电梯活塞效应对竖向疏散通道烟气运动的影响

电梯活塞效应对竖向疏散通道烟气运动的影响

1基于电梯疏散的人群控制随着现代化进程的加快和经济发展的迅速发展，人口的增加和城市区域的紧张，大量建筑，尤其是高层建筑。但是高层建筑的发展给人们提出了更高的安全防火要求,如果缺乏考虑或者考虑不周,一旦发生火灾,会造成严重的经济损失和人员伤亡事故,甚至会威胁到城市的安全。随着高层建筑的高度不断增加,逃生人数的增多,楼梯作为人员逃生通路的弊端就越明显。近年来有些学者开始着手研究火灾发生时如何利用电梯进行人群的疏散。利用电梯进行疏散已有成功的案例:1996年10月28日,日本广岛一栋20层的高层公寓发生火灾,后来通过调查发现,这次的火灾中有一半以上的疏散人员都是利用电梯逃离火灾现场的;在“9.11”恐怖袭击中,世贸中心南楼的很多人都是通过电梯成功疏散的。因此,研究发生火灾时电梯运动对烟气运动的影响规律,找到如何对烟气进行控制、更好地利用电梯进行人员的疏散的规律就显得尤为重要。目前国内外许多专家学者主要是对火灾发生时电梯的“活塞效应”及烟气控制理论的研究,而很少有人对电梯运动时的烟气扩散进行数值模拟研究,本文将在分析活塞效应理论的基础上,通过建立竖向疏散通道的物理模型并对电梯运动时电梯井及其前室烟气运动情况进行数值模拟。2基本动效应“活塞效应”在电梯井及地铁中很常见,由于电梯和地铁的运行使得周围压力发生变化,会对烟气运动产生很大影响。在电梯井中,由于活塞效应的作用,会使电梯井中的压力发生变化,进而影响到其前室的压力分布,因此一旦发生火灾,会使得电梯井及其前室的烟气运动变得更加紊乱。以电梯向下运动为例研究活塞效应的现象,如图1所示。大气压Po与轿厢上部区域的压差Pa为:其中,ρ为电梯井空气密度;As为电梯井断面积;V为电梯轿厢运动速度;Na、Nb为轿厢上下部楼层数;C为流量系数;Cc为轿厢周围环状空间的流量系数,单梯单井中Cc取0.83;Af为电梯井与轿厢面积之差;Ae为等效面积,由电梯井及其前室的渗漏面积Asl、电梯前室和建筑内部空间的渗漏面积Ali、建筑与外界的渗漏面积Aio组成,如式(2):电梯前室与建筑空间之间的压差ΔPli为:将式(1)代入式(3)可得:由式(4)可以看出,前室与建筑空间之间的压差与电梯井断面积、轿厢速度、建筑气流的流动路径和轿厢的位置有关,随着轿厢的下降,轿厢上部的ΔPli将开始降低,而其下部的ΔPli先升高,随着轿厢的驶离,ΔPli会随之降低。活塞效应带来的压力变化会导致烟气的运动路径、速度发生变化,进而会影响到烟气中有害气体在电梯井及前室的分布,对人员疏散不利。3物理模型和计算条件3.1向疏散通道物理模型本文以某10层高层建筑为例,建立典型的竖向疏散通道物理模型,如图2所示,主要包括楼梯间、电梯井、电梯机房和前室,具体参数见表1。电梯井中采用较为常用的曳引式电梯。3.2基本情况及设计依据本文选择场模型工具FDS5.4.1进行数值模拟,数值模拟方法选择大涡模拟LES。前提假设是:(1)忽略物品摆放以及人员的跑动对气流的影响;(2)假设火源燃料界面大小和位置不变;(3)忽略建筑物内空调设施对空气流动的影响。边界条件设置为:(1)气象条件:设定当时季节为冬季,室外温度为0℃,建筑室内温度设为20℃,空气流速为0m/s,室外大气压为101.325kPa;(2)无外部风,通风气流与烟气均视为理想气体;(3)机械加压送风系统未开启;(5)各层走廊外窗开启,洞口尺寸为0.6m×1.2m;(6)可燃物及空气等参数调用FDS软件自身的数据库;(7)疏散通道内墙壁是没有经过可燃材料的装饰处理,不需要考虑墙壁表面的燃烧。