049高层建筑条形走廊自然排烟的数值模拟研究全文

高层建筑条形走廊自然排烟的数值模拟研究哈尔滨工业大学施微☆高甫生摘要：采用场-区模型针对条形走廊建筑，模拟并分析夏冬两季不同室外风向、不同风速、不同起火房间情况下走廊位置的自然排烟效果。结果表明，该建筑模型在模拟工况下，单凭自然排烟不足以排出火灾生成的大量烟气，不能保证整体的安全疏散。冬季自然排烟效果要优于夏季。迎风侧外窗随风速增大其排烟效果变差，背风侧外窗排烟性能与之相反。当外界风速超过该条件下的临界风速时，迎风侧外窗将失去排烟作用。起火房间位于走廊中间时，因其可向两个方向同时蔓延，加快烟气流动，对人员疏散相对有利。关键词：火灾自然排烟条形走廊风向风速0序言建筑物发生火灾后，烟气从起火房间向走廊及建筑物其他部位蔓延。走廊连接着起火房间和前室、楼梯间等安全区域，是建筑内人员向前室疏散的必经之路。走廊烟气能否及时向外排出很大程度决定着建筑内人员是否可以安全疏散。自然排烟方式具有结构简单、不需要附加能源支持和复杂的排烟设施的优点而被广泛采用。本文采用场模型FDS(FireDynamicSimulator)与区域模型CFAST(ConsolidateFireandSmokeTransport)相结合的方式，模拟起火层内条形走廊采用自然排烟时火灾烟气的流动过程，以此评价走廊内自然排烟的效果。1模拟对象图1标准层平面示意图建筑模型（宾馆）标准层格局如图1，条形走廊长56m，宽1.8m，室内净高2.8m，走廊内设有吊顶，净高2.5m。客房房门尺寸为0.8m×2.1m，前室房门尺寸为1.2m×2.1m。走廊两端外墙设有可开启自然排烟窗，尺寸为1.5m×1.2m。该建筑位于北京市区（气象参数见表1），共30层，层高3m，起火层为第20层。起火房间位于1号客房（见图1），火源处于墙角。起火房间内的火灾过程采用场模型FDS模拟，其它房间利用区域模型CFAST模拟。模拟时间设定为1200s。条形走廊被分划为14个串联的区域（见图1），使狭长走廊内烟气蔓延的区域模拟更加精确[1]，区域之间设置与走廊等宽等高的通风开口。由FDS向CFAST传递的数据包括：火灾功率、燃料的热解率、起火房间内CO2、CO的质量组分数等。火灾功率随时间的变化关系见图2。将数据进行简要处理后直接导入CFAST，这些参数是：火灾功率，火源燃烧热，CO/CO2（燃烧高温分解生成的CO与CO2的质量之比，kg/kg）。计算得火源燃烧热为19000kJ/kg，CO/CO2为0.02。表1北京市区夏季、冬季室外计算气象参数大气压力/kPa干球温度/℃相对湿度/%参照风速/m/s夏季99.8630201.9冬季102.04-5452.8注：表中参照风速，为空旷地带高度10m处测量的当地风速；用于模拟时需作修正。模拟所采用的参照风速为市区30m高度处的参照风速(见文献[2])，经修正参照风速为：夏季，1.5m/s；冬季，2.2m/s。图2输入CFAST的火灾功率图3外窗风力角定义示意图2模拟结果及分析研究表明，随着起火房间房门开度的增加，室内火灾功率的峰值逐渐增大，相应走廊内的烟气运动速度、烟气的温度和浓度都要增加[3]。对于本建筑模型，客房位于条型走廊两侧。建筑内发生火灾时，当有房门打开的时候，房间会储存一定的烟气量，而且宾馆客房卫生间的排气窗孔会在热压的作用下向外排烟，使得走廊内烟气量有所减少。宾馆房门开启具有很大的随机性，鉴于不可能对每种房门开启的情况进行模拟，仅模拟最不利工况下自然排烟的效果。研究表明，起火房间房门全开、非起火房间房门全关的情况为火灾发生时建筑内人员疏散的较不利工况。本文仅模拟此种工况下，走廊内采用外窗自然排烟时烟气的分布状况。由于建筑不可能完全封闭，一部分空气通过门窗缝隙向走廊渗透，会对走廊烟气分布有一定影响。模拟发现，当开启外窗采取自然排烟时，是否考虑门缝渗透对排烟效果影响不大，渗透量相对于室外进风量可忽略不计。因此在模拟自然排烟效果时可忽略门缝渗透的影响。将走廊划分为14个区域，命名为corr1，corr2，…，corr14。