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潔凈室通風(fēng)管道對火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響

房間通風(fēng)管道對火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響很重要。我們運(yùn)用模擬火災(zāi)的FDS軟件主要分析門開啟狀態(tài)、送風(fēng)方式及火源位置改變時(shí)，通風(fēng)管道對火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響。請注意查看。

1 模型的建立

本文取工程的兩個(gè)房間長寬高都是7 m×5 m×2.8m（其中高度包含吊頂在內(nèi)，見圖 1 、圖 2 ），門高為1.9 m、寬為 0.8 m。假設(shè)房間的隔墻材料為混凝土結(jié)構(gòu)，風(fēng)管為金屬材料，采用頂部送風(fēng)，走廊回風(fēng)，所以房間里只有送風(fēng)系統(tǒng)，并且火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候送風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉，煙氣通過熱浮升力流進(jìn)風(fēng)管，為了更好更實(shí)際地模擬煙氣在風(fēng)管中的擴(kuò)散，風(fēng)管兩端不封閉，煙氣在管內(nèi)自然流動。取夏季工況，假設(shè)室內(nèi)環(huán)境溫度取為 20℃，選用穩(wěn)態(tài)火源，火源位置如圖2 所示。在室 2 中取兩處位置作為測點(diǎn)，一處為中間位置，一處為右上位置，溫度測點(diǎn)取1.8 m 的高度，濃度測點(diǎn)取 1.5 m 高度。將網(wǎng)格劃分為 0.12 m×0.12 m×0.10 m，采用大渦模擬（LES）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 模擬分析

2.1 房間的門是否開啟

因?yàn)殚_口處只有房間的門和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)房間門的開閉對于煙氣在管道內(nèi)部的擴(kuò)散有重要的影響，所以模擬著火時(shí)門的開閉與否就很有必要。圖 3 為熱釋放速率為1000 kW/m2工況下（模型火源尺寸為 0.5 m×0.5 m，火源強(qiáng)度為250 kW）門開啟和門關(guān)閉的室2的煙氣層高度隨時(shí)間變化規(guī)律，風(fēng)管的尺寸取 320 m×320 m。從圖中可以看到，著火房間門的開啟與否對于鄰室煙氣的擴(kuò)散影響十分明顯，門開啟的工況下，室2的煙氣層高度幾乎沒有變化，但這并不代表沒有煙氣通過通風(fēng)管道進(jìn)入鄰室 2 中。從圖 4 的室2 煙氣的煙灰濃度隨時(shí)間的變化中可以看到，還是有極少量的煙氣通過風(fēng)管進(jìn)入到了室 2 中，只是由于濃度較小，迅速同室內(nèi)周圍的冷空氣混合，濃度降得很低，低于了測點(diǎn)的靈敏度，從而僅僅導(dǎo)致了煙氣層高度的微小變動；而門關(guān)閉工況的煙氣層高度在350 s前隨著時(shí)間的增長而逐漸下降，最低點(diǎn)下降到了0.5 m以下，并且煙氣的煙灰濃度不斷增加。但到了 350 s 以后突然跳躍到房間的高度，這是由于FDS軟件計(jì)算煙氣層高度的的方法的局限性所致。FDS計(jì)算煙氣層高度的方法為：假設(shè)一個(gè)連續(xù)性方程 T(z)，定義 T(z) 為距離地面高度 z 的函數(shù)，當(dāng) z = 0 時(shí)為地板上，z = H 為頂棚高度。定義 Tu為上層區(qū)域的溫度，Tl為下層區(qū)域的溫度，zi n t為煙氣層高度。計(jì)算下式：

通過上式可看出，當(dāng)實(shí)際煙氣層高度為0時(shí)即煙氣覆蓋整個(gè)房間時(shí)，通過 FDS 的計(jì)算煙氣層方法算出的煙氣層高度卻是 H，所以當(dāng)時(shí)間超過350s 時(shí)從煙氣層變化圖上反映的是煙氣層高度回到了頂棚高度，實(shí)際上是此時(shí)煙氣已充滿整個(gè)房間。所以在下面的研究中當(dāng)煙氣層高度又回到頂棚高度時(shí)，說明當(dāng)時(shí)煙氣層高度為 0，即煙氣已覆蓋整個(gè)房間了。

同時(shí)從煙灰濃度圖上看，在 0 s~300 s 煙灰的濃度總體是上升的，但到300 s后卻有上下震蕩的趨勢。這是由于房間是封閉的燃燒，氧氣的濃度隨著時(shí)間增長不斷下降，使燃燒因缺氧而越來越弱，繼而火災(zāi)熱釋放速率也隨時(shí)間的增長開始下降，降低到接近于0，如圖 5，從而在室1 中推動煙氣向風(fēng)管流動的熱壓也逐漸減小，室1中存在的明顯的負(fù)壓，所以將室2的氣體通過通風(fēng)管道又吸入到風(fēng)管中回到室 1 內(nèi)；而室 2熱煙氣同室內(nèi)空氣混合，漸漸地被周圍新鮮的空氣所稀釋。以上兩點(diǎn)就是煙氣的煙灰濃度隨時(shí)間變化圖中所示的在 300s 以后，煙灰濃度又隨著時(shí)間震蕩的原因。而門的開啟使得大量煙氣可以從門的開口中擴(kuò)散到走廊里，而門開口的中性層以下又可以進(jìn)入走廊內(nèi)的冷空氣，進(jìn)來的冷空氣與熱煙氣混合降低了熱煙氣的溫度，增大了煙氣密度，使得通過風(fēng)管進(jìn)入到鄰室的煙氣更加減少，從而從圖中的比較中發(fā)現(xiàn)，在開門的工況下，鄰室的各項(xiàng)曲線變化很微小。

