烟囱效应作用下火灾烟气蔓延规律模拟_张玉涛.pdf

文章编号:1009-6094(2023)03-0740-09烟囱效应作用下火灾烟气蔓延规律模拟*张玉涛，车博，张玉杰(西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054)摘要:为研究高层建筑火灾烟囱效应产生后的烟气蔓延规律，基于 FDS 火灾模拟软件，以某高层建筑为例，对比分析了4 种不同横截面尺寸竖井烟气蔓延特性，引入竖井无量纲长径比判断烟囱效应明显与否，研究了烟囱效应的产生特征及其烟气蔓延规律，分析了建筑中性面之上楼层的温度、CO 体积分数和能见度变化。结果表明:无量纲长径比在 8 左右时竖井内烟气流速发生突变，竖井内大部分区域烟气流速达到6 m/s，产生明显的烟囱效应;中性面以上的楼层受烟气危害远大于中性面以下，且烟气在中性面以上的水平蔓延速度随层高增加而不断加快;随着火势发展，中性面之上疏散走道温度均超过了安全疏散的临界温度 60，距离火源越远的楼层 CO 体积分数达到临界值的速度越快。研究为高层建筑火灾的防排烟设计和人员疏散条件的确定提供了理论依据。关键词:安全工程;数值模拟;竖井;烟囱效应;烟气蔓延中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1777*收稿日期:2021 10 15作者简介:张玉涛，教授，博士，从事煤炭自燃和建筑火灾防控研究，ytzhang xust edu cn。基金项目:国家自然科学基金项目(51774233)0引言随着我国城市化进程的不断加快，建筑火灾成为火灾中的“主流”，其中高层建筑火灾呈多发之势，2020 年高层建筑火灾共 8 348 起，同比 2019 年上升 19.7%1。建筑类型的多元化发展导致建筑内出现如中庭、电梯井、电缆井、楼梯井等贯通楼层的竖向通道。建筑发生火灾，烟气进入竖井后，竖井内温度升高，高温烟气体积比相同质量的空气大，其密度比空气小，造成竖井内外压强差增大，在气体浮力与压差的作用下，形成烟囱效应。据调查，高层建筑火灾中，烟囱效应是加快火势和烟气纵向蔓延的主要驱动力。在烟囱效应的作用下，烟气将快速向上纵向蔓延，并通过竖井中性面以上楼层的侧向开口水平蔓延，导致火灾烟气向未燃区域扩散，给人员疏散造成更大困难。在理论与试验研究方面，1991 年，Klote2 首次得到在不同开口状态下竖井中性面高度与开口面积、室内外温度的关系式。1998 年，Harmathy3 忽略中性面与开口位置的影响，建立了竖井内的火源功率分布计算模型。Cooper4 考虑到传统的分区式竖井内火灾温度计算模型的特点和局限性，提出了竖井内烟气新的运移模型。2000 年，Tanaka 等5 推导出烟气在竖井中的上升时间与高度及火源功率之间的关系式，为烟囱效应下烟气蔓延规律的进一步研究奠定了基础。2006 年，张靖岩等6 最先通过小尺寸试验的方法对竖井中烟气蔓延的驱动力进行了分析，随后朱杰7、李林杰8 等建立小尺寸模型对建筑竖井内的烟气运移规律及中性面展开了研究。2009年，孙晓乾等9 在模拟尺寸模型基础上采用 t2火，进一步优化了烟气在竖井中的上升时间与高度的关系式。2010 年，许兆宇10 总结了楼梯井在不同开口形式下的烟气扩散及温度分布规律。2011 年，许晓元等11 引入多区域的思想，推导出竖井一侧连续封闭开缝情况下的中性面位置的方程。在数值模拟方面，张江涛12、代长青等13 通过 FDS 模拟了特定火场条件下烟气的蔓延规律。只有少部分学者通过FDS 模拟验证了建筑火灾中的烟囱效应。Zhao等14 运用 FDS 建立了 12 个典型火灾场景，综合阐述了不同工况下气流速度、温度分布、压力分布和中性水平面高度等参数的变化规律。杨祎15 通过FDS 模拟了在建高层建筑不同施工场景烟囱效应下的火灾烟气蔓延情况，分析了不同火灾影响因素下的火灾特征参数变化规律。