,连续竖向三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图6和图7所示。

图6 风速2 m/s时温度分布等温线

图7 风速2 m/s时温度曲线

由图6可知,在竖直风向作用,风速为2 m/s条件下,达到危险温度540 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为68.90 m,竖向连续四窗口的火焰高度为68.96 m。达到温度350 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为73.58 m;竖向连续四窗口的火焰高度为73.66 m。

根据图6和图7可以看出,在竖直风向作用,风速为2 m/s的情况下,当危险温度达到540 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为17.96 m，竖向连续四窗口处的火焰融合高度为20.90 m。当温度达到350 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为22.66 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为25.58 m。

2.3 风速6 m/s

2.3.1 水平风向作用

室外风速为6 m/s时,水平风向作用下,连续竖向三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图8和图9所示。

图8 风速6 m/s时温度分布等温线

图9 风速6 m/s时温度曲线

由图8可知,在水平风向作用,风速为6 m/s条件下,达到危险温度540 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为59.76 m,竖向连续四窗口的火焰高度为63.14 m。达到温度350 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为64.74 m,竖向连续四窗口的火焰高度为70.30 m。

根据图8和图9可以看出,在水平风向作用,风速为6 m/s的情况下,当危险温度达到540 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为5.40 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为5.82 m.当温度达到350 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为14.76 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为19.96 m。

2.3.2 竖直风向作用

室外风速为2 m/s时,竖直风向作用下,连续竖向三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图10和图11所示。

图10 风速6 m/s时温度分布等温线

图11 风速6 m/s时温度曲线

由图10可知,在竖直风向作用,风速为6 m/s条件下,达到危险温度540 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为72.30 m,竖向连续四窗口的火焰高度为79.12 m。达到温度350 ℃时,竖向连续三窗口的火焰高度为78.62 m,竖向连续四窗口的火焰高度为85.92 m。

根据图10和图11可以看出,在竖直风向作用,风速为6 m/s的情况下,当危险温度达到540 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为24.30 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为28.12 m。当温度达到350 ℃时,竖向连续三窗口处的火焰融合高度为30.62 m,竖向连续四窗口处的火焰融合高度为34.92 m。

2.4 结果分析

(1)在水平风向作用下,连续竖向三窗口及四窗口,达到危险温度540 ℃时,风速2 m/s比风速0 m/s火焰融合高度下降了4.3 m、3.94 m;风速6 m/s比风速0 m/s火焰融合高度下降了10.56 m、10.26 m。

(2)在竖直风向作用下,连续竖向三窗口及四窗口,达到危险温度540 ℃时,风速2 m/s比风速0 m/s火焰融合高度升高了4.94 m、1.88 m;风速6 m/s比风速0 m/s火焰融合高度升高了8.34 m、12.04 m。

(3)连续竖向三窗口及四窗口,水平风向作用下,风速2 m/s比风速0 m/s时的火焰融合高度分别降低了35.7%、32.5%;风速6 m/s比风速0 m/s的火焰融合高度分别降低了66.2%、63.8%。在竖直风向作用下,风速为2 m/s比风速0 m/s的火焰融合高度分别提高了11.1%、19.6%;风速6 m/s比风速0 m/s的火焰融合高度分别提高了34.3%、42.8%。