不同空气湿度条件下凹型超高层建筑窗口羽流火焰的数值模拟分析

王 宇,邢 佳,王子铭,佟 舟

(1.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168；2.沈阳城市建设学院土木工程系，辽宁 沈阳 110167)

超高层建筑具有体量大,纵向超高等特点[1-3],若发生火灾,安全救援工作难度将大大提高。故对于超高层建筑外部火蔓延的特点需重点关注[4-10]。目前针对高层建筑火灾,国内外学者进行了大量研究,吴海燕等[11]对超高层建筑火灾危险性及防火设计进行了研究分析;A.S.Usmani等[12-14]对实际超高层建筑火灾的连续倒塌性能进行了分析;何勇军等[15]对超高层建筑内部火灾烟气流动做了相关研究,得出火源位置和温度分布关系以及拟合函数,并且竖井内的烟气运动和进气口以及侧向开口的状态、天井尺寸、火源位置功率等有关。

上述研究主要是针对超高层建筑安全疏散防火性能、结构抗火及影响内部火灾烟气流动因素,对于超高层建筑外部火蔓延进展情况鲜有研究,而研究室外空气湿度对超高层建筑外部火蔓延情况具有实际意义。基于此,笔者针对不同空气湿度条件下凹型超高层建筑窗口羽流火焰进行模拟研究,通过改变空气湿度,并引入危险温度350 ℃[17](外保温材料点燃温度)和540 ℃[18](火焰融合温度),研究不同工况下凹型超高层建筑窗口羽流火焰发生融合高度的影响以及窗口温度分布规律。研究表明连续纵向两窗口燃烧,空气湿度对火焰高度影响很小,但随着连续纵向窗口的增加,空气湿度对火焰融合高度影响越来越大。

1 数值模型

1.1 模型尺寸

计算模型为某一实际凹型超高层建筑,层高3 m,模拟火灾发生位置设置在第14层,火源在长宽为5.4 m×4.5 m的卧室内,窗口宽高为 2.4 m×1.8 m。笔者将对在3种不同空气湿度(20%、40%、80%)条件下纵向连续四窗口、连续三窗口和连续两窗口羽流火焰进行数值模拟。

对于网格划分,PyroSim[19]采用的是快速傅里叶变换泊松求解器,经计算笔者采用的网格尺寸为0.35 m×0.35 m×0.35 m。超高层建筑模型如图1所示。热力偶布置在每一楼层的窗户中心位置,设置THCP01～THCP34共34个温度探测点(见图1(b))。

图1 超高层建筑模型Fig.1 Super high-level model

1.2 工况设置

当凹型超高层建筑发生火灾时,室外不同的自然环境因素,例如晴天或是雨天、降雨量的大小等都会导致室外空气湿度不同,进而影响可燃物的含水量,对火势的大小、蔓延程度有着较大影响[20]。风环境对超高层建筑火灾同样存在重要影响。笔者将空气湿度设置为20%、40%、80%,风速设置为2 m/s,工况情况见表1。

表1 不同空气湿度时工况Table 1 Working conditions at different air humidity

1.3 火源热释放速率

根据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251—2017),燃烧模型选择非稳态t2模型[21],查得客房卧室火灾热释放率为6 MW,经计算火荷载密度值为0.28 MW/m2,燃烧过程为超快速火,当达到最大热释放率6 MW时,时间为179 s。

2 模拟结果与分析

图2～图10中THCP16～THCP25分别表示在第16层至第25层凹槽内窗口中心处温度探测点。火焰融合高度为火焰总高度减去火源位置高度。所有图(a)中横坐标Y表示超高层建筑横向宽度,纵坐标Z表示超高层建筑的竖向高度;图(b)中横坐标表示燃烧时间,纵坐标表示窗口温度。

图2 空气湿度20%下连续纵向两窗口Fig.2 Continuous vertical two windows at 20% air humidity

2.1 空气湿度为20%

室外风速为2 m/s、空气湿度20%条件下,连续竖向两窗口、三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图2～图4所示。

