环境风作用下弧形立面机场航站楼自然排烟效果的数值模拟研究

赵鹏程，姚 斌

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

机场航站楼、高铁站、体育馆等大空间建筑具有通透性的要求，多采用自然排烟方式进行排烟。自然排烟效果除与建筑结构形式、火灾荷载、火源类型等因素有关外，还在很大程度上会受到环境风的影响。韩见云等[1]利用FDS和Rhino模拟软件模拟1.5 MW火灾发生时自然排烟窗的排烟效果，考虑到外界环境的热障效应，为使烟气顺利排至室外，研究给出了指廊区域高侧窗的安装高度范围。孙亮和黄文丽[2]采用FDS模拟软件分析了中庭顶部和侧面自然排烟窗在有风条件下的排烟效果，结果表明外界侧向风会阻碍烟气的排放，风速越大，排烟效果越差。高为刚和杨云[3]研究了不同火源功率的火灾在外界风作用下的自然排烟效果，认为在迎风侧的侧向排烟口排烟效果会随着风速的增加而受到越来越强的抑制。Chow和Li[4]利用数值模拟和理论计算的方法，研究了环境风和烟羽流对中庭顶部自然排烟速率的影响，当环境风是排烟速率的主要影响因素时，会很大程度上降低排烟口处的烟气流速，降低程度取决于建筑物侧壁距中庭的距离。Węgrzyński和Krajewski[5]对比了有外界风和无风条件下，壁挂式的烟气导流装置的效率，发现有风时，排烟效率降低37%，外界风对自然排烟有重要影响。Li等[6]研究了外界风作用于高层建筑中庭屋顶时的自然排烟效果，当外界风作用于建筑物时，迎风面的排烟口将直接失去排烟能力。窦清华[7]对某机场航站楼自然排烟窗的排烟效果进行了数值模拟研究，该航站楼立面平整，排烟窗位于顶部与侧面四周，考虑了顶窗与侧窗的7种启闭方式，发现若火源功率超过6 MW，且室外风速大于5 m/s时，迎风面的侧窗不能将烟气有效排至室外，此时需要打开顶部排烟窗以及背风面的侧窗以使烟气顺利排至室外。

前人研究多集中于简单立面结构建筑，但对环境风作用于弧形立面等复杂建筑结构形式的航站楼时研究不足，排烟窗局部的风向、风速分布复杂，可能会导致排烟失败，这需要进一步优化启闭自然排烟窗的控制模式，保证排烟的有效性。在前人工作的基础上，本文以某弧形立面航站楼为例，以候机指廊为研究对象，以危险到达时间作为量化排烟效果的代表性参数，选取典型区域的自然排烟窗分段控制，采用FDS模拟软件模拟有环境风作用时排烟窗分段控制和不分段控制下的烟气运动特性，获得烟气的危险到达时间，以期得到不同的排烟窗控制模式和发烟量对航站楼到达危险时间的规律，为排烟窗的优化控制提供参考。

1 研究对象

如图1所示，为某机场航站楼的效果图，航站楼的构型为指廊式，长为1 270 m，宽为514 m，高度为45 m，建筑分五层，一层标高±0.0 m，为到达层，二层标高+4.8 m，为中转层，三层标高+8.8 m，为国际出发层，四层标高+14.0 m，为国内出发层，其中三层、四层与四层夹层相贯通，为大空间区域。选取三层国际出发层指廊区域弧形立面段为研究对象，该区域面积约为59 000 m2，如图1黑色框线区域。自然排烟窗由侧面高位排烟窗和顶部排烟窗组成，图2为指廊大空间区域的侧面高位排烟窗示意图，侧面高位排烟窗底部距三层地面9.2 m，单个排烟窗长2.0 m，高1.0 m，排烟窗有效面积占地面面积的2.38%，其中侧面高位窗占1.32%，顶部排烟窗占1.06%。