将这14个区域按疏散方向划分为3部分，corr1-corr5通过前室1疏散，为疏散通路1（access1）；corr6-corr9位于两前室之间，人员依据习惯选择疏散方向，为疏散通路2（access2）；corr10-corr14通过前室2疏散，为疏散通路3（access3）。模拟结果针对不同通路整理参数曲线进行分析。走廊位置采用开启外窗进行自然排烟，定义外窗朝向与外界自然风向夹角为风力角a（见图3）。a1、a2分别为左、右侧外窗风力角。由于室外风向的不确定性，分别模拟以下三种情况的自然排烟：①a1=0°，a2=180°；②a1=180°，a2=0°；③a1=90°，a2=90°。设定起火100s后，走廊外窗开启。夏季冬季模拟室外气象参数设置不同，分别进行模拟。用于评价排烟效果的参数主要有：上（下）层烟气温度、上（下）层组分浓度、烟层界面高度等参数。以access1为例分析上（下）层烟气温度（见图4）。由曲线可见，走廊内上层温度100℃-400℃，人员在该环境下难以忍受而导致受伤或失去疏散能力，下层温度除靠近起火房间的区域（corr1、corr2）外都低于40℃，对于人员疏散是安全的。以corr1区域为例分析该区域内上（下）层烟气组分浓度（见图5）。混合气体中，未耗尽的O2可提供人员呼吸，有利于疏散。CO2与CO是两种主要的燃烧产物。CO2主要是排除氧气使人缺氧窒息甚至导致死亡。CO自身带有毒性，它的毒性反应与浓度和持续时间成正比。此处采用O2、CO2、CO作为典型气体进行组分分析。通常情况下规定的烟气组分中各种有毒气体的火灾疏散条件浓度[4]见表2。0200400600800100012000100200300400上层烟气温度/℃时间/scorr1corr2corr3corr4corr502004006008001000120020406080100下层气体温度/℃时间/scorr1corr2corr3corr4corr5图4access1各区域上、下层气体温度随时间变化0200400600800100012006810121416182022缺O2浓度/%时间/s上层气体下层气体020040060080010001200024681012141618CO2浓度/%时间/s上层气体下层气体模拟结果发现，上层烟气中三项参数浓度均超过疏散标准，威胁到人员的生命安全；而下层烟气可以保证人员的安全疏散。将走廊各区域混合气体组分数据整理发现，沿走廊长度方向的各区域内，烟气组分浓度变化在的一定的范围内，下层烟气的组分浓度各项参数均满足疏散条件。综合上述对烟气上（下）层烟气温度及上（下）层组分浓度的分析可知，仅对火灾过程中走廊位置烟层界面高度的变化趋势进行讨论，即可全面评价烟气排出效果并以此评估建筑内人员向外疏散的安全程度。下面的分析仅围绕烟层界面高度展开。根据烟层界面高度评价自然通风对于人员疏散的影响，通常安全疏散的烟层界面高度下限为1.5m。2.1夏季自然排烟效果模拟及数据分析无排烟情况时（见图6），起火后30s至180s，烟气在走廊内水平蔓延，同时不同区域(由远及近)的烟层高度相继依次迅速下降，300s左右燃烧进入稳定发展阶段，各区域烟层界面相继达到最低点，降至地面。外窗开启进行自然排烟，外窗风力角a1=0°、a2=180°条件下模拟自然排烟烟层界面高度随时间变化见图7。火灾初期各区域烟层界面依次迅速下降，200s左右烟气水平蔓延至整个走廊。水平蔓延的同时，不同区域的烟层界面高度在短时间内陆续下降。外窗开启后，由于左侧外窗处于负压状态，使得烟层下降较为缓慢，在外窗开启时刻（100s）前后可以明显看到烟层界面下降速度的差异。随着火势发展大量的高温烟气生成，聚集在走廊内。在400s左右，各区域烟层界面先后降至最低点。其后火灾进入稳定阶段，烟层界面高度也逐步稳定，在不同区域稳定在不同的高度，存在少许扰动。走廊中间（access2）各区域烟层高度随水平距离变化不很明显，走廊两侧由于外窗作用及起火房间的影响，导致不同区域的烟层高度错落有制。右侧外窗处于迎风面，大量空气进入室内，使access3各区域烟气收到大量外界空气冷却因而降至地面。