火源热释放率对大空间火灾蔓延影响的数值模拟分析 2

1、中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：火源热释放率对大空间火灾蔓延影响的数值模拟分析安鲁1 刘坤鹏1 徐洪涛1 杨茉1 （上海理工大学能源与动力工程学院， 上海，200093）摘要 本文主要利用计算机模拟软件CFD技术，以连通地铁站和商业区的中庭为模型，研究火源热释放率对中庭火灾自然排烟策略的影响。 模拟结果表明：在室外环境温度为-10、-5、0、5和10的情况下，火源的热释放速率从2MW升到4MW时，中庭的自然排烟随热释放率增大而增大，且增长梯度明显。在室外环境温度为15、20、25、30和35的情况下，中庭的自然排烟随热释放率增大变化不明显。在不同室外环境温度情况下，火源热释放

2、率对大空间自然排烟的影响不同。当室外温度较低时，火源热释放率越大越有利于排烟。关键词 CFD；数值模拟；热释放率；自然排烟Simulation and Analysis of the Impact of Fire HRR to The Fire Spread in Large Space AN Lu1 LIU Kun-Peng1 XU Hong-Tao1 YANG Mo1(1.School of Energy and Power Engineering ,University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093,Ch

3、ina )Abstract This paper sets up the atria where combines the subway station with commercial districts as one of models, and adopts CFD (Computer Fluid Dynamics)technology to simulate the effects of fire HRR to the natural smoke extraction strategy when the atria caught fire.The simulation results i

4、ndicate that,smoke extraction increases with the increase of fire HRR from 2MW to 4MW in atria. The growth trend is more apparent when outdoor temperature is -10、-5、0、5 and 10，and it is not apparent when outdoor temperature is 15、20、25、30 and 35.Different outdoor temperature effects the impact of fi

5、re HRR to the smoke extraction in large space.When outdoor temperature is low ,larger fire HRR is better to extract smoke.Key words CFD; numerical simulation; HRR; natural smoke extraction 0引言 随着经济的快速发展和生活水平的提高，现代建筑中出现越来越多的大空间建筑，如体育馆、剧院、综合商场、中庭、地铁站等。大空间建筑的排烟系统主要是用来排除火灾发生时产生的大量烟气，提供一个可供逃生的维生环境1。维生环境是

6、指，火灾发生后产生的烟气高温、一氧化碳浓度、能见度和热辐射量等需保证在一定的范围内，以便确保大空间建筑内人员可维持生命活动并用以逃生的环境。目前，出于节能环保的考虑，大空间建筑的排烟系统多采用自然排烟。目前，国内实行的建筑设计防火规范GB50016-20062和高层民用建筑设计防火规范GB50045-95（2005年版）3中都引入了关于中庭火灾烟气控制设计的规定来指导排烟系统设计。对于中庭自然排烟，规定排烟口的净面积不应小于中庭地面面积的2%。1991年美国国家消防协会颁布的NFPA92B4和1994年英国建筑研究所颁布的中庭建筑烟气控制设计方法5，总结了一些对中庭内的烟气控制方法和排烟策略，

7、为中庭建筑排烟系统的设计提供帮助。自20世纪70年代来，对于中庭建筑内的火灾研究已经开始。 特别是进入20世纪90年代，国内外学者对中庭火灾进行了大量的研究工作6-12，使相应的安全防火设计得到了较大的发展，并出现了一些专门针对中庭建筑的烟气控制设计。实际上，火源的热释放率在不同室外温度下对中庭的排烟有较明显的影响，目前对于这方面的研究不是很多。 本文基于地铁站与商业区综合一体化的发展趋势，根据某建筑中的具体参数建立计算模型，对火源的热释放率对中庭自然排烟影响进行数值模拟分析。由于中庭建筑自身空间跨度大，发生火灾时疏散距离和疏散宽度较大，普通火灾探测报警系统普通无法及时发现火灾，普通管网式自动