墙壁的导热系数取砖的物性值;(8)对于门缝的处理由于受到网格划分大小的关系,将门缝的面积等效为可以用网格大小来表示的长方形的面积,楼梯间疏散门、前室疏散门及电梯层门的面积大小分别为0.04m2、0.04m2和0.08m2;(9)模拟时间为160s。火源位置设计基于最不利和代表性原则,假定火源位于2楼的走廊,具体坐标:min(4.8m,-0.6m,3.0m)、max(5.4m,0.0m,3.0m),以快速平方火发展,最大热释放速率为3000kW。本文主要从电梯静止、向下运动、向上运动三种情况进行研究。电梯的运行速度设为1m/s,整个过程为匀速运动,中间不停顿,直至下降到底层或上升到顶层,电梯轿厢下降或上升的开始时刻为59.4s,结束时刻为85.8s。4电梯阶梯结构运动对比,将考虑电梯主体检验电梯向和向盐阶不在进行计算机建模时,电梯井中忽略电梯绞绳等物体,只考虑电梯轿厢运动对烟气扩散的影响。图3为发生火灾时电梯向下和向上运动的效果图。从图中可以清楚地看到不同时刻电梯轿厢的运动情况。4.1多通道电梯压力差动态分析电梯运动产生的活塞效应对压力的影响最为明显。由前述活塞效应的理论分析可知,电梯在运行时轿厢前端压力增大,后部压力降低,使得前室的压力分布发生变化,进而影响到建筑空间的压力分布。通过建立模型,布置前室及建筑空间的压力测点,测点坐标见表2所示。对电梯不同运行状态下的烟气运动情况进行数值模拟,处理结果可得前室与建筑空间之间的压力差ΔPli,如图4,从图中可以得出:(1)Z=4.8m和Z=10.8m两处测点位于中性面以下,整体上前室与建筑空间的压力差为负。Z=4.8m由于位于着火层,前室门开启,热烟膨胀作用大于活塞效应,烟气由走廊进入前室,压力差变化不明显;Z=10.8m处由于受到烟囱效应及活塞效应的作用,压力差曲线波动较大。(2)Z=16.8m和Z=25.8m两处测点的压力差变化较为明显,电梯向下运动,轿厢上部压力降低,使得前室压力降低,进而就会使前室与建筑空间的压力差逐渐下降;轿厢下部压力升高,使得前室与建筑空间的压力差逐渐升高,而后随着电梯的驶离压力差又逐渐降低。在59.4s~85.8s电梯运行过程中,这两处测点压力差均出现先升后降的趋势。电梯向上运动时,由于活塞效应的作用,使得ΔPli整体上呈现出大于电梯向下运动的趋势,压力差曲线的变化与电梯向下运动类似。4.2电梯向速度是否可达图5为T=68.0s时X=4.6m处电梯不同运行状态下前室烟气运动速度分布图。活塞效应造成压力差的不断变化,会使得竖向疏散通道中烟气的运动路径、速度发生改变。(1)电梯向下运动未到达着火层之前,由活塞效应对压力分布的影响分析可知,轿厢前端前室与建筑空间压力差升高,一定程度上会降低烟气进入电梯井的速度,而其后的楼层由于压力差降低,会避免烟气过多地进入前室;而当其通过着火层之后,会加速烟气进入电梯井。(2)通过图5可以看出,电梯向上运动时前室的烟气运动速度比其他两种情况较大,因此,对于着火层位于高层建筑中性面以下时,前室与建筑空间压力差较大,电梯向上运动会促使烟气更易进入电梯井,并通过前室向其它楼层扩散,对人员的疏散极为不利。5压力分布变化通过建立典型的高层建筑竖向疏散通道物理模型,利用CFD工具对电梯运动产生的活塞效应进行数值模拟,可以得出以下结论:(1)电梯运动产生的活塞效应不容忽视,会使电梯井及其前室的压力分布发生变化,电梯向下运动和电梯向上运动均出现前室与建筑空间之间的压力差先升后降的趋势,且后者整体上大于前者;(2)前室与建筑空间之间压力差的变化会对烟气运动路径和速度产生很大影响,电梯向下运动对于