实验室核心区域火灾最佳通风口选择仿真

王 冰,蒋永清

(1. 吉林建筑科技学院市政与环境工程学院,吉林 长春 130114;2. 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080)

1 引言

实验室是实验教学和科学技术的研究基地,存有各式化学药品和易燃易爆试剂,且数量大、使用品种多、存放位置广,涉及复杂,实验人员经常接触。同时在实验室还有许多气瓶和加热仪器等特殊设备。有些实验还需要高温、高压、真空、低温与高电压等环境,所以实验室发生火灾具有特殊性质,且火灾危害性极大。实验室内除了有实验设备,还包括计算机、仪器仪表以及相关电器等,重点实验室还不停地更新引进大量贵重精密仪器与先进仪表,价值连城,还存有许多珍贵的科研数据,是科研人员多年的成果,若一旦引起火灾,损失巨大。

实验室建筑整体基础消防设施设备储备,除了有感应烟雾报警系统、消防标志设施、实验室内外消防栓等,还应该配备通风排烟系统[1]、消防广播设计、走廊紧急洒水设施和灭火毯等。必不可少的消防器械配备干粉灭火器,依据实验室特征和性质还应准备沙土、二氧化碳气体和泡沫灭火器等用具。实验室发生火灾时,很有可能会产生大直径烟雾颗粒,影响逃生视线,能完全遮蔽视觉,大大降低了火灾区域和消防逃生通道能见度。若被困人员对所处实验室内部环境不熟知,在可见度较低的烟气中很可能出现胆怯心理,从而失去判断能力,采取错误的逃生方式。基于此本文提出实验室核心区域火灾最佳通风口选择仿真。通过发生火灾时产生羽流运动[2],探究在内外因素影响下,羽流中的卷吸速率[3]和烟气倾角,烟气所运动的方向。通口风选择位置为顶部和侧壁,进行分析后,得出顶部通口风位置最佳,保障通风量,让可燃试剂不能达到燃烧爆炸极点。

2 火灾羽流运动分析

当实验室发生火灾时,会产生相对应羽流运动,假设羽流不受环境气流和实验室墙壁影响,轴对称羽流可以看作是一个倒锥,火势不断加大,导致羽流上升,从而持续卷吸膨胀,羽流断面越高,横截面越大。如果在相同断面高度的温度和垂直速度分量不变情况下,可以将理想模型划分为两种,分别为点源、面源模型[4]。

1)点源模型是将实际火源假设为一个单一的点热源。

羽流横截面半径

b=1.2az

(1)

羽流速度

(2)

羽流质量卷吸率

(3)

2)面源模型常被描述为一个圆面形式的热源,计算过程中需要将虚点源代入至模型下方,得出:

羽流横截面半径

b=1.2a(z+z0)

(4)

羽流速度

(5)

羽流质量卷吸率

(6)

式中,将z0用来描述虚点源到火源截面距离,R用来描述火源圆形截面处羽流升高幅度,uf表述为当前火源截面直径。

表达式

(7)

火焰羽流烟气产生量依据火焰高度表达为

(8)

对于产生炭黑燃料,其对流热释放与总热释放率数值[5]相差较大,但干净燃料不产生炭黑如乙醇、甲烷等对流热释放率可以等于总热释放率,即羽流的平均温度表示为

(9)

通过式(8)和式(9)得出火焰羽流平均温度

(10)

根据烟气羽流最高温度上升和平均温度上升的线性关系[6]α,可将火焰烟气最高温度表示为

(11)

发生火灾时,因为火点周围有限制物体,会影响羽流的运动和质量卷吸速率产生变化。

上述说明的羽流是在密封环境、没有横向风的前提下计算得出的,现实环境中实验室发生火灾都有防范措施和排烟系统。横向风对火源羽流作用最大,现场的烟气层活动也具有规律性。风力影响羽流质点运动[7],致使火源羽流发生总体歪斜,质量流率改变。通过修正羽流质量卷吸距离,取得倾斜羽流质量流率,热值kJ/kg用ΔH表示。

羽流转角表达式

(12)

(13)

浮升力表示

(14)

采用此方法得到的数学表达式,虽然推导过程相对简单,然而与现实发生火灾时羽流倾斜角变化有所不同。实际上在羽流逐渐升高过程中会趋于水平状态,受横向风影响倾斜角变小。分析可能出现的因素是由于火源燃烧产生烟气,烟气才刚脱离火焰,温度和浮升力高,质点受力方向竖直向上;羽流上升不断卷吸空气变大,烟气温度与浮升力都呈下降趋势,质点合力变为分散力,烟气倾角θ也慢慢减小。

