中庭建筑邻室及开口尺寸对烟气运动规律影响研究

由天下分享时间：2025/2/11 17:23:57 加入收藏我要投稿点赞

胡雪利1王健2*

【摘要】利用FDS模拟了中庭建筑不同邻室及开口尺寸条件下的烟气运动。讨论了模拟主要现象及各工况下中庭和邻室烟气温度随时间分布特点，得到烟气运动与邻室尺寸及开口尺寸的关系，并对两种因素对烟气运动影响程度进行了分析。研究结果表明，开口尺寸一定时，相同体积的邻室对中庭内烟气运动影响可忽略；由邻室溢出到中庭的烟气量随邻室体积增加不断减小，随开口尺寸减小不断减小；相对于邻室尺寸，开口尺寸对邻室内烟气运动影响更为明显。【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2016(035)009 【总页数】5

【关键词】火灾中庭 FDS阳台型烟羽流开口尺寸邻室尺寸

中庭以宽敞、明亮的优点在现代建筑中越来越多的出现，但中庭高大的空间结构使其内部防烟分隔与传统建筑有很大差别，这也使得中庭火灾控制成为消防领域的研究重点。大量研究表明，火灾中造成人员伤亡的主要因素是火灾烟气，因此研究中庭建筑内烟气运动规律具有很大的现实意义。中庭建筑火灾一般发生在中庭内部或与其相通的空间[1]。对于中庭等大空间建筑，当与其相邻空间发生火灾时，烟气在浮力的作用下不断上升并卷吸周围空气，到达顶棚下部后热烟气通过与中庭相邻的开口溢流到中庭空间内，形成阳台型羽流。前期学者对中庭建筑火灾大都集中在轴对称羽流的研究上[2-3]，对阳台型羽流研究也主要集中在不同排烟方式的控制上[4-5]，对其运动规律研究较为缺乏。现有的上海市防排烟技术规程[6]对阳台型烟羽流排烟量计算时仅考虑火源开口宽度及开

口至阳台边缘的距离，对火源所在空间尺寸及开口高度未做明确规定。作为中庭建筑火灾烟气运动的主要形式，有必要研究邻室及其开口尺寸对中庭阳台型羽流运动规律的影响。

1 模型及模拟工况设计

本文主要讨论当火灾发生在中庭邻室，邻室及其开口尺寸对烟气运动规律的影响。模型设计中，各工况一般参数均设置如下：初始环境温度24℃，中庭尺寸20 m×20 m×30 m，中庭排烟量40000 m3/h，补风量20000 m3/h，火源设置为快速平方火，热释放率峰值1 MW，火源尺寸1 m×1 m，网格为0.20 m×0.20 m× 0.20 m，排烟和补风开启时间为 100 s，模拟时间1800 s。为研究邻室和其开口尺寸对烟气运动影响，模拟各工况时上述量均保持不变，火源与中庭相对位置保持不变，模型设计见图1。中庭顶部设置两对称排烟口，侧面设置两对称补风口。中庭29 m高度设置三个热电偶测量中庭顶棚水平温度分布，中庭中心设置一串热电偶测量中庭竖直方向温度分布，邻室设置两热电偶测量开口处竖直温度分布。表1给出了模拟时采用的各种工况。

2 模拟结果与分析

2.1 模拟主要现象

在上述各工况中，火灾烟气蔓延过程基本相同，为节省篇幅，在此只列举工况4主要模拟现象作为说明示例。图2给出了工况4不同时刻烟气运动。图3～5分别给出了不同时刻中庭29 m不同测点温度分布；中庭中心竖直方向温度以及邻室开口处温度。

由图2可看出，在火灾发生初期，烟气粒子在邻室内向上蔓延，并不断在顶部

填充（50 s），随着火灾的发展，邻室内烟气层逐渐下降，当烟气层高度低于开口高度，烟气从邻室逐渐溢出到中庭空间并不断在中庭累积，中庭内烟气浓度逐渐升高（100～1800 s）。图3～5从趋势上看，中庭和邻室内各测点温度均随时间不断上升。图3中，在中庭29 m高，靠近邻室侧的两测点（29b，29c）温度较高，远离邻室测点（29f）温度最低。图4中，同一时刻，中庭中心竖直方向2 m，5 m，17 m，29 m处温度依次递增。考虑到阳台型羽流由邻室溢出到中庭后首先由靠近邻室一侧不断上升（100 s），到达中庭顶棚后沿水平方向不断蔓延，烟气层逐渐下降，最终逐渐充满整个中庭空间，图3和图4所示温度分布和实际情况相符。从图5可看出，0～50 s邻室开口2 m，4 m处温度曲线重合，基本等于初始温度，说明此段时间内，烟气还未蔓延到测点；随后各时刻，4 m处温度均高于2 m处温度。 2.2 开口尺寸对烟气运动规律的影响

