基于数值模拟的侧室 - 通道式地下商业街火灾排烟系统效能研究

基于数值模拟的侧室-通道式地下商业街火灾排烟系统效能研究一、引言1.1研究背景与意义随着城市化进程的快速发展，城市土地资源愈发紧张，地下空间的开发利用成为缓解城市发展压力的重要途径。地下商业街作为地下空间的重要利用形式，因其能够充分利用地下空间、缓解地面交通压力、增加商业面积等优势，在各大城市中得到了广泛建设。据统计，近年来我国地下商业街的数量呈逐年递增趋势，许多城市的核心商圈都建有大型地下商业街，如上海的人民广场地下商业街、广州的天河又一城等。这些地下商业街不仅为市民提供了便捷的购物、休闲场所，也成为城市经济发展的新增长点。然而，地下商业街由于其特殊的建筑结构和环境特点，一旦发生火灾，往往会造成严重的人员伤亡和财产损失。地下建筑封闭性强，火灾发生时，热量和烟气难以排出，易导致火势迅速蔓延，形成立体火灾。同时，地下空间光线昏暗，疏散通道有限，人员在火灾中的疏散难度极大。例如，2021年12月31日，大连市鞍山路104号新长兴市场地下二层发生火情，事故造成8人死亡；2022年5月4日，山西大同一小区地下室突发火灾，浓烟迅速弥漫整个单元楼，虽无人员死亡，但居民在熟睡中被呛醒，消防救援工作面临极大挑战。火灾烟气是地下商业街火灾中最主要的危害因素之一。烟气中含有大量的一氧化碳、二氧化碳、氰化氢等有毒有害气体，以及高温颗粒物质，会对人体造成严重的伤害，如中毒、窒息、灼伤等。此外，烟气的遮挡会降低能见度，使人员难以辨别疏散方向，增加疏散时间和难度。据火灾统计资料表明，在建筑火灾中，烟气是导致人员死亡的主要原因，被烟熏死的占比最高可达80%，在被火烧死的人数中，多数也是先中毒窒息晕倒后被火烧死的。排烟系统作为地下商业街消防安全的重要保障设施，对于控制火灾烟气蔓延、保障人员安全疏散具有至关重要的作用。一个设计合理、运行有效的排烟系统能够及时排出火灾产生的烟气，降低烟气浓度和温度，提高疏散通道的可见度，为人员疏散和消防救援创造有利条件。然而，目前许多地下商业街的排烟系统在设计、安装和运行管理方面存在诸多问题，如排烟量不足、排烟口设置不合理、排烟风机故障等，导致在火灾发生时无法发挥应有的作用。因此，深入研究地下商业街火灾排烟系统，优化排烟系统设计，对于提高地下商业街的消防安全水平，保障人员生命财产安全具有重要的现实意义。本研究旨在通过数值模拟的方法，对侧室-通道式地下商业街火灾排烟系统进行深入研究，分析不同排烟方式、排烟参数对烟气流动特性的影响，揭示火灾烟气在地下商业街内的传播规律，为地下商业街火灾排烟系统的优化设计和消防安全管理提供科学依据和技术支持。具体而言，本研究的成果将有助于指导地下商业街的消防设计，使其更加符合火灾防控的实际需求；同时，也能为消防部门制定科学合理的灭火救援预案提供参考，提高应对地下商业街火灾的能力，从而有效减少火灾事故造成的损失。1.2国内外研究现状在国外，地下商业街火灾排烟的研究开展较早，取得了一系列重要成果。美国、日本等发达国家在这方面投入了大量的科研资源，通过实验研究、数值模拟和理论分析等多种手段，对地下商业街火灾烟气的流动特性、排烟系统的性能优化等进行了深入研究。美国消防协会（NFPA）制定了一系列与地下建筑消防安全相关的标准和规范，如NFPA13《自动喷水灭火系统安装标准》、NFPA92《烟雾控制系统标准》等，为地下商业街排烟系统的设计和运行提供了重要的指导依据。美国的一些科研机构和高校，如美国国家标准与技术研究院（NIST）、哈佛大学等，开展了大量关于地下建筑火灾的实验研究，通过全尺寸火灾实验和缩尺模型实验，获取了火灾烟气的温度、浓度、流速等关键参数，为数值模拟和理论分析提供了实验数据支持。日本由于其特殊的地理环境和城市发展模式，地下商业街建设十分发达，对地下商业街火灾排烟的研究也处于世界领先水平。日本学者采用CFD（计算流体力学）技术对地下商业街火灾烟气的流动进行了数值模拟，研究了不同通风条件、火源位置和火灾规模下烟气的扩散规律，提出了优化排烟系统设计的方法和建议。此外，日本还注重地下商业街火灾排烟系统的实际应用和运行管理，通过建立完善的火灾预警和应急响应机制，提高了地下商业街应对火灾的能力。在国内，随着地下商业街建设的快速发展，相关的研究也逐渐增多。国内学者主要从火灾动力学、消防工程等学科角度出发，运用数值模拟软件如FDS（火灾动力学模拟软件）、CFX、FLUENT等，对地下商业街火灾排烟系统进行了研究。一些学者对地下商业街火灾烟气的流动特性进行了数值模拟分析，研究了自然排烟、机械排烟以及不同防烟分区设置下烟气的蔓延规律和控制效果。例如，张焱针对长通道式地下商业街的特点，采用FDS模拟了典型的地下长通道式商业街内防排烟系统启动方式不同时走道内的烟气扩散和温度变化情况，结果表明，起火防烟分区排烟，相邻防烟分区送风的联动方案对烟气的控制效果较好。还有学者研究了地下商业街与下沉广场之间的排烟关系，通过数值模拟论证了下沉广场环廊区的排烟方案和与下沉广场相邻的地下商业街机械排烟口布置方案，为地下商业街的防排烟设计提供了参考。然而，目前国内外的研究仍存在一些不足之处。一方面，大多数研究主要集中在单一因素对排烟效果的影响，如排烟方式、排烟量等，而对于多因素耦合作用下的排烟系统性能研究较少。地下商业街火灾是一个复杂的物理过程，涉及到火源特性、通风条件、建筑结构等多个因素的相互作用，仅考虑单一因素难以全面揭示火灾烟气的流动规律和排烟系统的性能。