基于CFD方法的室内步行街排烟方案分析

王 艳， 吴超鹏

（1.安徽省合肥市公安消防支队，安徽 合肥 230001；2.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230027）

0 引 言

商业综合体建筑的主要特点是平面布局上采用室内步行街将沿街商铺、百货、娱乐等功能业态相连接，各层间通过中庭贯通，如图1所示。考虑到人员疏散的顺畅性，室内步行街廊道、沿街店铺和中庭一般划分为一个大的防火分区，人员通过室内步行街廊道进行疏散。烟气是火灾中威胁人员安全最关键的因素，因此，研究作为人员安全疏散关键通道的室内步行街区域的防排烟方案具有重要的意义。

室内步行街区域的防排烟系统可分为如下3部分：店铺内排烟、室内步行街各层廊道排烟和中庭顶部排烟，如图2所示。在实际工程设计中，店铺内排烟一般采用机械排烟方式；回廊排烟有时按机械排烟方式设计，有时不设排烟；而中庭顶部排烟在部分工程按机械排烟方式设计（排烟口设在天窗侧面或顶部），部分工程按自然排烟方式设计（排烟口设在天窗侧面或顶部）。

图1 典型室内步行街平面布局

图2 室内步行街排烟示意图

目前，研究人员对单一中庭排烟方案的研究较多，文献［1］对中庭火灾烟气的流动做了理论和实验的对比研究；文献［2］对中庭烟气控制方法及相应的防排烟措施做了讨论；文献［3］对商场中庭自然排烟有效性进行了分析；文献［4］对带回廊的超高中庭机械排烟系统的排烟效果进行研究，分析了机械排烟量对排烟效果的影响。对室内步行街形式的防排烟方案研究较少，现有研究主要是针对某个特定的商业街，设定几个机械排烟或者自然排烟的工况进行模拟分析，其分析重点往往在于求解该商业街排烟系统的经济性和有效性，即求出最小有效机械排烟量或自然排烟口面积，较少考虑室内步行街3个区域排烟（店铺内排烟、室内步行街各层廊道排烟和中庭顶部排烟）的相互关联［5］。因此，本文拟对室内步行街3个区域的不同排烟组合方式进行数值模拟，分析烟气的蔓延情况，研究室内步行街区域防排烟方案的排烟效果。

模拟火灾烟气运动可用计算流体动力学（CFD）方法，CFD方法的思想是对计算区域划分为数量众多的网格单元，对每个网格单元求解质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程等获得数值解，方便地计算出建筑空间的温度场、能见度等参数分布情况。

本文采用美国标准技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）开发的火灾动力学模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）作为研究工具。

1 FDS介绍

FDS模拟软件是使用大涡模拟技术的计算流体动力学（CFD）软件，通过数值方法求解Navier－Stokes方程来分析燃烧过程中烟气流动过程和传热过程［1］。FDS中的燃烧模型通常采用混合分数模型，认为燃料和氧气的反应速度无限快。反应物和燃烧产物可以联合气体状态方程以及组分守恒方程求解得到。求解FDS控制方程组的核心算法是一种显式的预估－校正方法，时间和空间的精度都为2阶［6］。下面给出FDS基本控制方程组。

连续方程：

组分守恒方程：

动量守恒方程：

能量输运方程：

状态方程：

其中，ρ为流体密度；u流体速度；˙mb‴为火灾喷淋或化学反应产生的烟颗粒等源项；t为时间；Yα为α组分的质量分数；Dα为α组分的扩散系数；˙mα‴为α组分的化学反应源项；˙mb，α‴为α组分化学反应产生的烟颗粒等源项；p为流体压力；g为重力加速度；fb为外界力；τij为流体剪切力；hs为流体显焓；˙q‴为热释放 速率；˙qb‴为喷淋液滴吸收热量速率；˙q″为热传导和热辐射速率；ε为黏性耗散湍动能；R为气体常数；T为气体温度；为气体平均分子量。

2 室内步行街模型

本文模拟的室内步行街模型共3层，长60m、宽40m、高15m、每层高5m，如图3所示。火灾位置位于一层商铺，为考察室内步行街温度、能见度的变化，在A、B、C 3个位置分别设3个监测点，监测点高度为13～15m，相邻2个监测点高度方向间距为1m。