2021 年，李宗翔等16 利用 FDS 分析了某学生宿舍竖井底部起火并产生烟囱效应后的烟气扩散过程，为公寓火灾的安全疏散提供了依据。目前建筑火灾的烟囱效应已经得到了一定程度的研究，但对于高层建筑火灾烟囱效应发生时的烟气蔓延规律研究较少。因此，本文通过 FDS 数值模拟探究建筑火灾产生烟囱效应下火灾烟气的蔓延规律和扩散特征，以及火灾温度场的分布和演变规律，以期为建筑防排烟设计和人员安全疏散提供参考。1建筑概况和火灾模型建立1.1建筑概况和火灾模拟参数设置以某高层建筑为模拟对象，通过导入 AutoCAD平面图以 1 1尺寸比例建立物理模型，模型长 43.9m，宽45.1 m，高51.5 m，地上共14 层。建筑属性为商业综合体，1 3 层为商场，层高 5.25 m;4 14 层为商业办公区，层高 3.25 m。首层直通室外的门均047第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023处于开启状态，1 3 层窗户全部关闭，4 14 层每层随机开启 4 扇窗户。模拟建筑属于一类公共建筑，根据规定，建筑内部墙面和地面的燃烧性能等级均不应低于 B1级17，建筑墙体和楼板均采用混凝土和石膏板按照 8 2混合质量比建成，模拟达到规范要求的耐火要求。为保证截面尺寸设计的科学性和针对性，同时减少模拟工作量，初期设置了不同横截面尺寸的竖井，并进行粗略的网格划分，然后进行预模拟观察烟囱效应的显著性。初步得出，竖井发生烟囱效应的临界横截面尺寸(边长)大致范围为 3 6 m。因此，建立4 种不同横截面尺寸(边长 边长)的竖井进行模拟，即 6 m 6 m、5 m 5 m、4 m 4 m 和 3 m 3m。竖井贯通 4 14 层，高度均为 35.5 m，且每层有尺寸相同的侧向开口直通每层的走道，每层侧向开口宽 1.6 m、高 2 m，模拟楼梯间与走道之间的防火门，为考虑烟囱效应产生后的最不利后果，默认侧向开口全部处于开启状态。为使结论更具通用性，引入无量纲长径比 A*作为烟囱效应是否明显的判断因素，长径比可通过式(1)计算。A*=HD(1)式中A*为竖井长径比;H 为竖井高度，本文取35.5 m;D 为竖井横截面的水力直径，m。D 由式(2)得出。D=4AC(2)式中A 为竖井横截面面积，m2;C 为竖井横截面内周长，m。按照式(1)计算得出横截面边长为 6 m、5 m、4m 和 3 m 对应长径比分别为 5.9、7.1、8.8 和 11.8。为体现出建筑火灾烟囱效应的特殊性，将火源置于建筑首层商场区域，火源面积为 1 m 1 m，火源中心距竖井水平距离为 2.1 m，初始温度为 20，环境压力为 101 kPa，相对湿度为 40%。模拟一类装饰家居着火时的烟气蔓延，以聚氨酯泡沫材料为主的普通沙发上的可燃装饰物着火为例，确定沙发与沙发周围装饰物等总最大热释放速率为8 MW，采用 t2火模型进行模拟。根据经验，针对人员密度较大的场所如商场、办公室，需考虑发生火灾最不利情况下的火灾后果，因此选择模拟一种超快速火下的烟气蔓延，选定火灾增长系数 为 0.187 kW/s2。通过式(3)计算，得出火灾发生 207 s 后达到充分燃烧，热释放速率达到最大值。Q=t2(3)式中Q 为热释放速率，kW;t 为火灾增长时间，s;为火灾增长系数，kW/s2。1.2网格划分和测点布置D*为火灾特征直径，经美国国家标准与技术研究所(NIST)试验验证，一般取 D*为网格尺寸 d 的4 16 倍，D*通常表示为式(4)。D*=QcpT()g25(4)式中D*为火灾特征直径，m;Q 为总热释放率，kW;为环境空气密度，kg/m3;cp为环境空气比热容，kJ/(kgK);T为环境空气温度，K;g 为重力加速度，m/s2。火灾热释放速率 Q 为 8 MW，环境空气密度取值为 1.29 kg/m3，环 境 空 气 比 热 cp为 1.005kJ/(kgK)，环境空气温度为 293 K，重力加速度为9.8 m/s2，将各参数值带入式(4)中计算得到 D*为2.1 m，网格尺寸 d 取 D*的1/7 得到 d=0.3 m。