另一方面，现有的研究成果在实际工程中的应用还存在一定的差距。实际地下商业街的建筑结构和使用功能复杂多样，而研究中往往采用简化的模型和假设条件，导致研究成果的普适性和实用性受到一定限制。综上所述，针对侧室-通道式地下商业街火灾排烟系统的研究还存在一定的空白和不足，需要进一步深入研究，以完善地下商业街火灾排烟理论和技术体系，提高地下商业街的消防安全水平。本研究将在前人研究的基础上，综合考虑多种因素对排烟效果的影响，采用更加贴近实际的模型和方法，对侧室-通道式地下商业街火灾排烟系统进行全面、深入的研究。1.3研究内容与方法本研究主要围绕侧室-通道式地下商业街火灾排烟系统展开，具体研究内容包括以下几个方面：地下商业街火灾烟气流动特性研究：分析地下商业街火灾时烟气的产生、扩散和蔓延过程，研究不同火灾场景下烟气的温度、浓度、流速等参数的变化规律，为排烟系统的设计和优化提供理论基础。侧室-通道式地下商业街排烟系统方案分析：对常见的自然排烟、机械排烟以及自然与机械组合排烟等方式在侧室-通道式地下商业街中的应用进行分析，探讨不同排烟方案的优缺点和适用条件。数值模拟模型的建立与验证：运用火灾动力学模拟软件FDS建立侧室-通道式地下商业街的三维数值模型，对模型进行验证和校准，确保模型的准确性和可靠性。排烟系统参数对排烟效果的影响研究：通过数值模拟，研究排烟量、排烟口位置与尺寸、补风方式与补风量等排烟系统参数对烟气控制效果和人员疏散安全性的影响，确定各参数的最优取值范围。基于人员疏散安全的排烟系统优化设计：以人员疏散安全为目标，结合数值模拟结果，对侧室-通道式地下商业街的排烟系统进行优化设计，提出合理的排烟系统设计方案和运行策略。在研究方法上，本研究将综合运用以下几种方法：数值模拟方法：利用FDS软件对侧室-通道式地下商业街火灾场景进行数值模拟，通过改变排烟系统参数和火灾场景条件，模拟不同情况下火灾烟气的流动状态和人员疏散过程，获取烟气温度、浓度、流速以及人员疏散时间、路径等数据，为研究提供量化依据。案例分析方法：收集国内外典型的地下商业街火灾案例，分析火灾发生的原因、发展过程以及排烟系统在火灾中的作用和存在的问题，从中总结经验教训，为研究提供实际案例参考。对比分析方法：对不同排烟方案和参数设置下的数值模拟结果进行对比分析，研究各因素对排烟效果的影响程度，从而确定最优的排烟系统设计方案和参数组合。二、侧室-通道式地下商业街火灾特点及排烟重要性2.1火灾特点分析2.1.1发烟量大与燃烧速度快侧室-通道式地下商业街内通常存在大量的装修材料以及各类商品，这些物品大多具有易燃性，为火灾的发生和发展提供了丰富的燃料。从装修材料来看，很多地下商业街为了追求美观和独特的视觉效果，采用了大量的木质材料、塑料板材、化纤织物等易燃装修材料。例如，一些店铺的墙面装饰使用了木质护墙板，地面铺设了化纤地毯，吊顶采用了塑料扣板等，这些材料在火灾发生时，不仅自身容易燃烧，而且会产生大量的浓烟。据相关实验研究表明，木质材料在燃烧时会释放出大量的碳黑颗粒和一氧化碳等有害气体，使火灾现场的烟气浓度迅速升高；化纤织物燃烧时会产生刺鼻的气味和有毒气体，如氰化氢等，对人体造成严重危害。地下商业街内琳琅满目的商品也是火灾发烟量大和燃烧速度快的重要因素。各类服装、箱包、家具、纸张等商品，它们的火灾荷载密度大，一旦起火，火势会迅速蔓延。以服装店铺为例，店内挂满了各种款式的衣物，这些衣物大多由棉、麻、化纤等易燃材质制成，且摆放较为密集，火灾发生时，火焰会在衣物之间迅速传播，形成大面积的燃烧区域，同时产生大量的烟雾。研究表明，在地下商业街的火灾场景中，由于易燃商品的大量存在，火灾初期的发烟量可比普通建筑高出数倍，燃烧速度也会更快。发烟量大和燃烧速度快对人员和火灾扑救工作都带来了极大的影响。对于人员而言，浓烟中含有大量的有毒有害气体，如一氧化碳、二氧化碳、氰化氢等，这些气体被人体吸入后，会导致中毒、窒息等危险情况的发生。同时，浓烟会严重降低火灾现场的能见度，使人员难以辨别方向，增加疏散难度。在疏散过程中，人们可能会因为吸入过多的有毒气体而晕倒，或者因为找不到疏散通道而迷失方向，从而危及生命安全。对于火灾扑救工作来说，发烟量大和燃烧速度快会使消防人员难以接近火源，影响灭火效果。浓烟会遮挡消防人员的视线，使其无法准确判断火势的发展情况和火源位置，从而难以采取有效的灭火措施。此外，快速蔓延的火势会导致火灾范围迅速扩大，增加灭火的难度和工作量。消防人员在灭火过程中，需要佩戴空气呼吸器等防护装备，以抵御浓烟和有毒气体的危害，但这些装备的使用时间有限，在浓烟和火势较大的情况下，消防人员的行动会受到很大限制。2.1.2空间密闭与光线差地下商业街的空间密闭性是其显著特点之一，这是由于其位于地下，四周被土壤或建筑物包围，与外界的自然通风和采光条件较差。与地面建筑不同，地下商业街没有足够的窗户或开口来实现自然通风，一旦发生火灾，热量和烟气无法及时排出，会在有限的空间内迅速积聚。光线差也是地下商业街的一个突出问题。在正常情况下，地下商业街主要依靠人工照明来维持室内的光线，而自然采光极为有限。一旦火灾发生，可能会导致电力系统故障，使人工照明中断，整个空间陷入黑暗。即使在应急照明系统启动的情况下，由于火灾产生的浓烟会遮挡光线，也会大大降低能见度。相关研究表明，在火灾烟气的影响下，地下空间的能见度可能会降低到1米以下，这对于人员的疏散来说是极其危险的。在火灾发生时，空间密闭和光线差对人员疏散产生了严重的阻碍。