图3 室内步行街图示

3 模拟工况设计

3.1 热释放速率

火灾规模可通过热释放速率来表征，通常认为火灾中热释放速率是按时间的平方增长的，常称为t2火，文献［7］给出了火灾热释放速率随时间的关系［7］，即

其中，为热释放速率；t为时间；tg为标准增长时间常数，商铺火灾一般为快速增长火，取值为150s。

［8］，本文模拟3、8MW 2种最大热释放速率的火灾情况。

3.2 防排烟方案设计

3.2.1 商铺及回廊排烟设计

商铺采用机械排烟方式，排烟量按房间面积每平方米60m3／h设计。回廊采用机械排烟方式，排烟量按防烟分区面积每平方米60m3／h设计。本文将考察回廊排烟在正常动作和失效2种工况下的烟气蔓延情况。

3.2.2 中庭顶部排烟设计

（1）机械排烟方式。参考NFPA92B，中庭的机械排烟量可根据以下方程组计算［1］：

其中，m为高度z处的羽流质量流率；Qc为火灾释热的对流部分，取值为的0.7倍；z为烟气层界面到火源上表面的距离，本文取值12m；zl为火焰高度；V为机械排烟量；ρ为烟气密度；patm为大气压，取值为101 325Pa；R为气体常数，取值为8.314J／（mol·K）；Ts为烟气的绝对温度；T0为环境温度，取值为293K；cp为空气的定压比热，取值为1.02kJ／（kg·K）。

根据（7）～（12）式可计算得到本文室内步行街模型发生3MW火灾时，中庭机械排烟量的理论值约为19×104m3／h。

（2）自然排烟方式。参考文献［8］第 5.2.7条的规定，采用自然排烟方式所需自然排烟口面积可根据下式计算：

其中，Av为排烟口的截面积；A0为所有进气口的总面积，室内步行街模型的进气口为首层联通室外的门，所有门全部开启，总面积为40m2；Cv为排烟口流量系数（通常选定在0.5～0.7之间），计算中取0.5；C0为进气口流量系数（通常约为0.6）；g为重力加速度；db为排烟窗下烟气的厚度，排烟窗开设在采光顶侧墙1m高时，取值为4m。

根据（7）～（13）式可计算得到本文室内步行街模型发生3MW火灾时，中庭自然排烟口面积的理论值约为48m2。

3.3 模拟工况汇总

综上所述，结合回廊排烟动作与否、中庭排烟方式、中庭顶部排烟口布置位置等因素，本文对16个工况进行数值模拟，考察不同防排烟方案的烟气蔓延情况。模拟工况汇总见表1所列。所有工况的模拟初始温度均为20℃，初始压力为标准大气压，工况5～8、13～16的排烟面积为48m2。

表1 火灾工况设计结果

4 数值模拟结果及分析

4.1 中庭上层烟气温度

本文采用监测点的平均温度来表征中庭上层空间的烟气温度，即

3、8MW火灾时中庭上层空间的温度随时间的变化如图4所示。从图4可以看出，3MW火灾时，采用机械排烟方式的工况1、2、3、4的温度分别比相同条件下采用自然排烟方式的工况5、6、7、8的温度要低；8MW火灾时，同样是采用机械排烟方式的工况9、10、11、12的温度比相同条件下采用自然排烟方式的工况13、14、15、16的温度要低。结果表明，相同条件下，中庭顶部采用机械排烟方式比自然排烟方式排烟效果更好。

从图4还可看出，无论中庭顶部采用机械排烟方式还是自然排烟方式，回廊设置排烟的工况1、2、5、6、9、10、13、14的温度分别比相同条件下回廊不设置排烟的工况3、4、7、8、11、12、15、16的温度低。结果表明，回廊设置排烟有助于降低商铺火灾对中庭的烟气危害。

从中庭排烟口布置方式角度分析可以看出，对于中庭机械排烟方式，排烟口按侧面布置的工况1、3、9、11的温度与按顶部布置的工况2、4、10、12的温度差异较小；对于中庭自然排烟方式，排烟口按高侧窗布置的工况5、7、13、15的温度与按天窗布置的工况6、8、14、16的温度要明显高些。这是因为机械排烟主要依靠排烟风机提供的出口风速作为主动力，而自然排烟主要依靠烟气羽流的上升浮力作为驱动力。结果表明，中庭采用机械排烟方式时，中庭排烟口布置方式对排烟效果影响不大；而中庭采用自然排烟方式时，中庭排烟口按天窗方式布置比按高侧窗方式布置排烟效果更好。

