外界风对建筑中庭自然排烟的影响.pdf

第3 0 卷第1 期 2013 年2 月 沈阳航空航天大学学报 J o u r n a lo fS h e n y a n gA e r o s p a c eU n i v e r s i t y V 0 1 3 0N o 1 F e b 2013 文章编号：2 0 9 5 1 2 4 8 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 8 1 0 6 外界风对建筑中庭自然排烟的影响 陈霄，谢姚 ( 沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳1 1 0 1 3 6 ) 摘要：采用数值模拟的方法，分析了在自然排烟条件下，不同外界风对于中庭内烟气流动特性的影 响。通过模拟得出：单侧外界风对于自然排烟烟气流动有明显影响，烟羽流倾斜角度随风速增加 而增大，同一时刻相同高度的压力随风速增加而减小，温度大小相对于高度的变化率随风速增加 而减小，较大的风速会造成排烟口流量相对于时间的变化率减小。 关键词：外界风；中庭；数值模拟；烟气流动 中图分类号：X 9 3 2 文献标志码：A d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 2 0 9 5 1 2 4 8 2 0 1 3 0 1 0 1 8 T h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a lw i n d so nN a t u r a lS m o k e E x h a u s ti nb u i l d i n ga t r i u m C H E NX i a o ，X I ED a n ( C o l l e g eo fS a f e t yE n g i n e e r i n g ，S h e n y a n gA e r o s p a c eU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 1 3 6 ) A b s t r a c t ：B a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n te x t e r n a lw i n d so n s m o k em o v e m e n tu n d e rn a t u r a lv e n t i l a t i o n T h er e s u l t ss h o wt h a te x t e r n a lw i n d sf r o mas i n g l ed i r e c t i o nh a v e o b v i o u se f f e c t so ns m o k em o v e m e n tu n d e rn a t u r a lv e n t i l a t i o n W h e nt h ew i n ds p e e di n c r e a s e s ，t h ef L r ep l u m g r o w ss e v e r e l y ，t h ep r e s s u r ei nt h es a m eh e i g h ta tt h es a m et i m et u r n sl o w e r ，a n dt h ec h a n g er a t eo ft h eg a s t e m p e r a t u r eo v e rt i m eb e c o m e ss m a l l e r 1 h ew i n d sw i t hh i g hs p e e dw i l lm a k et h ef l o wt h r o u g hs m o k ev e n t s d e s c e n df a s t e r K e yw o r d s ：e x t e r n a lw i n d s ；a t r i u m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s m o k em o v e m e n t 伴随着我国经济和相关技术的不断发展，中 庭正以其庄重美观、视野开阔、环境舒适等特点被 越来越多地引入到商业、展览、办公等大型公共建 筑内。与此同时，中庭的贯通性也给消防安全设 计带来了挑战。统计结果表明，火灾中8 0 以上 死亡者死于烟气的影响。而中庭内通常无法按照 常规方法划分防火分区，易导致烟气迅速扩散，使人 员遭受高温浓烟威胁，极易引起恐慌和拥挤、踩踏现 象，影响人员安全疏散。因此，中庭的排烟设计是中 庭类公共建筑消防系统设计的重要组成部分2 1 。 中庭通常采用的排烟方式有机械排烟和自然 排烟。以往中庭通常采用机械排烟方式，并已有 人做过相应研究旧7J 。机械排烟初期投资高，而 且火灾猛烈发展阶段排烟效果会降低，另外，如今 越来越多的中庭由于考虑到美观和采光的要求而 采用玻璃顶棚，造成机械排烟设备安装不便。而 自然排烟不仅结构简单，而且无动力设备和投资 少，因此越来越受到青睐，例如北京大剧院、国家 会议中心均采用了自然排烟方式。 影响自然排烟的因素很多，其中建筑外部环 境风( 简称为“外界风”) 是不可忽略的重要因素， 而在工程实践中，往往将出口边界条件简化处理 为自由边界条件，忽略了外界风对于排烟效果的 影响，显然是不尽合理的，需要分析外界风对于自 收稿日期：2 0 1 2 1 1 2 0 作者简介：陈霄( 1 9 8 7 一) ，女，辽宁葫芦岛人，硕士，主要研究方向：防火防爆工程与技术，E m a i l ：c x 2 0 0 6 0 4 0 5 5 0 0 2 1 2 6 c o m 。 甄 万方数据 8 2 沈阳航空航天大学学报第3 0 卷 然排烟的影响。本文采用数值模拟的方法，分析 了固定风向、不同风速的外界风条件对中庭建筑 自然排烟效果的影响，为中庭建筑自然排烟设计 提供一定参考。 