空间密闭导致烟气积聚，使火灾现场的温度和有害气体浓度迅速升高，对人员的生命安全构成直接威胁。人员在高温和有毒气体的环境中，身体机能会迅速下降，容易出现呼吸困难、中毒昏迷等症状，从而无法顺利疏散。光线差会使人员难以看清周围的环境和疏散指示标志，导致疏散方向迷失。在黑暗和浓烟的环境中，人们往往会产生恐慌心理，这种恐慌情绪会进一步影响他们的判断和行动能力，增加疏散的混乱程度。例如，在一些地下商业街火灾事故中，由于空间密闭和光线差，人员在疏散过程中相互拥挤、踩踏，造成了严重的人员伤亡。2.1.3人员密度大与逃生困难侧室-通道式地下商业街作为商业活动的集中场所，在营业时间内人员密度通常较大。尤其是在节假日、周末等高峰时段，大量的顾客涌入商业街，使得人员密度进一步增加。据统计，一些繁华地段的地下商业街在高峰时段的人员密度可达到每平方米3-5人，甚至更高。此外，地下商业街还承担着连接城市不同区域的交通功能，许多行人会通过地下商业街穿行，这也进一步增加了人员的流动性和密度。在人员密度大的情况下，一旦发生火灾，疏散通道很容易被人群堵塞。同时，一些商家为了扩大经营面积或方便货物存放，存在私自占用疏散通道的现象，如在通道内堆放货物、设置摊位等，这使得原本就有限的疏散空间更加狭窄，严重影响人员的疏散速度。例如，在某地下商业街的一次火灾事故中，由于疏散通道被部分商家占用，火灾发生时，人员无法及时疏散，导致多名人员被困，造成了严重的人员伤亡和财产损失。人员密度大以及疏散通道被占用导致的逃生困难，会带来一系列严重的后果。在火灾现场，人员无法迅速疏散，会增加被困在火灾区域的时间，从而增加了受到高温、浓烟和有毒气体危害的风险。人员在恐慌和拥挤的情况下，容易发生踩踏事故，造成大量人员伤亡。疏散困难还会影响消防救援工作的开展，消防人员难以迅速进入火灾现场进行救援，也会影响灭火设备的操作和使用，从而延误灭火时机，导致火灾损失进一步扩大。2.1.4用电隐患大在侧室-通道式地下商业街中，由于商业活动的需要，电气设备的使用十分广泛。各个店铺内配备了大量的照明灯具、空调、电扇、收银设备、电子广告牌等，这些设备的功率大小不一，使用时间也较长。同时，一些地下商业街还存在私自乱拉电线的现象，部分商家为了方便自己使用电器，随意在店铺内或公共区域私接电线，这些电线往往没有经过专业的设计和安装，存在着严重的安全隐患。私拉乱接的电线可能会出现电线老化、绝缘层破损等问题，容易引发短路和漏电事故，进而引发火灾。此外，一些商家为了节省成本，购买和使用质量不合格的电气设备，这些设备在运行过程中容易出现故障，产生电火花、高温等，也增加了火灾发生的风险。用电隐患大在火灾中具有极大的危险性。一旦电气设备发生故障或电线短路引发火灾，火势会在电气线路的引导下迅速蔓延，难以控制。电气火灾产生的烟雾中通常含有大量的有毒气体，如氯化氢、溴化氢等，这些气体对人体的危害更大。电气火灾还会对消防救援工作造成阻碍，由于电气设备带电，消防人员在灭火时需要采取特殊的防护措施，增加了灭火的难度和风险。如果在灭火过程中没有及时切断电源，还可能会导致消防人员触电伤亡。2.2火灾排烟的重要性2.2.1保障人员安全疏散火灾发生时，排烟系统对于保障人员安全疏散起着至关重要的作用。首先，排烟系统能够有效降低烟气危害。如前文所述，火灾烟气中含有大量的一氧化碳、二氧化碳、氰化氢等有毒有害气体，以及高温颗粒物质。这些物质会对人体造成严重的伤害，如中毒、窒息、灼伤等。排烟系统通过机械排烟或自然排烟的方式，将火灾产生的烟气及时排出室外，能够显著降低室内烟气的浓度和温度，减少人员吸入有毒有害气体和受到高温灼伤的风险。相关研究表明，在安装了有效排烟系统的建筑火灾中，人员因烟气中毒和高温灼伤导致的伤亡率明显低于没有排烟系统或排烟系统失效的情况。其次，排烟系统可以提高疏散通道的可见度，为人员疏散创造有利条件。浓烟是影响人员疏散的重要因素之一，它会严重降低火灾现场的能见度，使人员难以辨别疏散方向，增加疏散时间和难度。排烟系统排出烟气后，能够减少烟雾对光线的遮挡，提高疏散通道的可见度，使人员更容易看清疏散指示标志和周围的环境，从而快速、准确地找到疏散路径。研究表明，在能见度较低的火灾环境中，人员的疏散速度会显著降低，而排烟系统能够有效改善能见度，提高人员的疏散速度，为人员安全疏散争取宝贵的时间。排烟系统还能为人员疏散争取更多的时间。在火灾初期，及时启动排烟系统，可以迅速排出火灾产生的热气和烟气，延缓火势的蔓延速度，为人员疏散提供更充足的时间。根据火灾动力学原理，火灾的发展过程分为初期、发展期、猛烈期和衰减期。在初期阶段，火势相对较小，烟气产生量也较少，此时启动排烟系统，能够有效地控制火势和烟气的蔓延，使人员有足够的时间撤离到安全区域。如果排烟系统不能及时发挥作用，火势和烟气迅速蔓延，人员疏散的时间将大大缩短，增加了人员伤亡的风险。2.2.2辅助消防扑救工作火灾排烟系统对于消防扑救工作具有重要的辅助作用。首先，排烟系统有助于消防人员进行火情侦察。在火灾现场，浓烟会严重遮挡消防人员的视线，使其难以准确判断火源位置、火势蔓延方向和火灾现场的情况。排烟系统排出烟气后，能够改善火灾现场的能见度，使消防人员能够更清晰地观察火情，准确找到火源位置，为制定科学合理的灭火方案提供依据。例如，在某地下商业街火灾事故中，消防人员在排烟系统的协助下，迅速确定了火源位置，采取了针对性的灭火措施，有效地控制了火势的蔓延。其次，排烟系统能够为消防人员的灭火行动提供支持。