除起火房间正对的区域corr1（烟层界面大约稳定在1m左右）整个走廊烟层界面都持续在0.5m以下，可见排烟效果十分不理想，不能保证安全疏散。情况②a1=180°，a2=0°条件下自然排烟的模拟结果见图8。与情况①相比较发现，两种情况下access1的曲线变化趋势与稳定后的界面高度基本一致。主要是因为，左侧外窗相邻的corr1正对起火房间，使得该处烟气温度极高，产生相当大的热压。左侧外窗虽处于迎风侧，但风压作用小于热压，所以热压起主导作用，使得access1处各区域即使在风向相反的情形下，得到几乎同样的排烟效果。access1各区域烟层界面高度随其相距起火房间由近及远逐渐降低，而access3则相反，随其相距起火房间由近及远逐渐升高。主要是由于access3远离起火房间靠近外窗，在外窗的排烟作用下使得远端区域烟层界面反而有所升高。由于情况②右侧外窗处于负压，其排烟效果明显好于情况①。但整体来讲排烟效果仍不理想，烟层界面高度在1m以下，对疏散存在重大威胁。图9为a1=90°，a2=90°条件下的模拟结果，此时两侧外窗都是负压。排烟效果界于前两者之间，最明显表现在access3的各区域，情况①稳定在0m-0.3m之间，情况②稳定在0.4m-1.1m之间，而情况③大致稳定在0.3m-0.6m之间。图10为3种室外风向情况下模拟自然排烟，烟层界面高度沿走廊长度方向的变化曲线，选取4个时刻：300s、500s、800s、1000s。左侧阶跃曲线为区域模拟结果的直观体现，右侧为线性插值后连续变化的烟层界面高度曲线。可见负压虽有利于排烟，但在此建筑格局、室外温度及风速的条件下，两侧外窗不足以排出大量的烟气，模拟结果表明排烟效果并不理想，不能保证整个走廊内人员的安全疏散。同时根据模拟发现，access2各区域烟层高度随时间变化在一个极小的范围内（corr5与corr10区域的表征曲线之间）变化，曲线簇几近重合，因此下面分析烟层高度随时间变化时仅列出access1和access3各区域的该参数曲线。02004006008000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr1corr2corr3corr4corr502004006008000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr10corr11corr12corr13corr14图6无排烟情况时，烟层界面高度随时间变化（左：access1，右：access3）0200400600800100012000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr1corr2corr3corr4corr50200400600800100012000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr10corr11corr12corr13corr14图7a1=0°，a2=180°烟层界面高度随时间变化（左：access1，右：access3）0200400600800100012000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr1corr2corr3corr4corr50200400600800100012000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr10corr11corr12corr13corr14图8a1=180°，a2=0°烟层界面高度随时间变化（左：access1，右：access3）0200400600800100012000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr1corr2corr3corr4corr50200400600800100012000.00.51.01.52.02.5烟层界面高度/m时间/scorr10cor