防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟*

王利霞

(山西大同大学 建筑与测绘工程学院， 山西 大同 037003)

随着人口的增长以及城市的发展，城市中的建筑物数量不断增加，建筑防火问题受到了人们广泛的关注[1].建筑物的结构越来越复杂，当建筑物内发生火灾时，复杂的结构不利于安全疏散和火灾扑救，容易造成严重的财产损失和人员伤亡[2].经大量的调查发现，在建筑火灾中窒息和烟气中毒是造成人员伤亡的主要原因.火势由于高温烟气的迅速蔓延和流动会不断扩大，因此需要将消防排烟系统设置在建筑防火系统中，有效地对烟气进行控制[3-4].在建筑防火系统中，消防排烟控制技术还存在不足，因此需要对消防烟气的控制进行模拟.当前暖通消防烟气控制模拟方法存在模拟精度低和控制效果差的问题，需要对暖通消防烟气控制模拟方法进行研究.

李俊梅等[5]提出基于扩散特性的消防烟气控制模拟方法，该方法分析火源位置对烟气温度分布、支路隧道烟气质量流量分配的影响，根据分析结果获得烟气流动的扩散特性，实现消防烟气控制的模拟，该方法得到的模拟结果与实际结果之间的误差较大，存在模拟精度低的问题.马砺等[6]提出基于FDS的消防烟气控制模拟方法，该方法通过FDS模拟软件在隧道风机辅助站台排烟、站台排烟、自然排烟三种模式下分析不同火源位置一氧化碳浓度分布、楼梯口风速、能见度和人眼特征高度处温度，实现消防烟气控制的模拟，采用该方法控制后能见度没有提高，存在控制效果差的问题.肖益民等[7]提出基于传热模型的消防烟气控制模拟方法，该方法考虑流量和气流温度对建筑结构造成的影响，根据分析结果建立传热模型，通过确定边界换热、初始温度分布和传热影响深度等定解条件，获得离散方程组，在网络计算模型中导入结构传热，获得建筑结构传热量、热量分布和温度分布，实现消防烟气控制的模拟，该方法构建的离散方程组精准度较低.

为了解决上述方法中存在的问题，提出防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法.本文方法主要内容及创新点包括：1)构建基本守恒方程分析防排烟系统中烟气及温度场分布特征，通过基本守恒方程能够精准地分析系统中烟气、温度具体分布情况，结合能量质量守恒定律，在保证模拟结果符合客观事实的基础上提升数据的切实性、可靠性；2)采用湍流方程深入分析防排烟系统烟气湍流耗散率，并在前人研究基础上考虑了剪力产生项及浮力产生项的影响，以此提升CFD模拟的模拟精度；3)分析CFD技术及应用过程；4)仿真模拟.

经上述过程完成防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟，经实验验证本文方法能够有效模拟出暖通消防烟气分布状况，该方法实际应用性较高.

1 烟气扩散模拟数学模型

1.1 基本守恒方程

首先需分析防排烟系统中暖通消防烟气扩散状态，结合能量守恒定律获取符合客观事实的烟气扩散运动数据，为后续分析提供理论数据.设u、v、w为在空间x、y、z三个方向中的速度分量；p为流场对应的压力；C为烟气对应的浓度；θ为温度场参数.烟气在防排烟系统中的流动通常遵循能量质量守恒定律，即组分方程、能量方程、连续性方程和动量方程.

连续方程的表达式为

(1)

式中：ρ为排烟密度；xi为质量.

能量方程的表达式为

(2)

式中：cp为气压对应的定压比热容；qb为燃烧产生的热源项；qr为辐射热源项；λ为气体对应的导热系数.

动量方程的表达式为

(3)

组分方程的表达式为

(4)

式中：Cs为s组分气体对应的质量分数；ws为s组分气体在燃烧过程中的化学反应生成率；D为s组分气体对应的扩散系数.

通过式(3)～(4)完成防排烟系统中暖通消防烟气扩散运动的动量与组分分析，基于上述计算得到烟气相关数据，为分析暖通消防烟气控制的CFD模拟[8]提供可行数据.

1.2 湍流方程

由于烟气在暖通管道中会产生湍流运动，因此在结合基本守恒方程的基础上，需根据湍流方程分析其在暖通管道中湍流运动状态.浮力作用下的湍流流动可以用来描述气流在火灾过程中的流动[9-10].为了更精准分析火源产生烟气的流向，本文将对暖通管道中烟气流动方向进行模拟，通常情况下，暖通管道分为单向流入和双向流入，根据该特点进行烟气流动模拟.

结合前文可知，在湍流过程中各物理量都是瞬时值，在上述基本方程中引入脉动速度φ′，获得Reynolds时均方程组，即

(5)

(6)

湍流动能K方程的表达式为

Gk+Gb-ρε

(7)

式中：k为黏滞力；vl为湍流顺时速度；σk为瞬时压力；ε为惯性力；Gk为剪力产生项；Gb为浮力产生项.Gk和Gb的计算公式分别为

(8)

(9)

式中：uj为横向外力；gi为烟气重力.

