不同季节对中庭火灾烟气沉降的影响研究

不同季节对中庭火灾烟气沉降的影响研究 不同季节对中庭火灾烟气沉降的影响研究 第5卷第4期 2009年8月 中国安全生产科学技术 JournalofSafetyScienceandTechnology V01.5No.4 Aug.2009 文章编号:1673—193X(2009)一04—0014—05 不同季节对中庭火灾烟气沉降的影响研究 秦挺鑫,薛淑艳 (1.中国 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化研究院,北京100088) (2.清华大学航天航空学院,北京100084) 摘要:模拟了典型中庭建筑火灾烟气的充填过程.对比了不同季节条件下(不同的顶棚温度和 不同的室内温度)的烟气沉降过程.数值模拟结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在顶棚温度不同的情况下,低温顶棚会加 速烟气的沉降,烟气层的平均温度和碳黑浓度都降低,而高温顶棚则会减慢烟气的沉降,烟气层的 平均温度和碳黑浓度则会升高.在不同的室内温度情况下,温度的变化对烟气的沉降速度没有明 显的影响,但对烟气层的平均温度影响较大,低室温条件降低了烟气层的平均温度,在一定程度上 降低了火灾的危险性. 关键词:火灾;中庭;大涡模型 中图分类号:X932文献标识码:A NumericalstudiesoNtheinfluenceoftheseasontofiresmokedescendinginanatrium QINTing.xin,XUEShu—yan (1.ChinaNationalInstituteofStandardization,Beijing100088,China) (2.TsinghuaUniversity,Beijing100084,China) Abstract:UsingLESmethod,thispaperaimstoinvestigatetheimpactthatthechangesinthetopgateareaofsin— gle— runstairwellhaveonthevolumesofentrainedairandexhaustsmoke,theaverageoxygenconcentrationinthe stairwellandpressuredifferencebetweeninsideandoutsideofthestairwellinthefireprocess,andanalyzethe characteristicsofsmokeflowinstairwellfireinaccordancewiththefireprocessinthesingle-runstairwel1.The studyfindingsindicatethatwiththetopgateareaofsingle— runstairwellincreasing,thevolumesofentrainedairand exhaustsmokevolumesandtheaverageoxygenconcentrationinthestairwellincreaserespectivelywhilethepres— suredifferencebetweentheoutsideandinsideofthestairwellgraduallydecreases.Thecalculationresultsshowthat inafirescenetheabovephysicalquantitiesaremoresensitivetothechangesofthegateheight. Keywords:fire;single—runstairwell;largeeddysimulation 1引言 在火灾防治工程中室内火灾的烟气充填过程一 直是关注的焦点.随着近年来经济的发展,中庭等 收稿日期:2009-06-23 作者简介:秦挺鑫,男,助理研究员. 大空间建筑的增加成上升趋势.这种大空间建筑为 火灾防治带来了一系列新问题,主要是大空间建筑 内部空间大,人员密集,由于受其功能限制,无法进 行防火防烟分区,一旦发生火灾,烟气迅速蔓延开 来,造成严重的生命财产损失.因此对于大空间建 筑火灾问题的研究已经受到了极大地重视…. 很多人注意到大空间建筑火灾的特殊性,并进 行了一些分析.但由于中庭建筑体积较大,实验研 第4期中国安全生产科学技术?l5? 究费用很高.早期的研究主要是进行理论分析和在 缩小比例的模型中进行实验研究.