图1 理想羽流偏转

实验室发生火灾是在一个限制空间中,但羽流也会因横向风产生偏离[8]。对有通风口的实验室进行一系列的火灾仿真,依据对通风口高度和温度等数值进行计算,在外部风进入前提下,分析偏角和卷吸速度,结果证明虽在限制房间内,但羽流在横向风的影响中,质量流率波动幅度也强,说明外界风对实验室内羽流影响大。实验室内部空间发生火灾后,热烟气在室内上方堆积,室内外存在较大温差。当通风口高度达到一定理想位置时,烟气从通风口排出,同时经过换气新鲜的空气从通风口处进入。因此通风口高度影响实验室内外烟气的交换。

3 基于烟气排放和燃料热释放影响的最佳通风口选择

火灾发展初期,因实验室内物质的特殊性,可以控制火势生长,火势功率不大,实验室内大多数氧气在燃烧时被耗费,形成热烟气,随烟气上升会卷走实验室的冷空气,会使烟气温度下降。火源羽流接触到顶部后,烟气即刻下沉至低部位,烟气和实验室下方较清新的空气掺在一起,实验室中的氧含量下降,出现一段时间的热释放速率降低。

火灾热释放速率大小通常情况下是室内可燃物自身燃值主导的,但是在实验室内通风口会影响燃烧物热释放速率,排烟过程中,通风口也会对室内进行供应氧气。因为火灾前期热释放速率较小,实验室内部空气能够支持燃烧;但是当火势烧起来,空间内氧含量耗费速度加快,这时起主要作用的就是室内通风。

当通风口位于实验室顶部排烟时,烟气质量分数值[9]比侧壁值大。发生火灾时产生的热烟气,由于受热浮力影响,导致烟气在实验室内上方浓度比下方高,则顶部通风口排出较高浓度的烟气。通风口在侧壁时,上边缘距离顶部近排出烟气浓度高,下边缘离顶部远,则排出烟气浓度低。通过排出热烟气室内温度下降,冷空气进入火源热释放速率降低。

通风口在实验室侧壁,开口处室内外风力压差较小,所以侧壁排烟量少,受羽流影响实验室内上方有较厚热烟气,致使烟雾沉降[10],火势被吞噬,实验室内易燃物品还没完全进行燃烧,热释放速率逐渐下降。但侧壁通风口位置较低,可以清楚地看见烟气层与空气的分界,实验室内上方烟气层所含氧含量稀薄[11],而下方有充裕的氧含量。伴随烟气层逐渐下降覆盖空气,接触火点周围时,火势被控制住,留下底部小火苗在燃烧。通风口又排出烟后,烟气层随之上升,火又燃起来,产生热释放。

由于微服务很难切得干净,除了向外部提供以外，微服务之间难免会出现少量的调用关系，可将每次调用产生的相关信息写入追踪中心，通过追踪中心提供的图形化界面查看服务之间的调用轨迹和产生的调用延时，从而分析出服务调用产生的性能瓶颈。

在发生火灾时,由于羽流的冲击,火焰直达实验室顶部,所以顶部通风口比侧壁排出的烟气浓度高。当通风口处于实验室顶部时,火灾发生产生较浓的烟气,顶部通风口将浓烟气排出。室外空气从顶部进入实验室,要想给下层氧气,就必须先经过上方烟气层;在经过上方热烟层过程中,外部空气和热气会混淆[12],下方的热烟气的温度温度下降,但由于混合烟气层分界不清晰。经过长时间燃烧,实验室内烟雾层一直维持沉降状态,火点附近氧含量小于当前燃料的氧气值,导致火点熄灭。烟气利用通风口排出过程中,烟雾层会升高,由于实验室下层烟气温度较低,因此不会产生复燃。

可燃物燃烧过程中产生的热释放速率,原则上可以遵循式(15)计算。

Q=φ×m×ΔH

(15)

式中:燃烧热释放速率kW用Q来表示,可燃物燃烧速率kg/s用m来表示,效率因子[13]用φ表述。

因为实验室中包含各种试剂,不确定可燃物的燃烧程度,采用式(15)计算出热释放速率值是不精确的,所以还需要运用经验公式估计。

在计算火灾热释放速率时,需要想到通风口位置,估算火灾的大小,如式(16)计算速率。

(16)

式中:通风口面积m2表示为A0,通风口高度表示为H0。

(17)

通过研究对式(17)进行校正,提出了式(18)

(18)

当火点周围的氧含量降低,空燃比[15]到达不了1,那么物质还没有完全燃烧。通风口位置在顶部,烟气厚度会有所降低,削弱了火势吞噬程度,保持实验室内物质燃烧情况一致,排放出较高烟气浓度。