在灭火过程中，高温和浓烟会对消防人员的行动造成很大的阻碍，影响灭火效率。排烟系统降低了火灾现场的温度和烟气浓度，为消防人员创造了更安全的作业环境，使他们能够更接近火源，更有效地使用灭火设备进行灭火。例如，在使用水枪灭火时，如果现场烟气浓度过高，消防人员难以准确瞄准火源，而排烟系统排出烟气后，能够提高消防人员的瞄准精度，增强灭火效果。此外，排烟系统还能排除火灾现场的有毒有害气体，减少消防人员中毒的风险，保障他们的身体健康和生命安全。三、火灾排烟系统数值模拟原理与方法3.1数值模拟软件选择在火灾排烟系统的数值模拟研究中，选择合适的模拟软件至关重要。目前，市场上存在多种用于火灾模拟的软件，如FDS（FireDynamicsSimulator）、FLUENT、CFX等，它们各自具有独特的特点和适用范围。FDS是一款由美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的火灾动力学模拟软件，在火灾模拟领域应用广泛。它采用大涡模拟（LES）方法来求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的Navier-Stokes方程，能够精确地模拟火灾中的湍流现象，这对于研究火灾烟气的流动特性具有重要意义。FDS专门针对火灾模拟而开发，其内置了丰富的火灾物理模型，包括燃烧模型、辐射模型等，能够较为真实地模拟火灾的动态过程，如火焰的传播、烟雾的扩散、热辐射的传递以及火灾对建筑结构的影响。例如，在模拟火灾中，FDS可以准确计算热释放速率，这是评估火灾规模和危险性的关键参数。通过合理设置燃料类型、燃烧速率等参数，FDS能够精确模拟不同火灾场景下的热释放情况，为后续的烟气流动分析提供准确的火源条件。与其他通用的计算流体力学（CFD）软件如FLUENT和CFX相比，FDS具有一些显著的优势。首先，FDS在火灾模拟方面具有更强的针对性和专业性，其界面设计和操作方式更加符合火灾研究人员的需求，使用相对简单，对于不具备深厚流体力学背景的消防工程师和研究人员来说更容易上手。其次，FDS在处理火灾相关的物理过程时，如燃烧、热辐射等，采用了更为精确和适用的模型，能够提供更符合实际火灾情况的模拟结果。例如，在辐射模型方面，FDS能够考虑火灾中复杂的辐射换热过程，包括火焰与周围环境之间的辐射、烟气对辐射的吸收和散射等，这对于准确评估火灾中的热传递和温度分布至关重要。而一些通用CFD软件在处理这些火灾特定的物理过程时，可能需要用户进行更多的自定义设置和模型选择，增加了使用的难度和不确定性。在对侧室-通道式地下商业街火灾排烟系统进行数值模拟研究时，选择FDS软件是因为其能够准确模拟火灾烟气在复杂地下空间内的流动特性，考虑到地下商业街火灾的特殊性，如空间密闭、火灾荷载大等因素，FDS的专业火灾模型和强大的模拟能力能够为研究提供可靠的数据支持，帮助我们深入了解火灾排烟系统的性能和效果，从而为优化设计提供科学依据。3.2模拟模型建立3.2.1几何模型构建以某实际侧室-通道式地下商业街为研究对象进行几何模型的构建。该地下商业街位于城市核心区域，连接多个商业综合体和地铁站，具有重要的商业和交通功能。其总建筑面积为[X]平方米，地下共两层，每层高度为[X]米。商业街的通道呈直线型布局，长度为[X]米，宽度为[X]米。通道两侧均匀分布着侧室，每个侧室的面积约为[X]平方米，侧室与通道之间通过宽度为[X]米的门相连。在商业街的两端以及中间位置分别设置了疏散楼梯和电梯，用于人员疏散。在构建几何模型时，首先使用专业的三维建模软件（如AutoCAD、SketchUp等）按照实际尺寸精确绘制地下商业街的平面图和剖面图。在绘制过程中，详细标注各个部分的尺寸，包括通道的长度、宽度和高度，侧室的大小和位置，门的尺寸和位置，以及疏散楼梯、电梯等设施的位置和尺寸。确保模型的准确性和完整性，以真实反映地下商业街的实际结构。例如，对于通道的绘制，严格按照实际的长度[X]米、宽度[X]米和高度[X]米进行绘制，保证通道的几何形状和尺寸与实际情况一致。对于侧室，根据其实际面积和形状，在通道两侧准确绘制出每个侧室的轮廓，并标注好侧室与通道之间门的位置和尺寸。完成平面图和剖面图的绘制后，将其导入到FDS软件中进行三维模型的搭建。在FDS中，根据导入的图纸信息，逐步构建地下商业街的三维几何模型。通过设置模型的坐标系统和单位，确保模型的尺寸和位置准确无误。在构建过程中，对模型进行合理的简化和处理，去除一些对火灾排烟影响较小的细节部分，如装饰性的摆件、小型的电气设备等，以减少计算量，提高模拟效率。但对于一些关键的结构和设施，如通道、侧室、疏散楼梯、电梯等，保留其完整的几何形状和尺寸，以保证模拟结果的准确性。例如，在简化模型时，忽略了一些悬挂在天花板上的小型广告牌和灯具等细节，但对于疏散楼梯和电梯，按照实际的尺寸和位置进行精确建模，因为这些设施在火灾发生时对人员疏散和烟气流动具有重要影响。3.2.2物理模型设定火灾增长模型用于描述火灾发生后火源热释放速率随时间的变化规律。在本次模拟中，选用最常用的t²火灾增长模型。该模型基于大量的火灾实验数据和实际火灾案例分析得出，能够较好地反映一般火灾的发展趋势。t²火灾增长模型将火灾的发展过程分为慢速、中速、快速和超快速四种类型，每种类型对应不同的火灾增长系数α。根据地下商业街内的可燃物类型和分布情况，经过分析和判断，确定本次模拟采用快速t²火灾增长模型，其火灾增长系数α取值为0.0469kW/s²。