图4 空气湿度20%下连续纵向四窗口Fig.4 Continuous vertical four windows at 20% air humidity

从图2可以看出,纵向连续两窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为53.38 m,火焰融合高度为8.38 m;当危险温度达到350 ℃,火焰总高度为56.82 m,火焰融合高度为11.82 m。

从图3可以看出,纵向连续三窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为60.32 m,火焰融合高度为12.36 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为65.64 m,火焰融合高度为17.64 m。

图3 空气湿度20%下连续纵向三窗口Fig.3 Continuous vertical three windows at 20% air humidity

从图4可以看出,纵向连续四窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为66.70 m,火焰融合高度为15.70 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为73.76 m,火焰融合高度为22.76 m。

2.2 空气湿度为40%

室外风速为2 m/s、空气湿度40%条件下,连续竖向两窗口、三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图5～图7所示。

图5 空气湿度40%下连续纵向两窗口Fig.5 Continuous vertical two windows at 40% air humidity

从图5可以看出,纵向连续两窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为53.18 m,火焰融合高度为8.18 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为56.54 m,火焰融合高度为11.54 m。

从图6可以看出,纵向连续三窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为59.88 m,火焰融合高度为11.88 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为64.92 m,火焰融合高度为16.92 m.

图6 空气湿度40%下连续纵向三窗口Fig.6 Continuous vertical three windows at 40% air humidity

从图7可以看出,纵向连续四窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为66.18 m,火焰融合高度为15.18 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为72.84m,火焰融合高度为21.84 m.

图7 空气湿度40%下连续纵向四窗口Fig.7 Continuous vertical four windows at 40% air humidity

2.3 空气湿度为80%

室外风速为2 m/s、空气湿度80%条件下,连续竖向两窗口、三窗口及四窗口的温度等温线和温度曲线如图8～图10所示。

图8 空气湿度80%下连续纵向两窗口Fig.8 Continuous vertical two windows at 80% air humidity

从图8可以看出,纵向连续两窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为52.88 m,火焰融合高度为7.88 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为56.28 m,火焰融合高度为11.28 m。

从图9可以看出,纵向连续三窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为59.52 m,火焰融合高度为11.52 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为64.28 m,火焰融合高度为16.28 m。

图9 空气湿度80%下连续纵向三窗口Fig.9 Continuous vertical three windows at 80% air humidity

从图10可以看出,纵向连续四窗口条件下,当危险温度达到540 ℃时,火焰总高度为65.64 m,火焰融合高度为14.64 m;当危险温度达到350 ℃时,火焰总高度为71.62 m,火焰融合高度为20.62 m。

图10 空气湿度80%下连续纵向四窗口Fig.10 Continuous vertical four windows at 80% air humidity

2.4 结果分析

(1)通过模拟对比分析可知,连续纵向三窗口比连续纵向两窗口燃烧在达到危险温度540 ℃时,火焰融合高度升高了3.7～4.7 m,在达到危险温度350 ℃时,火焰的高度升高了5.0～5.9 m;连续纵向四窗口比连续纵向三窗口燃烧在达到危险温度540 ℃时,火焰融合高度升高了0.36～0.52 m,在达到危险温度350 ℃时,火焰的高度升高了0.40～0.61 m。

(2)连续纵向两窗口、三窗口、四窗口燃烧,在达到危险温度540 ℃时,空气湿度20%条件下比空气湿度40%条件下的火焰融合高度分别增长了0.2 m、0.48 m、0.52 m;空气湿度40%条件下比空气湿度80%条件下的火焰融合高度分别增长了0.3 m、0.36 m、0.54 m。在达到危险温度350 ℃时,空气湿度20%条件下比空气湿度40%条件下的火焰融合高度分别增长了0.28 m、0.72 m、0.92 m;空气湿度40%条件下比空气湿度80%条件下的火焰融合高度分别增长了0.26 m、0.64 m、1.22 m。

3 结 论

(1)连续纵向两窗口燃烧,空气湿度对火焰高度影响很小,但随着连续纵向窗口的增加,空气湿度对其影响越来越大。

(2)随着空气湿度的减小,火势增大,当达到危险温度时,火焰融合高度增高。

(3)纵向连续四窗口火焰融合高度的增长幅度比纵向连续三窗口火焰融合高度的增长幅度小。