图1 某机场航站楼效果图Fig.1 Rendering of the airport terminal

图2 航站楼指廊区域侧面高位排烟窗示意图Fig.2 Schematic diagram of high side exhaust windows of corridor of airport terminal

2 数值模拟

2.1 危险状态判定

参考国内众多工程案例以及学者研究[8,9]，确定火灾发生时，烟气的毒性、能见度和温度的危险临界值如表1所示。

表1 烟气特征参数危险临界值Table 1 Hazard threshold of smoke characteristic parameter

后续小节中，在模拟时间内，安全出口处出现危险，能见度先达到危险状态，因此全文的危险到达时间以能见度10 m这一参数作为判定依据，危险到达时间越长，排烟窗的排烟效果越好[8]。

2.2 模型建立与工况设计

根据设计图纸，利用FDS软件按1∶1比例搭建机场航站楼全尺寸模型，模型如图3所示，模拟区域为候机指廊区域及相邻的室外空间，如图3矩形框线区域。图4为火源位置及测点布置示意图，火源位于航站楼三层国际出发厅指廊区域的商铺，与排烟窗的水平投影距离为10.0 m，火源热释放速率取10.0 MW，火灾类别设定为t2-快速火，火灾增长系数取0.044[9]。在指廊区域共设置8束热电偶树，均匀分布在指廊区域内，每束热电偶树上均匀布置7只热电偶，热电偶的间隔为2.0 m。同时在距离顶棚2.0 m处布置烟气流速测点，烟气层高度测点、烟气流速测点共布置8组，用以监测烟气流动特性。如图5所示，侧面高位排烟窗按弧度均匀分为三组以进行分段控制，在每段排烟窗组处各设置风速风向传感器，用以监测环境风的具体参数。在近火源处，网格划分为0.5 m×0.5 m×0.5 m，在远火源处，网格划分为1.0 m×1.0 m×1.0 m，环境温度设置为21.0 ℃，大气压力设置为标准大气压，模拟时间为20 min。

图3 某机场航站楼数值模拟模型图Fig.3 Simulation model diagram of the airport terminal

图4 火源位置及测点布置示意图Fig.4 Fire location and measurement points layout diagrammatic sketch of airport terminal

图5 侧面高位排烟窗分组示意图Fig.5 High side exhaust windows grouping diagram of airport terminal

根据航站楼所在地的气象资料，该地区的年平均风速约1.5 m/s，考虑到特殊气候条件，最大风级选取强风，本文的环境风速分别取0 m/s、1.5 m/s、5 m/s、10 m/s四种情况，同时考虑到风向对排烟效果的影响，风向分别选取北风、西风、西北风三种情况。在机场中，可燃物种类多，其发烟量也不同，如：胶合板等木材装饰类、衣物等棉麻纺织类、室内装饰和座椅沙发垫材等高聚物商品类，考虑发生火灾时，可能会有多种可燃物参与燃烧，发烟量分别取0.05、0.10、0.15、0.20。考虑不利情况，本文在关闭顶部排烟窗而启闭侧面高位排烟窗的条件下进行研究。表2是设计的6种控制方式，W6为不分段控制模式，W1～W5为分段控制模式，W0为空白对照组。

表2 侧面高位排烟窗控制模式表Table 2 Control modes of high side exhaust windows

当环境风作用于弧形立面航站楼时，为研究环境风作用下排烟窗控制方式对自然排烟的影响，发烟量选取0.20，环境风的风速考虑0 m/s、1.5 m/s、5.0 m/s和10.0 m/s四种情况，风向考虑北风、西北风和西风三种情况，排烟窗控制方式考虑六种方式，共设置60组工况，分别为A1～A6、B1～B6、C1～C6、D1～D6、E1～E6、F1～F6、G1～G6、H1～H6、J1～J6、K1～K6。当环境风为北风时，为研究发烟量和危险到达时间之间的关系，在仅开启排烟窗组一(即控制模式W1)的条件下，发烟量考虑0.05、0.10、0.15和0.20四种情况，风速考虑0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s、4.0 m/s、5.0 m/s、7.5 m/s和10.0 m/s八种情况，共设计32组工况，分别为L1-1～L1-4、L2-1～L2-4、L3-1～L3-4、L4-1～L4-4、L5-1～L5-4、L6-1～L6-4、L7-1～L7-4、L8-1～L8-4。