但是,由于 中庭建筑与常规建筑有着很大的差别,而且各种中 庭建筑本身也形式各异,因此火灾发展演变的状况 也明显不同.比如,当中庭内发生火灾时,火灾烟气 的运动受许多相互耦合因素的影响,如浮力,烟囱效 应,风压等,采用缩比的实验难以反映真实的火灾情 景.近年来,中国科技大学和香港理工大学合作,建 立了一个模拟中庭的实验建筑,并开展了系列实 验,研究结果给出了真实火灾情景下大型中庭 建筑内烟气充填过程,对了解中庭建筑中火灾烟气 的运动规律提供了直观的实验资料. 针对大空间建筑火灾情景下火蔓延及烟气运 动的研究,数值模拟方法是一种重要的手段.目 前的研究大都采用区域模拟方法?j,其优点是 计算量较小,其缺点是只能适用于某种形式或结 构的建筑物中一定形式的火灾过程.当建筑物形 式,结构或长,宽,高的比例发生变化或火源位置 发生变化时,所选用的计算模型必须加以修改,因 此,其普适性受到很大限制.而采用场模拟(或 CFD模拟)的方法则克服了上述困难,随着计算机 能力的提高,场模拟的方法越来越多地应用于中 庭建筑内火灾过程的模拟,如具有复杂几何形状 的建筑内烟气运动的模拟?J,不同形状中庭内 烟气沉降特性研究,香港常见的2000m规模 的不同类型中庭内火灾过程研究?,具有火源的 3种类型中庭建筑内的烟气充填过程?引,中庭内 阳台烟气羽流的流动过程以及自然通风及烟气 控制方法的数值模拟?等. 本研究以中国科技大学和香港理工大学(USTC/ PolyU)合建的中庭建筑为对象,以FDS为计算平台, 研究了不同季节对该建筑中烟气沉降过程的影响. 2数值模拟结果及分析 2.1中庭火灾烟气充填过程数值模拟 为了验证模拟方法的准确性,针对李元洲等 人做的中庭火灾烟气充填的实验工况进行了数值模 拟研究.将FDS的数值模拟结果与实验结果以及 ASET区域模拟软件模拟结果进行了对比(如图1 所示),可以看出数值模拟结果与实验结果吻合较 好,比较准确地给出了烟气的沉降过程,FDS的模拟 结果比ASET的模拟结果相对准确. 图1中庭内火灾烟气层高度的变化过程 (释热速率为560kw) 2.2不同季节对中庭建筑内烟气沉降的影响的数 值模拟结果与分析 火灾发生时,火源燃烧释放出大量的热量和烟 气,形成高温环境,热烟气与周围空间的空气之间因 存在温差而产生浮升力.火灾烟气的运动主要是由 温度差引起的浮升力所驱动.在热烟气上升过程 中,如果遇到冷空气会导致温度降低,从而影响浮 力.显然,在大空间建筑中,温度也是影响烟气层沉 降的因素之一.不同季度的顶棚温度,室内温度差 别较大,夏季由于太阳直射,顶棚温度可能高达 50?以上,而冬季往往温度低于0~C.为了考察大 空间建筑内不同季节中发生火灾时,环境温度对烟 气层沉降过程的影响,分别对3种不同顶棚温度和 室内温度条件下的火灾过程进行了数值模拟,环境 温度分别设为:5Occ,20?和一10?.本小节所有工 况设置与2.1节中所述工况一致. 2.2.1顶棚温度的影响 图2给出了不同顶棚温度下烟气沉降过程的 模拟结果.火源在零时刻点燃.在3种顶棚温度 条件下,火灾发生时室内温度均为20c(=.由图2 可看出,顶棚温度对烟气沉降过程有一定程度的 影响,低温顶棚加速了烟气的沉降,而高温顶棚减 缓了烟气的沉降.图3和图4分别给出了在不同 顶棚温度下火灾过程中的两个时刻中庭纵向中心 截面上的速度矢量图和温度云图.由图可以发 现,火灾发生后,热烟气在浮升力的作用下到达顶 棚,形成顶棚射流.在顶棚射流过程中,由于低温 ? 16?中国安全生产科学技术第5卷 顶棚的作用,降低了热烟气的温度,使高温烟气密 度增大(相对常温顶棚),当热烟气到达侧壁,形成 竖直向下的射流时,烟气下沉速度加快,同时卷吸 更多的冷空气形成烟气层,因此在低温顶棚影响 下,烟气下沉速度加快,同时平均温度较低;而高 温顶棚则减小了顶棚射流时烟气的热损失,使烟 气密度保持在较低状态,当烟气到达侧壁形成竖 直方向向下的射流时,由于烟气密度较低而具有 较强的浮升力,向下射流的速度明显减弱,使得对 下层冷空气的卷吸能力也减弱,因此烟气的沉降 速度减慢了,而且烟气层保持了较高的温度.对 于碳黑而言,由于各工况释热速率相同,因此碳黑 (SOOT)的生成量是相同的,低温顶棚促使烟气加 速下沉,卷吸进入更多的新鲜空气,因此稀释了烟 气层中SOOT的浓度,相反,高温顶棚时,烟气层保 持了较高的SOOT浓度(如图5所示). 