高大空间建筑排烟的盐水实验研究

桂娟 王健 高军 张智力 朱鸣 宋天珩

高大空间建筑排烟的盐水实验研究

桂娟1王健2高军1张智力2朱鸣2宋天珩2

1同济大学机械与能源工程学院
2同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

根据相似理论，分析了盐水模型实验在高大空间建筑排烟研究的可行性、烟气运动盐水模拟实验方法的相似准则。建立了高大空间建筑排烟盐水模型实验台，以盐水和清水之间的密度差模拟空气的温度差，用盐水在清水中的运动模拟实际建筑中热羽流的运动。实验过程中在盐水中加入染料，可以清晰地观察到羽流的发生和发展过程，运动规律以及相互作用。研究了高大空间中盐源强度、排烟量等因素对排烟效果的影响，准确地预测热分层高度、温度分布变化规律。

高大空间相似理论盐水实验羽流热分层高度

0 引言

中庭排烟的主要任务有两个：一是在火灾时能及时排除烟气，把人员，建筑物及设备的损失降到最低限度；二是及时排除办公层火灾时涌入中庭的烟气，防止烟气层化，减少非着火层工作人员对火灾的恐惧感，防止由于恐慌而造成不必要损失。中庭火灾烟气扩散控制及防排烟技术是国际上消防研究领域的前沿问题、难点问题。

烟气扩散及防排烟技术的研究与应用的途径有全尺寸火灾实验、小尺寸模拟实验和计算机数值模拟。

盐水模拟是利用一定浓度的盐水在清水中的流动来模拟火灾烟气流动规律的方法，由于过程直观、可重复性好、花费较低，因此受到重视。1993年，中国科技大学建成国内第一个盐水试验台，在受限空间烟羽流准稳态结构和蔓延规律、顶棚射流和顶棚下分层流发展过程等方面取得了一系列研究成果，并对中庭类建筑空间烟气扩散分析进行了尝试[1～4]。2004年，南华大学的彭小勇[5]采用缩比模型的盐水实验模型方法研究大空间建筑火灾中烟气的流态：无排烟的烟气扩散和填充过程，有自然排烟的烟气扩散过程和有机械排烟的烟气扩散并采用PIV对有自然排烟的室内烟气扩散和气流的流场进行了测量，流场PIV的测量结果很好地反应了烟气扩散以及诱导清水流动的瞬时流态。2007年，王磊、高军[6]采用盐水实验模型法研究了自然通风，研究了风口、热源及羽流等因素对通风效果的影响，准确地预测热分层高度、温度分布和通风量的变化规律。盐水实验是模拟大空间烟气流动的一种有效方法。2014年上海理工大学的秦俊搭建了盐水试验台，对于大空间下送风中部回风形式的分层空调，运用盐水模型实验对回风口汇流特性进行研究。

纵观以上盐水实验的研究情况，可以看出盐水实验具有真实直观、节约费用和清洁环境等优点，可以成功地用来研究火灾烟气扩散。

在“上海市科委立项项目（09dz1207704）《上海中心大厦绿色超高层建筑关键技术研究》的子课题——封闭式中庭消防安全技术研究”的带动下，展开对封闭式中庭排烟技术的盐水实验研究。

1 实验理论方法介绍

烟气和盐水运动的控制方程如表1。

表1 热烟气与盐水流动控制方程

经过无因次化处理，建筑中庭烟气扩散对流流动的控制方程（不可压缩）为：

而盐水密度差对流运动的控制方程为（不可压缩）：

式中：ki=(0,1,0)各准则数的定义如下：

显然，烟气中的能量传递和清水中盐浓度传递过程是可以类比的。因为质量守恒方程、动量守恒方程以及Θ和C守恒方形式分别相同，如果盐水浓度差与空气温度差运动准则数Re、Fr、Pr（Sc）数满足一定的准则关系，则两个运动方程组（1）和（2）是可以相似的。两种运动相似的相似准则数是Re，Fr，G和Pr=Sc。具体对比见表2。

表2 两种运动的相似准则数

2 实验台简介

图1为实验系统原理图。1号模型建筑即为上海中心3区模型（该模型上下底面为月牙形状，内弧长为1.5m，外弧长为1.815m，高为1.2m），用有机玻璃制成。模型上顶面有机械补水口、盐源口和四个电导率测试孔，下底面有机械排水口。2号是清水箱（2m×1m× 1.8m），用来模拟建筑周围的自然环境，为保持实验时水面高度稳定，清水箱设有溢流管。3号盐水箱设在较高处以确保足够的作用压头，同时用水泵不断地从4号盐水储箱中抽水，3号水箱设有溢流管，将多余的盐水送回4号水箱，使3号水箱中液面高度恒定，从而保证了稳定的作用压力。5号为高位清水箱，用来模拟机械补水，设在较高处以确保足够的作用压头，同时用水泵不断地从6号清水储箱中抽水，5号水箱设有溢流管。6号清水储箱同时往2号清水箱里补水，使2号清水箱液面稳定并稀释和置换2号水箱中少量的盐溶液。7号为排水箱，水泵8把模型1中的水排到7中。