2.3 网格独立性验证

网格尺寸可以通过式(1)估算得到：

(1)

其中，L为网格尺寸，m；D*为火源特征直径；δx为无量纲数。

Hamins和McGrattan[10]认为δx的取值范围应在4～16之间。通过计算可知，网格尺寸的取值范围为0.15 m～0.60 m。本文近火源处，网格划分为0.5 m×0.5 m×0.5 m，进一步通过FDS模拟验证。本文就计算结果设计了4种网格，分别为网格Ⅰ、网格Ⅱ、网格Ⅲ和网格Ⅳ，对应的网格边长分别为0.4 m、0.5 m、0.6 m和1.0 m。火源功率为10.0 MW，温度测点位于火源正上方6 m处，图6给出了火源正上方的温度曲线。从图6中可以看出网格Ⅳ的计算结果与其他三种网格相比，计算结果明显偏低，网格Ⅰ、网格Ⅱ与网格Ⅲ的计算结果基本一致。考虑到节省计算资源，提高计算效率，本文选择网格Ⅱ，即网格划分为0.5 m×0.5 m×0.5 m。

图6 火源正上方6 m处温度曲线Fig.6 Temperature curve at 6 m above the fire source

3 结果讨论与分析

3.1 环境风作用下自然排烟窗控制模式对排烟效果的影响

排烟窗不分段控制时，不同风速下火源位置处600 s时的温度云图如图7所示，通过对比可知当环境风速大于5 m/s时，烟气倒灌入航站楼内，使烟气羽流向远离排烟窗侧倾斜，危险到达时间下降至354 s，甚至更低，影响人员安全疏散。为了降低环境风对自然排烟效果的影响，自然排烟窗应分段控制。

表3列出了在环境风作用下，候机指廊发生发烟量为0.20的火灾时，排烟窗在各控制模式下的危险到达时间。通过增加空白对照，本文模拟了排烟窗全部关闭(即W0控制模式)时的工况，发现在365 s时达到危险。从表3中可知，当北风风速为5 m/s时，W2的危险到达时间为399 s，W3的危险到达时间为424 s，W5的危险到达时间为406 s，而W6的危险到达时间为354 s，W2/W3/W5(分段控制模式)的危险到达时间大于W6/W0(不分段控制模式/空白对照)；当北风风速为10 m/s时，W2的危险到达时间为358 s，W3的危险到达时间为438 s，W5的危险到达时间为310 s，而W6的危险到达时间为278 s，W2/W3/W5(分段控制模式)的危险到达时间大于W6(不分段控制模式)，W3(分段控制模式)的危险到达时间大于W0(空白对照)。其他风向结果类似，此处不做赘述。

表3 环境风作用下危险到达时间Table 3 Hazard occurrence time under the action of surrounding wind

图8给出了排烟窗不同控制模式下的危险到达时间，可以从图8各分图中看出不分段控制模式W6在环境风速较大时，危险到达时间偏小，通过比较分段控制模式和不分段控制模式的危险到达时间，发现均有一个或多个分段控制模式下的危险到达时间大于不分段控制模式，以图8(a)为例可知，当北风风速超过5 m/s时，折线W2、W3和W5均位于折线W6上部，W2/W3/W5(分段控制模式)的危险到达时间大于W6(不分段控制模式)。航站楼发生火灾时，为了降低环境风的影响，排烟窗应分段控制，分段控制模式下的排烟效果优于不分段控制模式。

图8 不同排烟窗控制模式下危险到达时间Fig.8 Hazard occurrence time under different control modes of exhaust windows