4 实验室火灾最佳通风口选择仿真

模拟实验所设房间尺寸为5.3m×4.2m×3.6m,使用可燃物为甲烷,将起火点设定在实验室中心位置的实验台。本次模拟主要是了解通风口顶部和侧壁对烟气层温度、高度和烟气层内二氧化碳、一氧化碳浓度及氧气含量的影响,从而选择火灾通风口最佳位置。

实验室内部和外部起始温度均设置为22摄氏度,大气条件定为初始环境,环境大气压值1.01*105Pa。为了将实验室内可燃物点燃,在可燃物处设置了点火源,火源尺寸为0.4m×0.9m,火源功率为2MW。实验中虚线为侧壁通风口,实线为顶部通风口。火灾模拟时间控制在16分钟。

如图2所示,为实验室发生火灾时的内部烟气层温度变化曲线,可以看出,在火灾发生前期,顶部和侧壁通风口实验室内的烟气温度不相上下,经过几分钟后顶部通风口实验室温度下降明显,外部空气进入,烟气层吞噬火焰,温度降低,排烟过程中烟气层来回上下浮动,导致温度高低起伏,但波动幅度不大。侧壁通风口由于室内外压差相差微小,烟气排放量少,热烟气随着燃烧时间增加,温度升高,侧壁通风口在烟气层覆盖的作用下火势降低,温度下降,烟气层上升后,火势升高,温度增加。

图2 不同通风口位置下的烟气层温度变化

从图3可以看出,当通风口在实验室侧壁时,烟气层内二氧化碳浓度排出慢,烟气排放效果不明显,实验室内二氧化碳浓度含量在3分钟时,为最高浓度达到5.0%,通过侧壁通风口排放,在16分钟时,浓度降低为3.0%。位于顶部通风口,虽然在2分钟时二氧化碳浓度就达到4.2%,但是排烟效果较好,气体排出速度相对较快,达到理想效果。

图3 不同通风口位置下二氧化碳变化

图4所示为烟气层中一氧化碳浓度含量,通风口位于侧壁的情况下,在三分钟浓度达最大,大约2210ppm。随后烟气层中一氧化碳浓度的趋势变为缓慢降低。火灾发生羽流达到实验室顶部,烟气层直冲顶部通风口,随着排烟口将一氧化碳迅速排出,新鲜空气进入使实验室中氧气含量增加出现短时间的热释放速度降低,一氧化碳浓度趋于持平后,热能量又开始释放,一氧化碳增加后,通风口继续排放烟气内一氧化碳。

图4 不同通风口位置下一氧化碳变化

图5为顶部和侧壁通风口下烟气层内氧气变化,从图中分析,位于侧壁通风口氧气浓度在火灾前期燃烧由于羽流冲击顶部,烟气层飘向上方,下方氧气较为充足,随着烟气层降低,氧含量下降,通过排烟口,进入新鲜空气火源处再次燃烧,氧气一直上下波动。当通风口位于顶部时,由于羽流需先达到顶部在排出,先燃烧实验室内部氧气,新鲜空气从通风口进入,氧气含量增加,但火势还在生长,氧含量又降低,烟气排出,火势下降,氧含量又增加。

图5 不同通风口位置下的氧气变化

从图6中可以看出,发生火灾时侧壁和顶部通风口在燃烧初始阶段,烟气层高度都是上升状态,但在8分钟时,侧壁通风口室内的烟气层呈下降趋势,而顶部通风口曲线在不断起伏,分析是受排烟换气影响,烟气不停运动。由此可见侧壁烟气层高度低,下层烟雾较浓,排烟效果不好。顶部烟气层位置较高,烟雾上升过程中同时被排出室外,继而室内浓度低,可见度高。

图6 不同通风口位置下烟气层高度

通过仿真可以分析出,位于实验室顶部通风口比侧壁通风口排烟效果更好,较快地降低实验室内有害气体浓度,同时对室内烟气温度降低和烟气层升高有明显优势,氧含量中虽前期不如侧壁通风口,但后期效果较好,综合分析对比后得出顶部通风口位置最佳。

5 结论

本文中通过分析发生火灾时,在燃烧过程中火源羽流的运动,受限空间内通风口的开启,在横向风作用下,羽流质量卷吸速率波动大。研究通风口高度对室内烟气的排放和可燃物的热释放,得出实验室顶部为最优通风口,热释放速率降低,能够快速降低烟气浓度,室内烟气层温度有明显的下降。为了验证本文选择顶部通风口为实验室核心区域发生火灾时最优位置,进行仿真。通过对烟气层温度、高度和气体含量的分析,证明了实验室顶部通风口最佳位置,能更好地减少人员伤亡和财物损失。