图2不同顶棚温度的烟气层沉降过程(零时刻点燃) Tc=10?Tc=20?Tc=50? i圈蛋(a)t=70s (b)t=150s 图3各瞬时纵向中心截面上速度矢量图对比 【b)t=l50s 图5各瞬时纵向中心截面上soot 浓度云图对比(不同顶棚温度) 为了考察冷热顶棚对中庭内温度的影响,并进 而考察火灾情景下对烟气运动的作用,本文考虑了 顶棚处冷热边界层的建立过程,即在无火灾的条件 下进行中庭内传热及自然对流过程的计算.图6给 出了顶棚冷,热边界层发展到1800s后点燃火源的 情况下,3种不同顶棚温度(50oC,20oC和一10?)下 烟气层高度随时间的变化. 从图6可以看出,火源点燃后的前80s内烟气 层高度受顶棚温度的影响很小.80s之后,在低温 (一10?)顶棚的情景下,烟气层急剧沉降到4m左 右的高度.而高温顶棚具有一定的延缓烟气沉降的 第4期中国安全生产科学技术?17? 作用.图7展示了低温顶棚情景下,几个时刻中庭 中心截面上的流动状态.由图中可以看出,在火源 点燃前的1800s内,由于低温顶棚的作用,上层空气 温度降低,密度增大,在中庭内形成自上而下的自然 对流,但由于受计算中数值误差的影响,所形成的自 然对流状况有一定程度的偏斜,在整个中庭内形成 了一个顺时针方向的流场.在火源点燃初期,受初 始流场的影响,火焰偏向图中的左侧壁面,热烟气在 浮升力和初始流场双重作用下沿着左侧壁面上升, 到达顶棚后形成顶棚射流,当顶棚射流到达右侧壁 面后,形成向下的竖直射流,同时在初始流场的带动 下,右侧热烟气迅速下降,并卷吸大量空气形成烟气 层.当火灾发展到一定阶段后,烟气主要在高温火 源的热驱动作用下向上运动,初始流场的影响减弱, 此时火焰的形状基本上呈竖直状态,高温烟气到达 顶棚后形成近似对称的顶棚射流,之后,火源上方两 侧的烟气层下降过程基本相同. E 一 羔 . Q , 图6不同顶棚温度的烟气层沉降过程(1800s后点燃) 凰圈圈1830sl900sl950s 图7低温顶棚各瞬时纵向中心截面上流动状态 2.2.2室内温度的影响 本文除了考查不同顶棚温度对烟气运动的影响 ,20oC和一l0oC) 外,还考查了3种室内温度(50? 的影响.图8给出了不同室内温度下烟气层高度随 时间的变化曲线.由图8中可以看出,与顶棚温度 对烟气层沉降的影响相比,室内温度的改变所产生 的影响不显着.这是由于均匀的室内温度不会产生 竖直方向上的温度梯度,对浮升力的贡献不大.因 此,在一定的范围内,室内温度的整体变化对烟气运 动的影响很小. g .璺p 一 上 g 图8不同室内温度的烟气层沉降过程 图9给出了火灾发展的不同时刻中庭纵向中心 截面上soot的浓度分布云图,由于各室温下烟气层 沉降速度基本一致,在火源功率相等的情况下,烟气 层soot浓度也基本相同.图l0给出了火灾发展的 不同时刻中庭纵向中心截面上的温度分布云图,在 不同室温的影响下,烟气层的温度梯度没有明显的 变化,只是在低室温条件下,烟气层的平均温度下 降,而在高室温条件下,烟气层的平均温度有所升 高.尽管室温的改变对烟气层沉降速度的影响不 大,但却对烟气层的平均温度有显着影响,在相同的 火灾载荷下,从安全方面考虑,低室温的条件在一定 程度上降低了火灾的危险性. 3结论 采用大涡模拟方法研究了典型中庭内的火灾过 程,探讨了不同顶棚温度和室内温度对中庭火灾烟 气沉降过程的影响.模拟结果表明,在顶棚温度不 同的情况下,低温顶棚会加速烟气的沉降,烟气层的 平均温度和碳黑浓度都降低,而高温顶棚则会减慢 烟气的沉降,烟气层的平均温度和碳黑浓度则会升 ? 18?中国安全生产科学技术第5卷 高.在不同的室内温度情况下,温度的变化对烟气 的沉降速度没有明显的影响,但对烟气层的平均温 度影响较大,低室温条件降低了烟气层的平均温度, 在一定程度上降低了火灾的危险性. Tc=-10?Tc=20?Tc=50? (f=7os (b)t=l50s 图9各瞬时纵向中心截面上 soot浓度云图对比(不同室温) 参考文献 [1]MikeJA.Smokemanagementincoveredmallsandatria, SFPEofFireProtectionofEngineering,Quincy,MA, USA,NationalFireProtectionAssociation,2nd edition,1995 [2]袁理明,范维澄.大空间建筑火灾中热烟气层发展规 律的理论分析.自然灾害,1998,7(1):22—26 YUANLi—ming,FANWei-cheng.Theoreticalanalysisof hotsmokelayerdevelopmentinlargespacebuildingfires. 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