所以，從上面分析可看到，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，室內(nèi)門的開啟對于煙氣向風(fēng)管內(nèi)的擴(kuò)散有著重要的影響，門開啟時(shí)，煙氣在風(fēng)管內(nèi)擴(kuò)散量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于向走廊里的擴(kuò)散量，于是在接下來的研究中，僅考慮房間的門在關(guān)閉情況下煙氣在通風(fēng)管道內(nèi)的擴(kuò)散。圖6和圖7為模擬煙氣在300 s門開啟和關(guān)閉時(shí)的狀態(tài)。

2.2 送風(fēng)方式的不同對于煙氣擴(kuò)散的影響通風(fēng)空調(diào)的送風(fēng)方式可以分為三種：頂送風(fēng)，側(cè)送風(fēng)以及底部送風(fēng)；而底部送風(fēng)由于應(yīng)用上的局限性，所以工程上很少使用。最為常見的兩種送風(fēng)形式即為頂送風(fēng)及側(cè)送風(fēng)。這兩種送風(fēng)方式由于風(fēng)口位置，風(fēng)管位置及送風(fēng)方向的不同，所以通過通風(fēng)管道擴(kuò)散至臨室的煙氣規(guī)律也不同。選取兩種不同送風(fēng)方式模擬煙氣通過管道擴(kuò)散規(guī)律，取熱釋放率為2000 kW/m2。

通過模擬，從圖8可以看出在前50 s側(cè)送風(fēng)的煙氣層高度下降速度比頂送風(fēng)的要快，這是由于煙氣以側(cè)送風(fēng)形式從風(fēng)管噴出時(shí)是水平自由射流形式，煙氣在空氣中向下擴(kuò)散，且與空氣混合后溫度下降較快，可見圖 9，所以煙氣沉降速度比較快；在50 s~200 s 時(shí)，側(cè)送風(fēng)煙氣下降的速度有所減緩，但側(cè)送風(fēng)的煙氣層高度一直比頂送風(fēng)的低。煙氣層在 190 s 時(shí)，兩種送風(fēng)方式的煙氣層高度相等，且以后相差比較小。從上面的比較可看出，送風(fēng)方式對煙氣擴(kuò)散有一定的影響，且煙氣通過側(cè)送風(fēng)風(fēng)管擴(kuò)散至鄰室的危害要比頂送風(fēng)的危害大。

2.3 不同火源位置對于煙氣擴(kuò)散的影響房間里可燃物著火位置的不同會對房間煙氣規(guī)律產(chǎn)生影響，本節(jié)研究不同火源位置的工況下，煙氣向鄰室擴(kuò)散的規(guī)律。本節(jié)模擬的房間尺寸與上節(jié)相同，風(fēng)管布置在房間正中位置，HRR 取為 500kW，模擬的火源位置與工況對照如圖 10。

2.3.1 煙氣層高度隨時(shí)間變化比較從圖11中可看出，C工況下煙氣層高度在相同時(shí)刻時(shí)要稍高于其余3個(gè)工況，但是其煙氣層高度也遠(yuǎn)小于 1.5 m，對人員一定會造成傷害；C 工況的煙氣層高度低于其余三個(gè)工況的原因是由于C工況下 2 室中煙氣溫度較高，如圖 12 所示，所以向上的浮升力較大，使得煙氣的沉降速率比其他工況稍小，這就是 C 工況下的煙氣層高度最高的原因。

2.3.2 煙氣的煙灰濃度隨時(shí)間變化的比較如圖 13 和圖 14 所示，4 個(gè)工況位置下煙氣擴(kuò)散到鄰室內(nèi)，在同一時(shí)刻中，C工況位置下的煙灰濃度要明顯大于其余3個(gè)工況的煙灰濃度；說明當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在風(fēng)管的正下方時(shí)，煙氣通過通風(fēng)管道對鄰室的危害最大。

3 結(jié)論

本文對單個(gè)房間發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣通過風(fēng)管擴(kuò)散到鄰室的煙氣流動規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，其中包括房間的門是否開啟、風(fēng)管尺寸的不同和不同的火源位置因素對煙氣在通風(fēng)管道內(nèi)擴(kuò)散的影響，得到結(jié)論如下：

（1）通過對比著火房間內(nèi)門的開啟與封閉時(shí)煙氣擴(kuò)散的工況發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)門開啟的時(shí)候，通過風(fēng)管擴(kuò)散到鄰室房間的煙氣量相比于從門口擴(kuò)散到走廊內(nèi)的煙氣量要小很多，煙氣通過風(fēng)管擴(kuò)散到鄰室對鄰室造成的危險(xiǎn)很小，這就為下面單獨(dú)研究封閉的著火房間的煙氣通過風(fēng)管擴(kuò)散到鄰室的煙氣擴(kuò)散規(guī)律提供了必要性。

（2）通過模擬不同送風(fēng)方式對火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)方式對煙氣擴(kuò)散有一定的影響，且煙氣通過側(cè)送風(fēng)風(fēng)管擴(kuò)散至鄰室的危害要比頂送風(fēng)的危害大。

（3）在模擬著火房間不同著火位置對于煙氣擴(kuò)散到鄰室的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)火源在著火房間正中位置，即在風(fēng)口的正下方的時(shí)候，鄰室房間的煙氣層高度要高于其余3個(gè)著火位置，煙氣的煙灰濃度和煙氣溫度都要大于其余三個(gè)著火位置，說明當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在風(fēng)管的正下方時(shí)，煙氣通過通風(fēng)管道對鄰室的危害最大。