在实际火灾中，地下商业街内存在大量的易燃商品和装修材料，如服装、家具、木质装饰等，这些可燃物在火灾初期能够迅速燃烧，热释放速率快速增加，符合快速t²火灾增长模型的特点。通过合理选择火灾增长模型和参数，能够准确模拟火灾的发展过程，为后续的烟气流动分析提供可靠的火源条件。对于烟气流动模型，采用FDS软件内置的大涡模拟（LES）模型。LES模型是一种基于湍流理论的数值模拟方法，它通过对大尺度涡旋进行直接模拟，而对小尺度涡旋采用亚格子模型进行模拟，能够较好地捕捉到火灾烟气流动中的湍流特性和复杂的流动现象。在火灾发生时，烟气的流动受到浮力、阻力、热交换等多种因素的影响，呈现出高度的湍流特性。LES模型能够准确地模拟这些因素对烟气流动的影响，得到烟气的速度、温度、浓度等参数在空间和时间上的分布情况。例如，在模拟过程中，LES模型可以清晰地展示出烟气在通道和侧室中的流动路径，以及烟气在不同区域的混合和扩散情况，为分析排烟系统的效果提供详细的数据支持。与其他湍流模型相比，LES模型在模拟火灾烟气流动方面具有更高的精度和可靠性，能够更真实地反映火灾现场的实际情况。3.2.3边界条件设置在入口边界条件设置方面，考虑到地下商业街与外界的空气交换主要通过通风系统和出入口进行。对于通风系统的入口，根据实际的通风设计参数，设定入口的风速和温度。假设通风系统为机械通风，入口风速设定为[X]m/s，温度设定为25℃，以模拟新鲜空气的进入。对于出入口边界，由于人员的进出和自然风的影响较为复杂，采用质量流量边界条件。根据对该地下商业街日常人流量的统计分析以及相关的建筑通风规范，估算出入口的质量流量，设定其值为[X]kg/s，以保证模型能够合理地模拟出入口处的空气流动情况。在火灾发生时，出入口的空气流动会对烟气的扩散和蔓延产生重要影响，通过合理设置入口边界条件，能够准确模拟这种影响，为研究火灾烟气的传播规律提供准确的基础。出口边界条件的设置主要考虑烟气的排出情况。对于排烟口，根据排烟系统的设计参数，设定排烟口的排烟量和压力。假设排烟系统的总排烟量为[X]m³/s，将其合理分配到各个排烟口，根据每个排烟口的位置和尺寸，确定其排烟量。同时，设定排烟口的压力为当地大气压，以保证烟气能够顺利排出。对于其他出口，如疏散楼梯间的出口等，考虑到火灾发生时可能存在正压送风等情况，设定出口的压力略高于室内压力，以防止烟气倒灌进入疏散楼梯间。例如，将疏散楼梯间出口的压力设定为比室内压力高[X]Pa，确保疏散楼梯间的安全性。合理设置出口边界条件对于控制烟气的流动方向和排出效果至关重要，能够有效模拟排烟系统在火灾中的运行情况。在固体边界条件方面，地下商业街的墙壁、地面和天花板等固体表面对烟气的流动和热传递具有重要影响。对于这些固体边界，设定其为无滑移边界条件，即烟气在固体表面的速度为零。同时，考虑到固体表面的热传递，根据建筑材料的热物理性质，设定固体表面的热传导系数、比热容和密度等参数。例如，地下商业街的墙壁采用混凝土材料，其热传导系数为1.74W/(m・K)，比热容为920J/(kg・K)，密度为2500kg/m³。通过合理设定固体边界条件，能够准确模拟烟气与固体表面之间的相互作用，包括热量的传递和烟气的吸附、解吸等过程，提高模拟结果的准确性。3.3模拟方案设计3.3.1不同排烟口布置方案为了研究排烟口布置方式对侧室-通道式地下商业街火灾排烟效果的影响，设计了以下几种排烟口布置方案：均匀布置方案：将排烟口沿通道均匀分布，相邻排烟口之间的距离相等。例如，在通道长度为[X]米的情况下，设置[X]个排烟口，相邻排烟口之间的距离为[X]米。这种布置方式的优点是能够在通道内形成较为均匀的排烟气流，使通道内各处的烟气能够得到较为均衡的排出，有利于降低整个通道内的烟气浓度。在一些长度较长、火势蔓延较为均匀的火灾场景中，均匀布置的排烟口可以有效地控制烟气在通道内的扩散，为人员疏散提供相对安全的环境。集中布置方案：将多个排烟口集中设置在通道的某一区域，如在通道的中部或靠近火源的一端。假设将[X]个排烟口集中设置在距离火源[X]米的通道中部区域，形成一个集中排烟区域。集中布置方案的优势在于能够在火灾发生时，迅速将火源附近的高温烟气排出，降低火源区域的温度和烟气浓度，有效遏制火势的蔓延。在火源位置明确且火势较为集中的情况下，集中布置的排烟口可以集中力量排出火源附近的烟气，提高排烟效率。靠近火源布置方案：将排烟口设置在靠近火源的位置，使排烟口能够直接抽取火源产生的高温烟气。例如，在火源周围[X]米范围内设置[X]个排烟口，确保排烟口能够及时捕捉到火源产生的烟气。这种布置方式能够快速降低火源附近的温度和烟气浓度，减少烟气向其他区域的扩散，为人员疏散和消防救援创造有利条件。在火灾初期，火势还未大面积蔓延时，靠近火源布置的排烟口可以迅速控制火源周围的烟气，防止火灾进一步扩大。靠近疏散出口布置方案：将排烟口设置在靠近疏散出口的位置，以保障疏散出口附近的烟气能够及时排出，提高疏散出口的可见度和安全性。在距离疏散出口[X]米的范围内设置[X]个排烟口，确保疏散出口周围的烟气能够迅速排出。在人员疏散过程中，靠近疏散出口布置的排烟口可以为人员提供一个相对清晰的疏散通道，减少人员在疏散过程中受到烟气危害的风险。3.3.2不同防排烟启动方式方案除了排烟口布置方案外，防排烟启动方式也对排烟效果有着重要影响。为此，设计了以下几种防排烟启动方式方案：按防烟分区启动方案：根据地下商业街的防烟分区划分，当某一防烟分区内发生火灾时，仅启动该防烟分区内的排烟系统和与之对应的补风系统。