湍流耗散率方程的表达式为

(10)

式中：σε为摩擦力；V为速度梯度.

基于上述公式完成暖通消防烟气扩散过程的参数计算，可为暖通消防烟气控制CFD模拟提供理论数据.

2 烟气控制模拟

2.1 CFD技术

在CFD技术中通过有限差分法对描述流体的运动方程进行求解.采用CFD技术的求解流程如图1所示.

防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法通过CFD技术对数学模型进行求解，检测迭代求解方程是否收敛，若未收敛，则需要修改系数，并将修改的系数重新代入离散方程，继续进行迭代求解，直到方程已经收敛为止，获取可视化计算结果，为暖通消防烟气控制模拟提供依据.

2.2 烟气控制分析与优化

当长条形火源的边长ds大于短边3倍以上时，火焰在火源上方对应的高度为z1，其计算公式为

图1 CFD技术求解流程Fig.1 Flow chart of solving process by CFD technique

(11)

式中，Qc为热释放速率.热释放速率与其对流部分之间的关系为

Qc=Q/1.5

(12)

式中，Q为对流热量.计算z1

(13)

设θm为烟流平均温度，其计算公式为

(14)

式中：cq为烟流气体对应的定压比热容；θ0为环境温度.设V为烟流体积流率，其计算公式为

(15)

式中，ρ0为烟流浓度.为了解决温度迅速恶化、出口能见度低的问题，可以增大建筑物排烟口的尺寸，提高排烟风速，实现暖通消防烟气控制.通过上述过程实现防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟，为了验证防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法的整体有效性，需要对防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法进行测试.

3 实验结果与分析

综合考虑模拟耗时和模拟精度，将网格单元数设置为244×50×8，将网格单元大小设置为0.4 m×0.4 m×0.41 m.本次实验将模拟一个2 000 m2的室内环境，其消防烟道竖井高度为30 m，送风主管长度为5 m，烟气流动以双向流动类型为主，并将单个排烟口对应的排烟量设置为0.5 m3/s，排烟风速为4 m/s，排烟口尺寸为500 mm×250 mm，排烟量较小.排烟口边界条件设为Exhaust，排烟口的启动方式为烟感探头响应后1 min启动，设置出口边界为Open类型，环境温度为25 ℃.根据《建筑设计防火规范》，结合建筑出口宽度和面积等参数，设定模拟时间为600 s.对建筑平面结构进行分析，选取具有代表性的四个火源位置，火源名称分别为ABCD.将火源的尺寸设置为8 dm×1 dm，热释放速率曲线在火源增长阶段为t2型，将火灾荷载密度设定为645 MJ/m2，其具体分布如图2所示.

图2 火源位置模拟图Fig.2 Simulation of fire source location

采用仿真方式根据日常产烟量输入烟气相关数值，以单向流入的暖通系统为例，分别采用防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法、基于扩散特性的消防烟气控制模拟方法和基于FDS的消防烟气控制模拟方法进行测试，对比三种控制方法的控制效果，以防排烟系统烟气热量为指标进行测试.为避免测试结果因主观因素造成数据不确定性，本次实验将采用同一款防排烟系统，并对防排烟系统进行调制处理，测试结果如图3所示.

输入大小一致的烟气量，并在等长的单位时间内进行检测，测试结果如图4所示.

图4 不同控制方法下防排烟系统烟气热量Fig.4 Smoke heat in smoke prevention system with different control methods

由图4可知，本文方法控制下，系统中的烟气能够有效排出，避免烟气过多地堆积在系统中，而其他两种方法在单位时间内防排烟效果差.这种现象是因为防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法采用CFD技术对构建的数学模型进行求解，提高了防排烟系统中暖通消防烟气的控制效果.将能见度作为指标进一步验证不同方法的有效性，排烟状态下，空气能见度计算公式为

(16)

式中：E为烟雾控制效率；t1为烟雾释放时间；θ∞为环境空气温度；cρ为空气定压比热容；ρ∞为烟雾浓度.由于其他条件相同，不同方法的烟雾控制效率不同，导致不同方法能见度也不同，测试结果如图5所示.

图5 不同方法能见度对比图Fig.5 Visibility comparison of different methods

由图5可知，随着时间的推移，三种方法的能见度都有所提高，但基于扩散特性的消防烟气控制模拟方法控制后的能见度变化不大，而本文方法控制后的能见度最高，验证了本文方法的整体有效性.

4 结 论

当建筑物内发生火灾时，由于大多数人对建筑物内部结构不熟悉，不易察觉发生的紧急事件，当紧急事件发生后容易产生混乱，造成大量的人员伤亡，需要对暖通消防烟气控制进行模拟.当前暖通消防烟气控制模拟方法存在模拟精度低和控制效果差的问题.提出防排烟系统中暖通消防烟气控制的CFD模拟方法，通过高精度的模型对暖通消防烟气进行模拟，根据模拟结果对其进行优化控制，为消防烟气控制技术的发展奠定了基础.