8、喷淋灭火装置作用受空间限制，且人员密集，若出现火情，灭火救援工作和人员的安全疏散相当困难，同时也将会造成巨大的经济损失和社会影响的特点。中庭设计过程中，排烟系统的设计要求极为严格。根据高层民用建筑设计防火规范的要求，需要对不同场景火灾发展进行三维空间数值模拟分析，来证明中庭的排烟系统在火灾发生时满足人员疏散的要求。1物理模型本文以地铁商业区一体化的理念，根据实际建筑中的具体参数建立以下物理模型。该物理模型中，中庭连接着地铁站和商业区。商业区每层高为4m。中庭内部空间长为51.2m，宽为30.6m，高为10m。中庭顶部设有两个天窗，开口大小为4m´4m。商业区一二层连廊与中庭之间设有挡

9、烟垂壁，挡烟垂壁距地面2.2m。地铁站轨行区截面宽4.13m，高5.17m。列车为A型车，6节编组，每节车厢长24m。整个建筑的物理模型如图1-1所示。地铁站、中庭和商业区一体化的内部示意图如图1-2所示，AA'截面为以下分析的位置说明。中庭火源位置如图1-3所示。图 1-1 地铁站、中庭和商业区一体化的物理模型Fig.1-1 Integration physical model of subway station ,atrium and commercial district图 1-2 地铁站、中庭和商业区一体化的内部示意图Fig.1-2 Internal schematic vie

10、w of subway station ,atrium and commercial district图 1-3 中庭火源位置图Fig.1-3 The location of atrium fire2 数学模型2.1 控制方程本文利用美国国家标准研究所建筑火灾研究实验室开发的计算流体动力学软件FDS（Fire Dynamics Simulator）进行火灾模拟分析。FDS软件利用大涡模拟和直接模拟技术求解热力驱动下的低速流动的N-S方程，在拟定的条件下预测火灾发展趋势，重点计算火灾中的烟气和热传递过程，获取火场中随时间和空间变化的相关参数。控制方程描述可参考FDS技术手册13。本次研究主要是分

11、析火源的热释放率对中庭火灾排烟的影响。热释放速率HRR(Heat Release Rate)是表示火灾发展的一个重要参数，它体现了火灾强度随时间的变化速率，直接决定着室内火灾的温度变化和产烟量。理论上，可通过式（1）直接计算： （1） 式中，为不完全燃烧程度的燃烧因子，一般在0.30.9之间变化；为可燃物的质量燃烧速率，kg/s；为可燃物的热值，MJ/kg。 在实际的火灾中，燃烧程度不好确定，可燃物的组分变化也很大。模拟中采用赫斯凯斯14提出的二次方火灾热释放速率模型，如公式（2）所示： （2）式中为火灾增长系数，kW/s2；t为起火后的时间；t0为开始有效燃烧所需的时间。 在火灾中，由于燃烧

12、产生的烟气带有高温，热烟气上升的过程会产生浮升力，浮升力的计算公式如（3）所示： (3) 式中：膨胀系数； 重力加速度；流体内部温差。2.2 火灾模拟参数设定本次模拟是为了分析不同火源热释放速率对此中庭内部火灾自然排烟策略的影响，模拟的火源热释放速率分别为为2MW、3MW和4MW，火灾增长类型采用快速火15。图2-1为火源释热量随时间发展的T平方特征火灾曲线。墙面为钢筋混凝土结构，密度为2200 kg/m3，传导率为1.2W/（m·K）,比热为0.88 kJ/(kg·K)。模拟中初始的室内环境温度设为25。每个模型的模拟时间设为350秒。 图 2-1 不同火源释热量示意图F

13、ig.2-1 Different fire heat release that changes with time2.3 网格无关性验证 模拟中采用的网格尺寸大小将直接影响模拟结果的准确性。从准确性的角度来着，网格划分是越细越好。但是网格越细，同样空间尺寸所需的网格数量就越多，计算所需的时间也越长，并且计算机所需的内存也越大。因此，在确保精度和节约模拟时间下，根据模型选取合适的网格尺寸大小很重要。本文主要对四套网格0.15m×0.15m×0.15m，0.2m×0.2m×0.2m，0.3m×0.3m×0.3m和0.4m×0.4