设定网格大小为 0.3 m 0.3 m 0.3 m，网格数量总计为 4 392 960 个。图 1测点布置图Fig 1Layout diagram of measuring points当不断缩小竖井横截面尺寸时，火灾烟气特性参数变化主要体现在烟气流动速度变化，在竖井内设置速度切片，竖井内测点布置见图 1(a)。当人员疏散至每层的防烟楼梯间及其前室或者电梯和楼梯间的合用前室认为人员疏散比较安全，将测点设置在 11 14 层的疏散走道内的竖井口、两个直通前室的疏散出口及疏散走道尽头，分别设置温度测点、能见度测点及 CO 体积分数测点，并在疏散走道的中轴线上、竖井内设置温度切片。温度测点、能见度测点及 CO 体积分数测点位置重合且距本层地面 2 m高，疏散走道测点布置见图 1(b)。1472023 年3 月张玉涛，等:烟囱效应作用下火灾烟气蔓延规律模拟Mar，20232竖井内烟囱效应产生的临界尺寸确定2.1烟气蔓延至建筑顶部的时间变化规律图 2 为烟气蔓延至建筑顶部 Smokeview 视图，火灾条件下产生的烟囱效应必然是正烟囱效应，即高温热烟气会从中性层之上的侧向开口向建筑内蔓延，因此将疏散走道是否有烟气蔓延作为判断中性层位置的方法。对比 4 种不同长径比的竖井烟气蔓延现象可以发现:A*=5.9 的竖井内烟气从下至上依次进入每层走道，每层走道内的烟气聚集量从下至上依次减小，当烟气蔓延至顶部时，11 14 层少有烟气聚集甚至没有烟气，未见明显中性层;A*=7.1 的竖井烟气向上蔓延过程极为缓慢且竖井内烟气分布不均匀，中性层不明显，烟气并没有通过每层的侧向开口向水平方向蔓延;A*=8.8 的竖井烟气图 2烟气蔓延至建筑顶部 Smokeview 图Fig 2Smokeview diagram of smoke spreading to the top of the building蔓延至建筑顶部的时间发生大幅度缩短，烟气到达竖井顶部后开始水平蔓延，水平蔓延的楼层主要为8 14 层，由图 2(c)可看出竖井中性面在第 8 层上下;A*=11.8 的竖井烟气水平蔓延的楼层为11 14层，距离首层火源位置最远，竖井中性面在第 11 层上下，高于 A*=8.8 的竖井。不同竖井烟气蔓延至建筑顶部的时间和蔓延速度见表 1。其中，A*=5.9和 7.1 的竖井相对于 A*=8.8 和 11.8 烟气纵向蔓延时间长、速度慢，这是因为在相同高度下，长径比小的竖井横截面积较大，在相同热释放速率的火灾下竖井内升温速率相对较低，引起竖井内外压差较小，导致烟囱效应不明显。表 1烟气蔓延至建筑顶部的时间和速度Table 1Time and velocity of smoke spreadingto the top of the buildingA*时间/s蔓延速度/(ms1)5.9(6 m 6 m)58.10.617.1(5 m 5 m)61.10.588.8(4 m 4 m)39.80.8911.8(3 m 3 m)37.90.93247Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期2.2烟气流速变化规律竖井内一旦产生烟囱效应，烟气会加速向高处流动，形成“拔火拔烟”现象。当火灾发展到 207 s，即火源的热释放速率达到最大时，竖井内的速度变化见图 3。由图 3 可知当竖井的 A*=5.9 时，竖井内只有底部烟气流速可达6 m/s，竖井内和竖井顶部烟气流动速度多在 2.5 4.5 m/s;当 A*=7.1 时，只有竖井底部烟气流速较高，竖井中心和顶部烟气流速均不超过 4.5 m/s。而 A*=8.8 和 11.8 的竖井烟气流速与 A*=5.9 和7.1 的竖井烟气流速截然不同，竖井内除顶部区域外烟气流速均达到 6 m/s左右，竖井顶部由于封顶形成顶棚射流，在竖井顶部烟气达到饱和后，烟气接触顶部楼板改变蔓延方向开始通过侧向开口水平