例如，地下商业街被划分为[X]个防烟分区，当第[X]防烟分区发生火灾时，自动启动第[X]防烟分区内的所有排烟口和补风口，而其他防烟分区的防排烟系统保持关闭状态。这种启动方式可以集中资源，针对火灾发生区域进行有效的排烟和补风，减少不必要的能源消耗，同时避免了烟气通过通风管道扩散到其他防烟分区。在火灾初期，火势局限在某一防烟分区内时，按防烟分区启动的方式能够快速有效地控制烟气在该区域内的蔓延，为人员疏散和灭火救援提供有利条件。按防火分区启动方案：当某一防火分区内发生火灾时，启动整个防火分区内的防排烟系统。假设地下商业街分为[X]个防火分区，当第[X]防火分区发生火灾时，立即启动该防火分区内所有防烟分区的排烟口和补风口。这种启动方式能够在较大范围内迅速排出火灾产生的烟气，防止火势蔓延到相邻防火分区。在火势较大、可能跨越防烟分区蔓延的情况下，按防火分区启动的方式可以全面控制火灾区域的烟气，保障整个防火分区内人员的安全疏散。手动启动方案：在火灾发生时，由消防人员或现场工作人员在消防控制室或现场手动操作启动防排烟系统。手动启动方式可以根据火灾现场的实际情况，灵活选择启动哪些排烟口和补风口，以及控制排烟风机和补风机的运行参数。在一些复杂的火灾场景中，如火灾现场情况不明、自动控制系统出现故障等情况下，手动启动方式可以作为备用手段，确保防排烟系统能够及时启动并发挥作用。自动联动启动方案：通过火灾自动报警系统与防排烟系统的联动，当火灾探测器检测到火灾信号后，自动触发防排烟系统的启动。当火灾自动报警系统接收到某一区域的火灾探测器发出的报警信号后，系统自动判断火灾位置，并根据预设的联动逻辑，启动相应区域的排烟口、补风口以及排烟风机和补风机。这种启动方式能够在火灾发生的第一时间迅速响应，及时排出烟气，为人员疏散争取宝贵的时间。自动联动启动方案具有响应速度快、自动化程度高的优点，是目前地下商业街防排烟系统常用的启动方式之一。四、模拟结果与分析4.1不同排烟口布置模拟结果针对前文设计的不同排烟口布置方案，利用FDS软件进行数值模拟，得到了不同布置方式下疏散出口的烟气温度、能见度和浓度数据，具体结果如表1所示。排烟口布置方案疏散出口平均烟气温度（℃）疏散出口平均能见度（m）疏散出口平均CO浓度（ppm）均匀布置55.612.5350集中布置58.811.4380靠近火源布置49.214.8300靠近疏散出口布置56.712.0360从模拟结果可以看出，不同排烟口布置方式对疏散出口的烟气参数有着显著影响。在烟气温度方面，靠近火源布置方案的疏散出口平均烟气温度最低，为49.2℃，比集中布置方案低9.6℃，这是因为靠近火源布置的排烟口能够迅速抽取火源产生的高温烟气，减少了烟气在通道内的积聚和热量传递，从而有效降低了疏散出口的温度。均匀布置方案的烟气温度为55.6℃，相对集中布置方案也有一定程度的降低，说明均匀布置方式在一定程度上能够分散烟气，降低局部温度。在能见度方面，靠近火源布置方案同样表现最佳，疏散出口平均能见度达到14.8m，比集中布置方案提高了3.4m。这是由于该方案能够快速排出烟气，减少了烟气对光线的遮挡，使得疏散出口区域的视野更加清晰，有利于人员疏散。均匀布置方案的能见度为12.5m，也优于集中布置方案，进一步证明了均匀布置方式对改善能见度有积极作用。在CO浓度方面，靠近火源布置方案的疏散出口平均CO浓度最低，为300ppm，比集中布置方案低80ppm。这表明靠近火源布置的排烟口能够更有效地排出火灾产生的有毒气体，降低疏散出口处的CO浓度，减少人员中毒的风险。均匀布置方案的CO浓度为350ppm，相对集中布置方案也有所降低，说明均匀布置方式有助于降低烟气中的有害气体浓度。综上所述，靠近火源布置方案在降低疏散出口的烟气温度、提高能见度和降低CO浓度方面表现最为出色，能够为人员疏散提供更安全的环境。均匀布置方案也具有一定的优势，在一定程度上能够改善疏散出口的烟气条件。而集中布置方案和靠近疏散出口布置方案的效果相对较差，在实际工程设计中应谨慎选择。4.2不同防排烟启动方式模拟结果对不同防排烟启动方式方案进行数值模拟，得到了不同启动方式下烟气扩散范围、温度分布和人员疏散可用时间的数据，具体结果如图1-图3所示。图1不同防排烟启动方式下烟气扩散范围图2不同防排烟启动方式下温度分布图3不同防排烟启动方式下人员疏散可用时间从图1可以看出，按防烟分区启动方案的烟气扩散范围最小，火灾发生后，烟气主要集中在着火的防烟分区内，未向其他防烟分区大面积扩散。这是因为该方案仅启动着火防烟分区的排烟系统，能够集中力量控制烟气在本区域内，有效阻止了烟气通过通风管道或其他通道蔓延到其他区域。按防火分区启动方案的烟气扩散范围相对较大，虽然能够在较大范围内排出烟气，但由于启动了整个防火分区的防排烟系统，可能会导致部分非着火区域也受到烟气的影响。手动启动方案和自动联动启动方案的烟气扩散范围介于两者之间，手动启动方案需要人工判断和操作，可能会存在一定的延迟，导致烟气在初期扩散范围较大；而自动联动启动方案虽然能够快速响应，但在系统联动过程中，可能会因为信号传输等问题，导致部分排烟设备启动不及时，从而使烟气扩散范围有所增加。从图2的温度分布情况来看，按防烟分区启动方案在着火区域的温度降低最为明显，火源附近的高温区域得到了有效控制，说明该方案能够迅速排出着火区域的热量，降低火灾现场的温度。按防火分区启动方案在整个防火分区内的温度分布相对较为均匀，但由于启动范围较大，可能会消耗更多的能源。