图1 盐水模型实验台示意图

盐源口的设计采用了Hunt和Kaye[7]提出的方法。盐溶液流过一个狭窄的开口（直径25mm），然后流经较大的方形空腔，经过一层致密的网后从管口流出。这样做不仅补偿了虚拟源的位置还可以减小盐水的初始动量。

在测试过程中，采用电导率仪来测得溶液电导率，溶液电导率反映了，溶液中盐浓度的大小。实验开始前，将盐水电导率和盐水密度进行标定，用密度计测定不同浓度盐溶液的密度值，再用电导率仪测得溶液的电导率，得出电导率和盐水密度之问的相互对应关系（图2）。

图2 盐水密度和电导率对应关系曲线

根据实验时测得的87组盐水密度和电导率数据，采用多项式拟合得到电导率与密度的关系式为：

式中：Ec为盐水的电导率值。

本文中1MW和2.1MW的火灾盐水实验配置的密度为1350kg/m3盐水溶液经清水稀释，密度在1200 kg/m3以下，因此，测得的电导率密度是一一对应的单值函数关系。

图3为建筑模型图。

图3 建筑模型

3 实验结果与分析

本实验研究了三方面的内容：盐源强度对热分层的影响；1MW火灾烟气填充满整个中庭时间的盐水实验验证；不同方法确定的排烟量对稳态热分层的影响。

表3为根据常见的排烟量计算方法计算得到的上海中心3区中庭排烟量。

表3 上海中心3 区中庭排烟量

3.1盐源强度对热分层的影响

图4为不同盐源强度下模型建筑内密度分布。

图4 不同盐源强度下模型建筑内密度分布

1.0MW盐水实验和2.0MW盐水实验按CFD法确定排烟量时：盐源溶液密度都是ρ= 1350kg/m3，1.0MW盐水实验的盐源流量为Q0= 1.09m3/h，2.1MW盐水实验的盐源流量为Q0= 2.29m3/h，两种盐源强度实验的机械排水量都是Q排= 12.45m3/h，机械补水都是Q补=6.225m3/h，剩余的补风来自3区中的竖井空间，竖井空间补水为Q补=5.14 m3/h在盐水实验中剩余的补水来自大清水箱。从图中可以看出，二者热分层高度h/H相差不大，h/H都在0.20～0.24之间，在误差允许的范围内可以看作不变。

1.0 MW盐水实验和2.0MW盐水实验按上海市规确定排烟量时：盐源溶液密度都是ρ= 1350kg/m3，1.0MW盐水实验的盐源流量为Q0= 1.09m3/h，2.1MW盐水实验的盐源流量为Q0=2.29m3/h，两种盐源强度实验的机械排水量都是Q排= 15.533m3/h，竖井空间补水为Q补=5.14m3/h，剩余的全部为机械补水。可以看出二者的h/H都在0.25～0.29之间。

通过比较1.0MW盐水实验和2.0MW盐水实验的热分层高度可以看出：在排水量和补水量一样的情况下，热分层高度与火灾规模无关，只与排水量和补水量有关。

3.2上海中心大厦3区中庭排烟盐水实验验证

根据上海中心3区中庭的实际情况算出采用1MW的火灾规模。由前面计算可以得到1MW火灾在氯化钙溶液密度为1350m3/h时对应的盐溶液体积流量为Q0=1.09m3/h。用盐水实验验证1MW火灾在不开启补水水泵和排水水泵情况下染色盐水填充满整个建筑模型的时间，待观察一段时间已经完全填充满时，在开启排水水泵和补水水泵，验证在开启排烟系统情况下，染色盐水层分层的位置到达稳态热分层时需要多长时间。

实验的全过程用相机拍摄为视频，从视频中可以看出染色盐水填充满真个模型的时间为ts=90～100s，开启排水泵和补水泵染色盐水层达到稳态热分层的时间为ts=70～80s。

从上面得出的烟气填满上海中心3区中庭的时间为10.6～11.8min，可以看出高大中庭有很好的储烟作用，火灾发生时即使排烟系统和补风系统失效，由于中庭的储烟作用，有一定的时间可供人员逃生。当烟气填充满整个中庭再开启排烟风机和补风风机时需要8.25～9.43min使烟气达到稳态热分层的位置。