1 模型参数设置 1 1 基本参数设置 本文采用火灾动力学软件F D S 对中庭建筑 进行烟气模拟分析。中庭尺寸为4 0 m 长( 工方 向) 、2 4 m 宽( Y 方向) 、2 8 m 高( Z 方向) ，模拟设定 边界为6 0 m 6 0 m 5 4 m 。计算区域网格划分为 0 5 m 0 5 m 0 5 m ，总模拟时间为6 0 0 s 。火源 位于中庭中央，面积为1 m 2 。根据美国N F P A 9 2 B 中的建议，未限制可燃物的中庭最小火灾热释放 速率为5 0 0 0 k W 。火灾增长曲线选用快速产火， 火灾增长期时间为f = 3 2 7 s 。 1 2 排烟补风参数 排烟量计算采用产烟量法旧j ，经计算后确定 排烟口总面积为1 2 9 6 m 2 ，个数为9 个，尺寸为 1 2 m 1 2 m ，采取3 行3 列，顶棚居中布置。在 中庭底部南北两侧分别设置尺寸为3 6 m 1 8 m 的自然补风口，2 4 0 s 时排烟口和补风口开启。采 取外界自然补风方案，主要分为无风、均匀风、梯 度风三种状态，仅在风向与底部开口垂直的情况 下，分析外界风对于中庭内部烟气流动分布规律 的影响。 实际中，风速通常都是不稳定的外界因素，风 速随高度的变化而变化。根据空气运动的角度分 析，高度在0 1 0 0 m 的区域内空气流动受涡流、 黏性和地面植物以及建筑物等的影响，风向基本 不变，但风速大小会随着高度的增加而增大。而 这一变化主要取决于地面粗糙度。 u = u o ( h h o ) 9 ( 1 ) 式中：u 一高度为h 处的风速( m s ) ； 一基准高度处的风速( m s ) ； 一基准高度，取1 0 m ； p 一粗糙度，取0 4 旧J 。 不同地面情况的地面粗糙度如表1 所示0 | 。 本文所研究对象的高度远低于1 0 0 m ，因此处 于风速随高度增大而增大的区域。假设研究对象 位于城市，且周围有高层建筑，粗糙程度设定为0 4 。 表2 给出了风速取值的一般范围。由于二级 风可以被人感觉到，三级风可以观察到旌旗展开， 风速已经相当大。因此，以二级风速1 6 m s 一 3 3 m s 、三级风速3 4 m s 5 4 m s 为参考标准， 分别取风速为2 m s 、5 m s ，制定模拟方案如表3 所示。 表1 不同地面粗糙度汇总表 地面情况粗糙程度 光滑地面，硬地面和海洋 草地 城市平地，树木极少，有较高草地 较高农作物，篱笆，树木较少 数目较多，建筑物极少 森林和村庄 有高层建筑的城市 O 1 0 0 1 4 0 1 6 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 8 0 3 0 0 4 0 表3 不同风速情况汇总表 1 3 测点布置 沿X 方向距离火源1 0 m 处布置两组热电偶， 最低点坐标为( 1 0 ，1 2 ，1 ) 最高点坐标为( 1 0 ，1 2 ， 2 7 ) ，垂直间距为l m ，共计5 4 个热电偶。并设置 了经过火源的温度、可见度等纵切面，同时设置了 排烟口附近的压力和流量切面等，测点布置如图 1 所示。 一 图I 模型及排烟口布置示意图 万方数据 第1 期陈 霄，等：外界风对建筑中庭自然排烟的影响 8 3 2 模拟结果分析 2 1 不同外界风对于火焰倾斜程度的影响 图2 为t = 4 8 0 s 时，不同风速条件下X = 2 0 m 切面上的烟羽流形状。从上图可以看出，场景1 中，初始风速为O m s 即无外界风的情况下，在排 烟口和补风口开启后，烟羽流基本竖直向上蔓延 到达顶棚，一部分由排烟口排至室外，一部分沿两 侧墙壁逐渐下降，并卷吸空气使得烟层厚度逐渐 增加，但保持对称平稳下降的趋势。 场景2 一场景5 中，排烟口和补风口开启后， 单侧外界风造成火羽流发生不同程度的倾斜，风 速越大，发生的倾斜角度越大。针对于均匀风来 看，场景2 中，羽流倾斜角度在2 0 3 0 0 左右，场 景3 中，羽流倾斜角度在7 0 8 0 。左右，并且火羽 流几乎被吹倒，贴近地面，烟羽流半径被拉长了 3 m 左右。针对于梯度风来看，在火灾初期，火羽 流从连续火焰处便开始发生倾斜。场景4 中，火 羽流倾斜较小角度；场景5 中，火羽流倾斜角度很 大。 横向比较发现，同一时刻，均匀风造成的烟羽 流倾斜角度比梯度风稍大，原因可能是均匀风在 补风口附近的风速比梯度风大，对烟羽流的扰动 较大。模拟中还发现，场景3 和场景5 中，中庭上 方的烟羽流因风速过大而呈现不规则的跳动。 图2 不同风速条件下烟羽流形状 2 2 不同外界风对于排烟口附近压力的影响 从X = 2 0 m 处的压力切面来看，在燃烧后期， 由于风速条件不同，造成室内压力分布有所不同。 场景1 中，即在无风条件下，室内压力分布随高度 增加而增加，到顶棚附近压力最大，并且同一高度 压力基本相同。场景2 和场景4 中，即外界风速 为2 m s 时，压力随高度增加而增加，与无风状态 下相差不大，不同的是，背风面靠近顶棚处压力稍 大于相同高度处周围其他位置；而背风面在中庭 1 2 高度处附近压力稍小于相同高度周围其他位 置。另外，梯度风与均匀风相比，梯度风在补风口 附近形成负压漩涡，对补风造成影响。场景3 和 场景5 中，即外界风为5 r n s 时，室内压力仍随高 度增加而增加，与场景1 、场景2 和场景4 相比， 同一高度处压力较大。即风速越大，同一时刻同 一高度处的压力越小。横向比较发现，梯度风条 件下的顶棚压力小于均匀风条件，但在补风口附 近同样形成负压漩涡。 2 3 不同外界风对于烟气温度的影响 从图2 可看出，无风状态下，火源附近最大温 度低于有风状态，火灾和初期，火源附近最大温度 的变化不大，主要变化发生在火灾中后期，随着风 速的增加，火源附近的温度明显下降。 如如 m ，瓣 一枷 知如如 m ，骣 00一撕 万方数据 8 4 沈阳航空航天大学学报第3 0 卷 3 - 捌 ： 一 。j 鞫鹾鬟；自自蘸 排烟【1 开启前的压