图6分别给出了工况4、5、6中庭中心29 m及邻室开口4 m处的温度分布。整个火灾过程，各测点温度均随着时间不断上升；在火灾初期，测点温度趋于一致；随着火灾的发展，温度分布曲线逐渐出现分离。模拟1800 s时，图6（a）中，中庭中心29 m温度C4＞C5＞C6，温差在2℃左右；图6（b）中庭邻室开口4 m处温度C6＞C5＞C4。在火灾发展中，认为烟气浓度和温度成正相关，即在同一时刻，有邻室内烟气浓度C6＞C5＞C4，中庭内烟气浓度C4＞C5＞C6。上述温度分布说明当邻室开口宽度一定时，随着开口高度不断减小，在相同的时间内，由邻室溢出到中庭空间的烟气不断减少。

图7给出了工况3、6中庭中心29 m及邻室开口4 m处的温度分布。和图6类似，在火灾初期，两种工况下温度分布趋于一致；随着火灾的发展，温度分

布曲线逐渐出现分离，但在图7（a）分离现象不明显，在模拟1800 s时，C3温度曲线略高于C6；图7（b）邻室开口4 m处温度C6＞C3。说明随着开口尺寸宽度减小，在相同的时间内，由邻室溢出到中庭空间的烟气不断减少。图6（a）中庭测点温度差异不够明显应为是由于开口尺寸宽度差值设置较小所致。 2.3 邻室尺寸对烟气运动规律的影响

图8给出了工况4、7、10中庭中心29 m及邻室开口4 m处的温度分布。由图8可看出，在整个火灾模拟过程中，各工况下中庭中心29 m及邻室开口4 m处温度曲线分布均趋于一致，考虑烟气浓度和温度的正相关关系，可认为此三种工况下邻室和中庭烟气浓度分别近似相等。说明当火源相对中庭位置固定，开口尺寸一定时，若邻室体积一定，邻室尺寸对烟气运动影响可忽略。图9给出了工况1、13中庭中心29 m及邻室开口4 m处的温度分布。由图可知，火灾初始时刻，两工况温度差异不明显；随着火灾的发展，同一时刻逐渐出现温差，在模拟1800 s时，图9（a）中，中庭29 m处C1温度曲线略高于C13温度曲线；图9（b）中，邻室开口4 m处C13温度曲线略高于C1温度曲线，说明邻室与中庭开口尺寸一定时，在相同的时间内，随着邻室体积的增加，由邻室溢出到中庭空间的烟气不断减少，邻室蓄烟能力增强。 2.4 邻室及开口尺寸对烟气运动影响程度分析

图6（a）～9（a）各工况中庭中心29 m处温度均随时间不断上升，但温差均比较小。说明不同的开口和邻室尺寸，虽然会影响溢出到中庭的烟气量，但对中庭等高大空间，烟气上升过程中不断卷吸周围新鲜空气，温度逐渐下降，到达中庭顶棚时烟气温差不大。对比图6（b）～7（b）及图8（b）～9（b）邻室开口4 m处温度可见，在图6（b）～7（b）模拟后期各工况温度分布差异

较明显。在图8（b）～9（b），随着火灾发展，温度曲线虽然有所分离，但温差相对较小。此现象说明了相对于中庭等大空间，邻室这种小尺寸空间内烟气蔓延特性更易受到开口尺寸的影响；两种因素下所得温差差异较大说明开口宽度和高度对邻室内烟气运动影响较邻室尺寸影响更大。

3 结论

本文模拟不同邻室尺寸及开口尺寸下，中庭建筑阳台型烟羽流蔓延特性，并对模拟现象进行了初步分析解释，可得以下定性结论：

1）由邻室溢出到中庭空间的烟气随着邻室开口高度减小不断减少，随开口宽度减少不断减少。

2）开口尺寸一定时，由邻室溢出到中庭空间的烟气随邻室体积的增大不断减少。 3）开口尺寸一定且邻室体积一定时，邻室溢出到中庭空间的烟气量近似一致，邻室尺寸对烟气运动影响可忽略。

4）相对于中庭大空间，小尺寸空间内烟气运动更易受到开口尺寸的影响。相比邻室尺寸，开口尺寸对邻室烟气运动影响更为显著。

5）阳台型烟羽流烟气运动规律和火源所在空间尺寸及开口尺寸有关，在此类型火灾防排烟设计时应将这两种因素考虑在内。参考文献：

[1]黄锐,杨立中,方伟峰,等.火灾烟气危害性研究及其进展[J].中国工程科学,2002,7(4):80-85.

[2]李烈,孙建军,智会强,路世昌.中庭火灾烟气流动的大涡模拟[J].暖通空调，2006,36(12):5-8.

[3]Candido GM,Enrique SR,Viedma A.Experimental data and numerical

modeling of 1.3 and 2.3 MW fires in a 20 m cubic atrium[J].Building and Environment,2009,44:1827-1839.

[4]王荣辉,张村峰,宾雄由.中庭建筑回廊排烟方法的模拟实验研究[J].火灾科学,2006,15(3):178-183.