3.3不同排烟量对热分层的影响

图5是不同排烟量下模型建筑内的密度分布。该实验是1.0MW的盐水实验，盐源溶液密度是ρ= 1350kg/m3，盐源流量为Q0=1.09m3/h。

图5 不同排烟量下模型建筑内的密度分布

通过实验结果可以看出：采用《高层民用建筑设计防火规范》确定排烟量时最终的热分层高度h/H在0.15～0.19左右，采用上海市《建筑防排烟规程》中的“火灾规模与清晰高度法”确定排烟量时最终的热分层高度h/H在0.25～0.29左右，采用CFD火灾场景模拟分析即现有设计确定上海中心3区中庭排烟量时最终的热分层高度h/H在0.20～0.24之间。

本实验的建筑模型高为1.2m，比例尺为1:50，上海中心3区中庭的高度为60m，所以可以算出《高层民用建筑设计防火规范》确定排烟量时最终的热分层高度在9～11.4m之间左右，采用上海市《建筑防排烟规程》中的“火灾规模与清晰高度法”确定排烟量时最终的热分层高度在15～17.4m之间，采用CFD火灾场景模拟分析即现有设计确定上海中心3区中庭排烟量时最终的热分层高度在12～14.4m左右。

上海市《建筑防排烟规程》中的“火灾规模与清晰高度法”是工程上的经验公式，重点考虑火灾规模（MW）和清晰高度（m）两个参数，并不能够体现建筑的空间形状和面积几何尺寸，其排烟量的计算结果需要与其它计算方法比较使用。与“火灾规模与清晰高度法”相比，换气次数法通过体量间接考虑建筑的几何尺寸，但又缺少对火灾规模的考虑，同样具有缺点。

中庭火灾时烟气的蔓延与排烟效果与气流组织、建筑的形状、火灾的位置等密切相关。换气次数法和“火灾规模与清晰高度法”在计算排烟量的时候都表现出先天的不足，在不同的项目中主要的欠缺考虑点也不尽相同。因此，有必要运用计算流体力学CFD软件对烟气控制进行模拟，以验证和优化所设计的排烟率，最终确定排烟策略。

因此也可以说，CFD火灾场景模拟分析也是确定中庭排烟率的第三个方法，该方法考虑的因素更多，因此相对于前面所提及的两个基本计算方法更为科学合理。

4 结论

1）在相同的机械排水量（对应机械排烟量）、相同的机械补水量（对应机械补风量）下，1MW和2.1MW的盐水实验证明热分层高度不变，说明盐源强度对热分层高度影响不大。

2）1MW火灾烟气填满上海中心3区中庭的时间为10.6～11.8min可以看出高大中庭有很好的储烟作用，火灾发生时即使排烟系统和补风系统失效，由于中庭的储烟作用，有一定的时间可供人员逃生。

3）CFD火灾场景模拟分析也是确定中庭排烟率的第三个方法，该方法考虑的因素更多，相对高规排烟量计算和上海市规中的排烟量计算这两种基本计算方法更为科学合理。

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[2]张和平,周晓冬,万玉田,等.受限空间烟气运动盐水模拟研究的现状和展望[J].中国安全科学学报,1999,(1):33-37

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[4]张和平,姜锡权,谢之康,等.中庭建筑天井内火灾烟气运动特性的盐水实验模拟[J].实验力学,1999,(1):70-80

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[7]Hunt GR,Kaye NG.Virtual origin correction for lazzy turbulent plumes[J].Journal of Fluid Mechanics,2001,435:377-396

Ana lys is of the Sm oke Move m e nt on La rge Spa c e s Us ing Sa lt-Ba th Sc a le d Mode l

GUI Juan1,WANG Jian2,GAO Jun1,ZHANG Zhi-Li2,ZHU Ming2,SONG Tian-heng2
1 Department of Power Engineering,Tongji University
2 Architectural Design&Research Institute of Tongji University

According to the similarity theory between the brine and the plume,the feasibility,similarity criteria on large spaces using salt-bath scaled model were analyzed.Experimental study was performed in a salt-bath model.The ration between model and prototype was discussed based on similarity theory.Temperature difference in the prototype building was modeled by density difference of brine and fresh water in the scaled model.The height of the interface could be seen clearly and the density profile which simulates the temperature profile in the prototype building could be measured using conduct meter in the model.The movement and interacting of the plume could be observed by adding pigment into the brine.The effect of heat source could also be studied using the salt-bath model.

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1003-0344（2014）06-011-5

2013-10-18

王健（1958～），男，教授级高工；同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司（200092）；E-mail:wangjian@tjadri.com

上海市科委立项项目（09dz1207704）