图4 3、8MW火灾各工况中庭上层温度随时间变化情况

4.2 中庭上层烟气能见度

能见度是火灾烟气遮光性的特征参数，是烟气浓度的直接反映，能见度越高，烟气浓度越低。本文采用监测点的平均能见度来表征中庭上层空间的烟气能见度，即

3、8MW火灾时中庭上层空间的能见度随时间的变化如图5所示。从图5a可以看出，相同条件下，中庭顶部采用机械排烟方式工况1、2、3、4分别比自然排烟方式的工况5、6、7、8的能见度高，即机械排烟方式的排烟效果更好。回廊设置排烟的工况1、2、5、6的温度分别比相同条件下回廊不设置排烟的工况3、4、7、8的能见度高，说明回廊设置排烟有助于将烟气及时排除。中庭采用机械排烟方式时，中庭排烟口布置方式对能见度影响不大；而中庭采用自然排烟方式时，中庭排烟口按天窗方式布置时的能见度比按高侧窗方式布置时更高。从图5b可以看出，8MW火灾时能见度在400～600s时间段的斜率很大，600s后能见度随时间变化曲线趋向平稳。结果表明，发生8MW火灾时，按3MW设计的中庭排烟方案难以及时将烟气排除。

图5 3、8MW火灾各工况中庭上层能见度随时间变化情况

4.3 过中庭剖面烟气温度

3、8MW火灾1 200s时各工况过中庭剖面烟气温度分布分别如图6、图7所示。

图6 3MW火灾各工况1 200s时过中庭剖面温度

图7 8MW火灾各工况1 200s时过中庭剖面温度

从图中可以看出，在同一高度层上，中庭顶部采用机械排烟方式工况1、2、3、4、9、10、11、12分别比相同条件下采用自然排烟方式的工况5、6、7、8、13、14、15、16的温度更低，这表明机械排烟方式的排烟效果更好；回廊设置排烟的工况1、2、5、6、9、10、13、14的温度分别比相同条件下回廊不设置排烟的工况3、4、7、8、11、12、15、16的温度低，这表明回廊设置排烟是有利的；中庭采用机械排烟方式时，中庭排烟口无论按侧面或者按顶部布置，中庭剖面温度的大小范围及分布相似；而中庭采用自然排烟方式时，中庭排烟口按天窗方式布置时的中庭剖面温度比按高侧窗方式布置时更高，且高于环境温度的烟气层下压得更低。

5 结 论

（1）在火灾功率、商铺和回廊排烟、中庭顶部排烟口布置方式相同的条件下，中庭顶部采用机械排烟方式比自然排烟方式排烟效果更好。

（2）在火灾功率、商铺排烟、中庭顶部排烟方式相同的条件下，在中庭回廊设置排烟有助于将商铺火灾溢出的烟气及时排除。

（3）在火灾功率、商铺和回廊排烟设置相同条件下，中庭采用机械排烟方式时，中庭排烟口布置方式对排烟效果影响不大；而中庭采用自然排烟方式时，中庭排烟口按天窗方式布置比按高侧窗方式布置排烟效果更好。

［参 考 文 献］

［1］ 易 亮.中庭式建筑中火灾烟气的流动与管理研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2005.

［2］ 杨 炎.路世昌，智会强，等.中庭烟气流动规律及防排烟系统的研究［J］.安全，2006（6）：11－15.

［3］ 徐 茜.商场中庭底部设置溜冰场的自然排烟有效性分析［J］.消防技术与产品信息，2013（11）：42－46.

［4］ 刘明非，王泽宇，张国昊.回廊式超高中庭排烟探讨［J］.制冷与空调，2013，27（1）：10－17.

［5］ 杨 林，王彬彬，蒋 勇.基于数值模拟的室内商业街火灾烟气输运研究［J］.中国安全生产科学技术，2008，4（4）：51－54.

［6］ Fire Dynamics Simulator（Version 5）Technical Reference Guide［Z］.National Institute of Standards and Technology，2010.

［7］ NFPA 92B，Standard for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Spaces［S］.National Fire Protection Association（NFPA），USA，2005.

［8］ DGJ08－88－2006，建筑防排烟技术规程［S］.