高层建筑火灾中气雾混流风幕阻烟性能模拟研究

赵志鹏 陈浩然 刘楚悦

摘要：采用FireDynamicSimulation（FDS）模拟软件模拟了高层建筑条形走廊内四种不同工况下的烟气蔓延扩散特征，对比分析烟气传播规律，通过比较关键位置处的温度和一氧化碳体积分数，评估气雾混流风幕的防烟效果。研究结果表明，气雾混流风幕能够有效地阻隔高温有毒烟气蔓延，延长人员疏散时间且不影响人员的自由出入，从而保证人员安全疏散。

关键词：风幕;数值模拟;烟气控制;气雾混流

中图分类号：TU892       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）02-0018-03

2020年1—10月间，共发生火灾19.6万起，相当于每两分钟就有一起火灾发生，火灾仍然是对我们的生活产生威胁最大的一种灾害。当城市出现火灾时，火灾烟气的高温和毒性是致人伤亡的直接原因，烟气中固态微粒的遮光作用会降低能见度，影响人员逃生，因此火灾烟气对人员生命安全构成极大的威胁。

随着我国现代化进程的加快，超高层建筑不断涌现，由于烟囱效应的影响，超高层建筑火灾中烟气的危害比一般建筑更加严重。

20世纪80年代初日本对防烟空气幕展开研究，取得了一定成绩，美国90年代初开始研究高层建筑中空气幕的防烟效果，韩国Uk-Hee Jung分析隧道内空气幕的气流模式特征，证明安装狭缝喷嘴的角度为20度，在狭缝喷嘴处排出空气速度为35m/s，以便有效地阻挡烟气。Gao等研究了空气幕在隧道内阻止烟气扩散的有效性，并进行了全尺寸试验和模拟。

目前国内空气幕防烟研究主要集中在探讨单吹式防烟空气幕的宽度、喷射角度、喷射速度等关键参数的最佳值和不同火灾场景下防烟空气幕的挡烟效率。

何嘉鹏等建立了高层建筑火灾时防烟空气幕流量、吹风口宽度和吹风口的射流速度的计算模型。通过实验研究， 采用空气幕防烟对于高层建筑火灾时的疏散是可行的。黄松提出了一种新型空气幕复式空气幕的概念，即为一种由两个单空气幕组合，联动共同阻烟的阻断方式，研究表明：在大门处布置空气幕时，复式空气幕在某些参数条件下优于单空气幕。肖蓓探究了复式空气幕在建筑火灾中的阻烟效果，经模拟实验证明，复式空气幕在建筑防烟上具有良好的效果。黄冬梅研究了利用单吹式防烟空气幕阻挡烟气扩散的有效性，得出空气幕的最佳射流角度为10-15度，且当火源的总释放速率为500kw时，空气幕的出口风速与火源的总释放速率满足一定函数关系。

笔者利用火灾动力学模拟软件FDS，建立了高层建筑同比例模型，研究四种不同工况条件下高层建筑走廊内的烟气传播规律，通过分析走廊内关键位置的参数，评估气雾混流风幕的防烟效率。

1  数值模拟

本文模拟选用火灾动力学模拟软件FDS，FDS是以火灾中烟气为主要模拟对象的计算流体动力学软件，本文中所使用的大涡模拟比方式数据解决了在低速的、热力驱动下流动的微分方程，以火灾时的烟气流动和热传遞为研究对象， 它首先使用质量守恒方程、能量守恒方程，以及能量守恒的偏微分方程来逼近有限差分，，并将空间划分为一系列网格，在单体网格内求解方程，确定火灾基本参数在空间各点上的分布及随时间发生的变化。

质量守恒方程：

动量方程：

能量方程：

高层建筑的条形走廊模型建筑平面图见图1所示，酒店共15层，层高2.6m，走廊宽为1.8m，走廊中线长20m，起火位置为第11层的房间。设定建筑环境初始温度为20℃，根据高层民用建筑设计防火规范，酒店房间火源功率取为1000kW/m2，着火楼层第11层的计算空间网格设置为165×18×26，最小网格尺寸为0.1×0.1×0.1。火源边界的大小为 0.5×0.6m。