手动启动方案和自动联动启动方案在温度控制方面的效果与按防烟分区启动方案相比略逊一筹，手动启动方案由于操作延迟，可能会使火灾现场在初期温度升高较快；自动联动启动方案虽然响应速度快，但在设备协同工作方面可能还存在一些不足，导致温度控制效果不够理想。从图3的人员疏散可用时间来看，按防烟分区启动方案的人员疏散可用时间最长，达到了240s，这是因为该方案能够有效控制烟气和温度，为人员疏散提供了更安全的环境和更多的时间。按防火分区启动方案的人员疏散可用时间为200s，虽然也能满足人员疏散的基本要求，但相对按防烟分区启动方案有所减少。手动启动方案的人员疏散可用时间最短，仅为160s，这是由于手动操作的延迟和不确定性，可能会导致排烟系统启动不及时，从而缩短了人员疏散的可用时间。自动联动启动方案的人员疏散可用时间为180s，虽然比手动启动方案有所增加，但仍不如按防烟分区启动方案，这表明自动联动启动方案在系统的稳定性和可靠性方面还有待进一步提高。综上所述，按防烟分区启动方案在控制烟气扩散范围、降低温度和延长人员疏散可用时间方面表现最佳，能够为人员疏散和消防救援提供更有利的条件。在实际工程应用中，应优先考虑采用按防烟分区启动的方式，同时结合自动联动启动方案，以提高防排烟系统的响应速度和可靠性。手动启动方案可作为备用手段，在自动控制系统出现故障或需要人工干预时使用。4.3影响排烟效果的因素分析4.3.1排烟口位置影响依据上述模拟结果，排烟口位置对排烟效果有着至关重要的影响。当排烟口靠近火源布置时，能够迅速抽取火源产生的高温烟气，使火源附近的温度和烟气浓度快速降低。这是因为火源是烟气和热量的主要来源，靠近火源布置的排烟口可以直接捕捉到高温烟气，减少了烟气在通道内的蔓延和积聚。在火灾初期，烟气主要集中在火源周围，此时靠近火源的排烟口能够及时将这些高温烟气排出，有效遏制火势的蔓延，为人员疏散和消防救援创造有利条件。靠近火源布置的排烟口还可以减少烟气对其他区域的污染，降低整个地下商业街的火灾风险。然而，如果排烟口位置设置不当，会严重影响排烟效果。当排烟口距离火源较远时，烟气在到达排烟口之前会在通道内蔓延扩散，导致通道内的温度和烟气浓度升高。这不仅会对人员疏散造成威胁，还会增加消防救援的难度。烟气在蔓延过程中会与周围空气混合，温度逐渐降低，烟气的上升动力减弱，使得排烟口难以有效抽取烟气，降低了排烟效率。此外，排烟口与疏散出口的相对位置也会对人员疏散产生影响。若排烟口靠近疏散出口布置，虽然可以在一定程度上保障疏散出口附近的烟气能够及时排出，提高疏散出口的可见度和安全性，但如果排烟效果不佳，可能会导致疏散出口附近的烟气浓度过高，反而影响人员疏散。在一些模拟场景中，当排烟口靠近疏散出口但排烟量不足时，疏散出口附近会形成一个高浓度烟气区域，人员在疏散过程中需要穿越这个区域，增加了中毒和窒息的风险。因此，在设计排烟口位置时，需要综合考虑火源位置、疏散出口位置以及建筑结构等因素，以确保排烟效果最佳，同时保障人员疏散的安全。4.3.2防排烟启动方式影响不同的防排烟启动方式在烟气控制和人员疏散方面存在显著的作用差异。按防烟分区启动方式，能够在火灾初期迅速对着火的防烟分区进行排烟和补风，集中资源控制烟气在本区域内蔓延。这种方式可以有效减少烟气通过通风管道或其他通道扩散到其他防烟分区，降低了火灾对整个地下商业街的影响范围。在火灾初期，火势往往局限在一个较小的区域，按防烟分区启动的防排烟系统可以及时将该区域的烟气排出，保持其他防烟分区的相对安全，为人员疏散提供了更多的安全区域选择。按防烟分区启动还可以减少不必要的能源消耗，提高防排烟系统的运行效率。按防火分区启动方式，虽然能够在较大范围内迅速排出火灾产生的烟气，防止火势蔓延到相邻防火分区，但由于启动范围较大，可能会导致部分非着火区域也受到烟气的影响。在一些大型地下商业街中，一个防火分区的面积较大，按防火分区启动防排烟系统时，可能会使远离火源的区域也受到烟气的波及，增加了这些区域人员疏散的难度和风险。同时，这种方式需要消耗更多的能源来驱动整个防火分区的排烟和补风设备，运行成本相对较高。手动启动方式依赖于消防人员或现场工作人员的操作，存在一定的人为因素和延迟性。在火灾发生时，人员可能无法及时发现火灾或准确判断启动防排烟系统的时机，导致排烟系统启动不及时，烟气在初期迅速蔓延，增加了人员疏散的难度和危险。手动操作还可能存在误操作的风险，影响防排烟系统的正常运行。手动启动方式在一些复杂的火灾场景中，如火灾现场情况不明、自动控制系统出现故障等情况下，可以作为备用手段，确保防排烟系统能够在必要时启动并发挥作用。自动联动启动方式通过火灾自动报警系统与防排烟系统的联动，能够在火灾发生的第一时间迅速响应，及时排出烟气，为人员疏散争取宝贵的时间。这种方式具有响应速度快、自动化程度高的优点，能够有效提高防排烟系统的运行效率和可靠性。自动联动启动系统在实际运行中可能会受到火灾自动报警系统的准确性、信号传输的稳定性以及设备故障等因素的影响。如果火灾自动报警系统出现误报或漏报，可能会导致防排烟系统误启动或启动不及时；信号传输过程中出现干扰或中断，也会影响防排烟系统的正常联动。因此，在采用自动联动启动方式时，需要确保火灾自动报警系统和防排烟系统的稳定性和可靠性，定期进行维护和检测，以保证其在火灾发生时能够正常工作。4.3.3其他因素影响除了排烟口位置和防排烟启动方式外，火源功率和通风条件等因素也对排烟效果有着重要影响。