图9给出了环境风作用下不同控制模式的危险到达时间。排烟窗组一处的切向环境风为西风，法向环境风为北风。从图9(a)中可知，在W1控制模式下(排烟窗组一开启，排烟窗组二和组三关闭)，西风和西北风作用下的危险到达时间明显大于北风，西风和西北风作用下的危险到达时间相差较小，说明法向环境风(即北风)作用于排烟窗组一区域时，排烟效果较差；从图9(b)中可知，在W4控制模式下(排烟窗组一和组二开启，排烟窗组三关闭)，北风和西北风作用下的危险到达时间明显小于西风，北风和西北风作用下的危险到达时间相差较小，说明切向环境风(即西风)作用于排烟窗组一区域时，排烟效果较好。所以当环境风作用于弧形立面航站楼时，在法向方向的环境风(即北风)作用下排烟效果较差，切向方向的环境风(即西风)作用下排烟效果较好。

图9 环境风作用下的危险到达时间Fig.9 Hazard occurrence time under different surrounding wind

图10给出了迎风侧侧面高位排烟窗的控制流程图。当风速风向传感器测得排烟窗法向方向的风速小于5 m/s时，排烟窗分段控制模式和不分段控制模式均可有效排烟；当测得风速小于10 m/s时，为了有效排烟，可选择分段控制模式W2、W3或W5；当测得风速大于10 m/s，则需关闭迎风侧排烟窗，以防烟气倒灌。

图10 自然排烟窗控制模式流程图Fig.10 The flow diagram of control modes of exhaust windows

3.2 环境风作用下火灾发烟量对自然排烟的影响

当环境风为北风，排烟窗在W1控制模式下(即风向为排烟窗的法向方向)，不同发烟量下危险到达时间如表4所示。图11给出了不同风速下的危险到达时间变化曲线。当环境风速不变时，随着发烟量的增加，危险到达时间减小，同时危险到达时间的增幅减小。当发烟量不变时，随着环境风速的增大，危险到达时间呈现出先增大后减小的规律。

表4 不同发烟量下危险到达时间Table 4 Hazard occurrence time under different smoke densities

在图11中，发烟量分别为0.05、0.10、0.15和0.20时，危险到达时间分别在898 s、674 s、587 s和409 s达到最大值。通过对危险到达时间最大值tmax和发烟量x拟合，发现二者之间存在线性关系，满足关系式：tmax=-3018x+1030.5，图12给出了不同发烟量下危险到达时间最大值的拟合曲线以及拟合公式。

图11 不同风速下的危险到达时间变化曲线Fig.11 The curve of hazard occurrence time under different wind speed

图12 不同发烟量下危险到达时间最大值拟合图Fig.12 The fitting curve of maximum hazard occurrence time under different smoke densities

4 结论

(1)环境风对弧形立面航站楼的自然排烟效果有较大影响，火源附近的侧面高位排烟窗法向方向风速过大时会导致烟气倒灌，影响人员安全疏散。

(2)当环境风速过大时，采取分段控制弧形立面段侧面高位排烟窗的方法可以有效降低环境风对弧形立面航站楼自然排烟的影响，分段控制模式下的排烟效果要优于不分段控制模式。本文提出了优化排烟窗控制模式流程，建议在各组排烟窗安装风速风向传感器，在航站楼内设置适当的火灾探测设备，确定火灾的具体位置，以优化控制。

(3)当排烟窗法向方向的风速小于5 m/s时，分段控制模式和不分段控制模式下的排烟窗均可有效排烟；当排烟窗法向方向的风速大于10 m/s时，须关闭火源附近的侧面高位排烟窗，以防烟气倒灌。

(4)在本文研究条件下，当发烟量在0.05～0.20之间时，危险到达时间最大值tmax与发烟量x满足线性函数关系式：tmax=-3018x+1030.5，应控制航站楼内可燃物的种类和数量，限制使用发烟量高的物品。