在走廊中心线上15m处的顶部设置产生风幕的送风口，送风口尺寸为1.8×0.3m，送风口风速为8m/s;在送风口的下方设置排烟口，大小为0.3×1.8m;模拟的时间设置为100s。同时在走廊中线面上的2.6m高度上设置探测点，测定不同工况和模式下的CO体积分数和烟气温度，如表1所示。

2  模拟结果比较与分析

2.1  温度分析

图2为4种不同工况下建筑走廊空间内温度随时间的变动情形，经过大量科学研究证实：人体对高温烟气的忍受度是有限的。在65℃时，人体可以短暂忍受;在120℃时，15min内将产生严重的损伤。工况1在100s时就达到70℃，可见高温烟气对人员逃生的影响，工况2和工况3的温度均有小范围升高，而工况4在100s内温度始终保持在20℃，确保了走廊烟气温度在人员的可承受范围内，为人员安全疏散提供了有效时间，分析原因主要有三方面：第一，水雾颗滴与高温烟气相遇后产生热量交换，水雾颗滴从热烟气中吸收的热量，雾滴的吸热作用降低了烟气温度;第二，气雾混流风幕通过幕内外压力差来阻止横贯射流面的气体流动，从而有效地减少风幕两侧区域的质量、组分与能量交换;第三，气雾混流阻挡了烟气向隧道蔓延，隧道内高温烟气浓度下降，隧道内温度也随之下降。

2.2  一氧化碳浓度分析

火灾中，烟气在水平方向扩散的流动速度约为0.3～0.8m/s，而气雾混流场，由于高速运动的气雾混流诱发的垂直向下的气雾混流场速度在8～12m/s，远大于烟气的流动速度。气雾混流能量密集程度高，能在设置截面上形成具有一定强度的气雾混流幕墙，烟气流股与之相遇后随气雾混流风幕偏转，从而阻挡CO等有毒气体扩散。图3为不同工况条件下，走廊内检测到的一氧化碳浓度值随时间变化情况，无风幕条件下CO峰值浓度值为30ppm，添加风幕和排烟口后CO峰值浓度均有较大下降，且在工况3和工况4条件下CO浓度保持为零，说明了气雾混流风幕延缓了一氧化碳沿走廊通道向前蔓延的作用，同时风幕下设置的排烟口使风幕的阻断能力更强。

3  結语

（1）气雾混流风幕通过幕内外的压力差阻断横贯面的气体流动，阻挡高温有毒烟气蔓延，同时水雾颗粒可以蒸发吸热，和烟气粒子间发生凝并，形成水滴和炭黑粒子团，炭黑粒子团在重力和水雾液滴的作用下沉降，从而有效地降低了狭长通道内的烟气温度，通过模拟发现在风幕下方设置排烟口可使风幕的阻断能力更强，从而获得较高的防烟效率。

（2）使用气雾混流风幕进行防烟气分隔的方式，能够有效遏制烟气的扩散，减少狭长通道内CO含量。

参考文献：

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CN202199003U，2012-04-25.

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Simulation study on smoke resistance performance

of aerosol mixed flow air curtain in high-rise building fire

Zhao Zhipeng ，Chen Haoran，Liu Chuyue

（Anhui University of Science and Technology，Anhui  Huainan 232001）

Abstract：This author uses the Fire Dynamic Simulation（FDS） field simulation software to simulate the characteristics of smoke spread and diffusion under four different working conditions in the strip corridor of high-rise buildings. By comparing the temperature and carbon dioxide volume fraction at key positions， the smoke prevention effect of the aerosol mixed flow air curtain is evaluated. The result shows that the air curtain of aerosol mixed flow can effectively block the spread of high-temperature toxic smoke， prolongs the evacuation time without affecting the free entry and exit of personnel and ensure the safe evacuation of personnel

Keywords：air curtain; numerical simulation; smoke control; aerosol mixed flow