14、m×0.4m进行了分析比较，网格划分如表2-1所示。网格验证中，模拟的室外温度为25，假设火源释热量从一开始就为4MW。根据结果综合考虑精度和时间的影响，选取合适的网格大小 Table.2-1 Mesh division 表 2-1 网格划分网格分类网格大小网格数量A0.4m×0.4m×0.4m360000B0.3m×0.3m×0.3m830000C0.2m×0.2m×0.2m2880000D0.15m×0.15m×0.15m6930000 图 2-2 100s时的速度矢量图Fig.2-1 The vel

15、ocity vector diagram at 100s(a)0.4m×0.4m×0.4m；(b) 0.3m×0.3m×0.3m；(c) 0.2m×0.2m×0.2m；(d)0.15m×0.15m×0.15m本文采用的是大涡模拟，模拟所产生的涡旋直接影响着模拟结果的准确性。图2-2为100s时的BB部分截面（如图1-3所示）的速度矢量图。由图可知，网格C和网格D模拟所得的涡旋比较一致，网格A和网格B，与网格C和D相差较大。从节省计算时间和确保模拟准确性的角度出发，本文选取网格C：0.2m×0.2m

16、5;0.2m来进行模拟。3 模拟结果分析比较探究火源的热释放率对此中庭内部火灾自然排烟策略的影响，模拟室外温度分别为35、30、25、20、15、10、5、0、-5和-10的条件下，火源热释放速率分别为2MW、3MW和4MW时，对中庭自然排烟的影响。火源工况示意图如图3-1所示。分别从温度场、气体流量等方面分析，探讨烟气在中庭内以及在顶部开口处的流动状况，并评定中庭火灾自然排烟策略的效果。 图 3-1 中庭火灾模拟室外不同温度工况示意图Fig.3-1 Schematic view of atrium fire simulation in different outdoor temperatur

17、e图 3-2 通过天窗一的气体净流量的变化规律Fig.3-2 Change rule of gas flows through the No.1 skylight图 3-3 通过天窗二的气体净流量的变化规律Fig.3-3 Change rule of gas flows through the No.2 skylight图3-2和图3-3分别为中庭火灾采用自然排烟策略时，通过天窗一和天窗二的气体质量净流量随时间的变化规律。从图可知，两者的净流量变化是相似的，这是因为模型设置中天窗位置是对称分布的，火灾位置也恰好位于两者之间。天窗排出烟气量的多少，直接影响着中庭内部空间的能见度。由于天窗一与天窗

18、二的变化规律是类似的，故在模拟的过程中我们只探讨天窗一的变化规律。 图 3-4 通过天窗的气体净流量的变化规律Fig.3-4 Change rule of gas flows through skylight图3-4为通过天窗的烟气质量净流量的变化规律。在火灾的前206s，火源的热释放速率是相同的，同一室外温度下的气体质量流量变化是基本相同的。火源的热释放速率从2MW升到3MW时，气体流量也随着热释放速率的增大而增大。火灾发生260s以后，热释放速率从3MW开始升到4MW，气体流量也继续增大。室外温度在-10、-5、0、5和10下的这种增长梯度最为明显，室外温度在15、20、25、30和35下

19、的这种增长梯度不是很大。图3-4(a)中通过天窗的气体质量净流量都为负值。热释放速率并没有给烟气提供足够的浮升力使之从天窗排出，反而是大量的室外空气进入到室内，排烟效果并不是很好。但随着热释放量的增加，气体质量净流量逐渐变为正值，如3-4(b)所示，自然排烟效果好转。室外温度在25、30和35下，气体流量一开始就为正值，烟气顺利从天窗排出，随着热释放量的增加，气体流量也随之增加，如图3-4(c)。这就说明，热释放速率越高，烟气越容易克服阻力从中庭的天窗排出。(a)2MW;(b)3MW;(c)4MW图 3-5 室外温度为0下350s时AA截面的温度场Fig.3-5 The temperature

