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1大跨度大空間工業建筑火災煙氣輸運的數值模擬

1.1煙氣自然填充過程的數值模擬

在本次研究中，首先采用穩態的火源進行計算，并不設置可燃物，這樣的處理相當于設置一個穩定向外釋放熱量和煙氣的源，通過這樣的方法來研究此類建筑內部煙氣的疏運情況，而不考慮火災的蔓延情況，這樣可以清楚的研究建筑內的蓄煙情況。圖2給出了煙氣在建筑內蔓延的場景圖，煙氣從源以一定速度釋放，產生的煙氣在內部蔓延，煙氣層高度隨著時間的發展從頂棚開始沉降，呈現出一些特點，從下列的圖中可以看出。圖2給出了建筑內不同縱剖面位置中間部位煙氣層高度隨時間變化的規律。火災發生大約經過350s左右，火災煙氣高度基本達到穩態，在靠近火源的地方火災煙氣沉降較快，遠離火源的地方煙氣沉降慢，但由于遠離火源煙氣的溫度較底，最終煙氣的高度低于靠近火源的地方，即煙氣厚度大于靠近火源的地方。對于不同的排煙工況下，建筑內的煙氣輸運會有不同的特點。

1.2對建筑內蓄煙能力的研究

仍然使用穩態火源，不設置可燃物，模擬不同排煙工況下的煙氣輸運狀況，排煙工況的設置為:①無排煙;②頂棚平均分布10個2m×2m的自然通風;③頂棚平均分布10臺2m×2m的機械排煙風機(風量為102000m3/h)三種工況，火源功率都為2MW(穩態)。圖3為在三種工況情況下的熱煙氣分界面的高度，在三個不同工況下，熱煙氣層的沉降的總體趨勢大致相同，都是在很短的時間內，煙氣到達建筑內的頂棚并開始沉降，從圖3中可以看出，熱煙氣的沉降分為兩個過程，前100s內煙氣沉降很快，100s到200s之間煙氣處于一個較穩定的狀態，此時煙氣基本將弧形頂棚淹沒，200s左右煙氣開始繼續向下沉降，在經過100s左右，煙氣到達建筑兩側入口的高度，此時，煙氣從兩側門向外溢流，煙氣基本保持穩定，不再下降。通過比較我們發現自然排煙的情況下，火災初期對煙氣的排放并不理想，但是在煙氣從兩側出口溢流后，煙氣的排放較無排煙時有明顯提高，熱煙氣層高度在600s時比無排煙情況提高1m左右。但在機械排煙裝置工作的情況下，煙氣層的沉降較前兩個工況更不穩定，煙氣的疏運受到的擾動十分明顯，尤其在火災發生的初期，煙氣的蔓延受到擾動較大，這對建筑內的火災發展帶來更多的不穩定因素。

1.3不同排煙工況下的煙氣輸運情況

前面研究了建筑內的蓄煙能力，從結果來看，建筑內還是處在較安全的狀態下，以上的研究都是沒有設置可燃物，也即沒有考慮火災的實際情況，下面將對發生火災時建筑內的煙氣輸運進行模擬研究。實際情況一般是，火源點燃了建筑內的可燃物，可燃物的燃燒產生大量的熱煙氣，隨著火災過程的進行，熱煙氣的釋放是不均勻的，且在火災進入衰退期后，可燃物消耗盡，熱煙氣的產生大大減少，以至后面沒有熱煙氣的產生。分為以下幾種工況:①無排煙;②頂棚平均分布10個2m×2m的自然通風;③頂棚平均分布10臺2m×2m的機械排煙風機(風量為102000m3/h)三種工況，火源功率都為10MW。圖4為這三種工況的煙氣層高度隨時間變化的規律圖，從排煙角度說，10MW的情況和2MW的情況大致相同，因為在火災過程中，不同火源功率下的火災發展過程基本上是一致的。

2溫度、能見度對建筑內的安全狀況的分析

熱煙氣的沉降過程中，建筑內的溫度、能見度是對建筑內的安全狀況起著十分重要作用的參數。為了考察建筑內的安全狀況，采用無排煙的案例進行研究，從模擬結果可以看出，即使在沒有排煙的情況下，建筑內都呈現出比較高的能見度，整個建筑內都沒有低于5m的能見度。在較大火災功率下，10m的能見度分界面大約在距離地面5m，不會影響人員的疏散。從不同時刻建筑中心截面的溫度等值線分布，可以發現，在火災發生發展的過程中，除頂棚附近外，建筑內的溫度較低，10m以下高度的溫度沒有達到50℃，可以認為建筑內部是比較安全的。對比自然排煙和無排煙時的速度矢量圖和溫度等值線可以看出自然排煙可以有效的減弱建筑內的熱煙氣的對流，緩解建筑內的煙氣濃度，進一步降低建筑內的溫度和提高能見度，總體分析看來，在火災過程中，建筑內一直處在較安全的狀態下，便于人員的疏散和逃生。

3結論

通過對大跨度，大空間工業建筑內的煙氣輸運過程進行了數值模擬，分析了不同排煙工況下、不同火源功率下建筑內的煙氣輸運過程，研究了各個情況下建筑內的安全狀況，總結如下:①對于無排煙和自然排煙工況下的計算比較，建筑內蓄煙能力強，由于一般建筑兩側有進出建筑的4m高的門，中間區域處于“亞室外空間”，基本處于安全情況。②在建筑頂棚全部設置有強化機械排風的情況下，兩側的門成了補風的進口，建筑內部煙氣出現較強烈的震蕩，且有可能給建筑內火蔓延和煙氣輸運帶來不穩定的因素。由于前面分析的自然排煙下建筑內已經處于安全狀態，所以不需要采用機械強化排煙，建筑內的自然排煙口在火災時聯動打開可以滿足消防需要。

作者：耿東升單位：石河子市消防支隊