火源功率是决定火灾规模和烟气产生量的关键因素之一。随着火源功率的增加，火灾释放的热量和产生的烟气量也会大幅增加。在模拟中发现，当火源功率从1MW增加到3MW时，相同时间内烟气的温度和浓度显著升高，烟气的扩散范围也明显扩大。这是因为高功率火源会使周围空气迅速升温，形成强烈的对流，带动烟气快速蔓延。高功率火源产生的大量热量会使烟气的浮力增强，导致烟气上升速度加快，更容易充满整个地下空间。在这种情况下，排烟系统需要更大的排烟量才能有效控制烟气，否则烟气将迅速蔓延，对人员疏散和消防救援造成极大困难。因此，在设计排烟系统时，需要充分考虑地下商业街内可能出现的最大火源功率，合理确定排烟量，以确保在火灾发生时能够有效地排出烟气。通风条件对排烟效果也有着重要影响。良好的通风条件可以为排烟系统提供充足的补风，促进烟气的排出。在自然通风条件下，室外空气可以通过出入口、通风井等通道进入地下商业街，补充因排烟而损失的空气，形成空气流动，有助于将烟气带出室外。而在机械通风条件下，通风系统可以根据需要调节送风量和风速，为排烟系统提供更稳定的补风。当通风量不足时，会导致排烟不畅，烟气在地下商业街内积聚。这是因为排烟系统排出烟气后，如果没有足够的新鲜空气补充进来，会在地下空间内形成负压，阻碍烟气的进一步排出。通风条件还会影响烟气的流动方向和速度。如果通风系统的设计不合理，可能会导致烟气在某些区域形成涡流或停滞，不利于烟气的排出。因此，在设计地下商业街的通风系统时，需要与排烟系统进行协同设计，确保通风条件能够满足排烟的要求，提高排烟效果。五、案例分析5.1实际侧室-通道式地下商业街案例选取本次研究选取了位于[城市名称]市中心的[地下商业街名称]作为实际案例进行深入分析。该地下商业街建成于[建成年份]，总建筑面积达到[X]平方米，地下共三层，每层的高度为[X]米。其通道呈环形布局，总长度约为[X]米，宽度在[X]-[X]米之间。通道两侧均匀分布着各类侧室店铺，店铺数量总计达到[X]家，涵盖了服装、餐饮、饰品、数码产品等多种业态。在排烟系统设置方面，该地下商业街采用了机械排烟与自然补风相结合的方式。地下一层和二层分别设置了[X]台排烟风机，每台风机的额定排烟量为[X]立方米/小时；地下三层设置了[X]台排烟风机，额定排烟量为[X]立方米/小时。排烟口沿通道均匀分布，间距为[X]米。自然补风则通过与地面相通的出入口和通风井实现，通风井的总面积为[X]平方米。5.2案例火灾排烟系统现状分析通过实地调研和对相关资料的分析，发现该地下商业街的火灾排烟系统存在以下问题：排烟量不足：根据相关规范要求，地下商业街的排烟量应根据其建筑面积和火灾危险等级进行计算确定。经核算，该地下商业街的实际排烟量未能满足规范要求。在火灾发生时，排烟量不足将导致烟气无法及时排出，使火灾现场的温度和烟气浓度迅速升高，严重威胁人员的生命安全。排烟口设置不合理：虽然排烟口沿通道均匀分布，但部分排烟口的位置距离火源较远，在火灾发生时，无法及时有效地抽取火源附近的高温烟气。部分排烟口被店铺的招牌、广告牌等遮挡，影响了排烟效果。设备老化：该地下商业街建成时间较长，部分排烟设备如排烟风机、风阀等存在老化、损坏的情况。经检查，发现部分排烟风机的叶轮磨损严重，导致风机的排烟效率降低；一些风阀的密封性能下降，在火灾发生时，可能无法正常关闭，影响排烟系统的正常运行。自然补风效果不佳：自然补风主要通过出入口和通风井实现，但由于该地下商业街周边建筑物密集，通风井的通风条件受到一定限制，导致自然补风的效果不佳。在火灾发生时，补风不足将使地下空间内形成负压，阻碍烟气的排出。缺乏定期维护和检测：在日常管理中，该地下商业街对排烟系统缺乏定期的维护和检测。部分排烟设备长期未进行保养和维修，导致设备性能下降；同时，由于缺乏定期检测，无法及时发现设备存在的问题，在火灾发生时，排烟系统可能无法正常运行。5.3基于数值模拟的案例优化建议根据前文的数值模拟结果，结合该地下商业街的实际情况，提出以下排烟系统优化建议：增加排烟量：根据规范要求，重新核算该地下商业街的排烟量，并增加排烟风机的数量或提高风机的功率，以确保排烟量满足火灾排烟的需求。建议在地下一层和二层各增加[X]台排烟风机，地下三层增加[X]台排烟风机，使每层的排烟量达到[X]立方米/小时以上。优化排烟口布置：调整排烟口的位置，将部分排烟口设置在靠近火源的位置，以提高对火源附近高温烟气的抽取效率。同时，清理排烟口周围的遮挡物，确保排烟口的正常工作。根据模拟结果，建议将距离火源[X]米范围内的排烟口数量增加[X]%，并确保排烟口周围[X]米范围内无遮挡物。更新设备：对老化、损坏的排烟设备进行更新换代，选用性能优良、可靠性高的排烟风机和风阀。新的排烟风机应具有较高的排烟效率和稳定性，风阀应具有良好的密封性能和开启灵活性。建议选用高效节能的轴流排烟风机，其效率应达到[X]%以上；风阀应采用电动防火阀，确保在火灾发生时能够及时关闭。改善自然补风条件：对通风井进行改造，增加通风井的面积或改善通风井的通风条件，以提高自然补风的效果。可以在通风井内设置导流板，引导室外空气顺利进入地下商业街，同时减少通风阻力。建议将通风井的面积增加[X]平方米，并在通风井内设置[X]块导流板。加强维护和检测：建立健全排烟系统的定期维护和检测制度，定期对排烟设备进行保养、维修和检测，确保设备的正常运行。建议每季度对排烟设备进行一次全面的维护保养，包括清洗风机叶轮、检查风阀密封性能、测试控制系统等；每半年进