20、 distribution of AAsection at 350s, 0 of outdoor室外温度为0下，350s时AA截面在不同火源热释放速率下的温度场如图3-34所示。2MW下中庭内烟气平均温度明显低于3MW下的烟气平均温度，而3MW下中庭内烟气平均温度也明显低于4MW下的烟气平均温度。3MW时天窗处烟气平均温度与室外空气温度的温差明显大于2MW时的温差，提供热烟气上升的浮升力也越大，浮升力可通过式(3)计算得出。因此火源热释放速率从2MW达到3MW时，通过天窗的气体流量的增长梯度比较大。同理，火源热释放速率从3MW达到4MW时，通过天窗的气体流量的增长梯度也比较大。(a)2MW;(

21、b)3MW;(c)4MW图 3-6 室外温度为25下350s时AA截面的温度场Fig.3-6 The temperature distribution of AAsection at 350s, 25 of outdoor室外温度为25下，350s时AA截面在不同火源热释放速率下的温度场如图3-6所示。3MW时天窗处烟气平均温度与室外空气温度的温差虽然大于2MW时的温差，但是差距不大，提供热烟气上升的浮升力差距不明显，因此火源热释放速率从2MW达到3MW时，通过天窗1的气体质量净流量的增长梯度并不明显。同理，火源热释放速率从3MW达到4MW时，通过天窗的气体质量净流量的增长梯度也不是很明显。根

22、据以上的分析，由于燃烧物的热释放率对中庭的自然排烟有较大的影响，因此在利用火灾工程方法进行消防设计的时候，需要充分考虑到环境温度不同情况下燃烧物的热释放率对火灾排烟系统的影响，确保建筑的排烟系统能够在火发生的情况下达到工程规范的标准。4 结 论本文利用计算机模拟软件CFD技术，以连通地铁站和商业区的中庭为模型，研究火源热释放率对中庭火灾自然排烟策略的影响，研究结论如下：1）中庭火灾采用自然排烟策略时，当模型中天窗位置是对称分布且火灾位置也恰好位于两天窗之间时，通过两天窗的气体净流量变化是相似的。2)在火灾的前206s，火源的热释放速率是相同的，同一室外温度下的气体质量流量变化是基本相同的。 3

23、)火灾发生260s以后,在室外环境温度为10、-5、0、5和10的情况下，火源的热释放速率从2MW升到4MW时，中庭的自然排烟随热释放率增大而增大，且增长梯度明显。在室外环境温度为15、20、25、30和35的情况下，中庭的自然排烟随热释放率增大变化不明显。4) 在不同室外环境温度情况下，火源热释放率对大空间自然排烟的影响不同。当室外温度较低时，火源热释放率越大越有利于排烟。5) 利用火灾工程方法进行消防设计时，充分考虑燃烧物热释放率是确保排烟系统能够达到工程标准的关键。 参 考 文 献1 National Fire Protection Association. NFPA 130 Stand

24、ard for Fixed Guide WayTransitand Passenger RailSystems, Appendix B s. National Fire Protection Association,USA ,20102建筑设计防火规范GB500162006 s.计划出版社,20063高层民用建筑设计防火规范GB50045-95（2005年版）s.中国计划出版社,20054National Fire Protection Association. Guide for Smoke Management Systems in MallsJ. Atria, and Large Are

25、as (NFPA92B), 2000.5 Hansell G O, Morgan H P. Design approaches for smoke control in atrium buildingsM. Fire Research Station, 1994.6Hadjisophocleous G V, Lougheed G, Experimental and numerical study of smoke conditions in an atrium with mechanical exhaust, International Journal on Engineeringerform

26、ance-Based Fire Codes 1 (3) (1999) 183-187.7Chang C, Banks D, Meroney R N, Computational fluid dynamics simulation of the progress of fire smoke in large space, building atria. Tamkang Journal of Science and Engineering 6 (3) (2003) 151-158.8Tan Q, Jaluria Y. Mass flow through a horizontal vent in an enclosure due to pressure and density differencesJ. International journal of heat and mass transf