高为刚，杨 云

(徐州市消防支队，江苏 徐州 221111)

环境风对自然排烟效果的影响研究

高为刚，杨 云

(徐州市消防支队，江苏 徐州 221111)

为了研究环境风对自然排烟效果的影响，基于FDS模型对不同功率池火灾在不同风速的迎面风和背面风作用下的排烟效果进行数值模拟研究，结果表明：迎面风对侧墙排烟口的自然排烟有一定抑制作用，且风速越大抑制作用越强；背面风对侧墙排烟口的自然排烟有一定促进作用，且风速越大促进作用越明显。根据研究结果可知，在建筑设计中应充分考虑当地环境风的方向和风速，将侧墙排烟口尽量布置在背面风一侧，以在发生火灾时达到良好的自然排烟效果。

侧墙排烟口；环境风；自然排烟；排烟效果

0 引言

大量的火灾案例证明，建筑火灾中人员致死的主要原因是烟气中毒和窒息，由于火灾产生的高温烟气具有较好的流动性，能迅速蔓延至相邻防火分区或楼层，进而影响人员的安全疏散甚至威胁人员的生命安全，因此在发生火灾时，建筑内必须采取有效的排烟措施[1-2]。目前，排烟方式一般有机械排烟和自然排烟两种，前者存在设备故障等问题，导致机械排烟系统的可靠性低，因此后者也就成了最稳妥、最经济的排烟方式[3-4]。目前，Grattan[5]、Linden[6]、Cooper[7]、隋学敏[8]、杨淑江[9]、许兆宇[10]、靖成银[11]等研究者对自然排烟口的位置、开口数量、布置方式等因素对自然排烟效果的影响进行了大量研究，并得出了具有指导意义的理论模型，而对于自然环境风影响作用下的自然排烟口烟气流动规律的研究较少。因此，笔者利用火灾大涡模拟软件FDS对火灾的发展全过程进行模拟，采集自然排烟口的烟气体积流量数据，分析不同环境风作用下自然排烟口烟气的流动规律。

1 环境风下自然排烟口烟气体积流量理论研究

1.1 热压作用下排烟口体积流量分析

图1 自然排烟双区模型

当竖直自然排烟口位于侧墙时，则房间内高度z处的绝对压力Pin(z)可表示为(1)式[10]：

Ha+h=z

(1)

式中，h表示距热烟气层底部的高度。因此，距地面基准面z高度处的室内外压差见(2)式：

(2)

假设室内烟气和空气皆为理想气体，当建筑物进行自然排烟时，由于室内压力自身的变化值相对于绝对压力值较小，此处忽略不计，因此通常条件下气体状态方程可简化为(3)式：

(3)

假设室内冷空气层状态与环境空气状态相同，即下部空气的温度和密度在火灾过程中保持与环境空气的温度和密度相等，并使得补气口面积远大于排烟口面积，则在准稳态时，补气口处气体流速较低，补气口基准高度处内外压差ΔP0相对于烟气密度差引起的热压差较小，可以近似认为ΔP0=0，(2)式可以简化为(4)式：

(4)

由于采用侧墙排烟口进行排烟，(4)式可以改写为(5)式：

(5)

此时由室内外压差引起的水平排烟口处的气体流速可表示为(6)式：

(6)

1.2 风压作用下排烟口体积流量分析

当建筑内未发生火灾或没有热源的情况下，排烟口体积流量只受风压作用的影响[12]。假定建筑所在地面为基准面，排烟口所在建筑面平均风压系数为Cp，以气体流动方向为正方向，可得室外高度z处的绝对压力P∞(z)表达式为：

(7)

室内高度z处的绝对压力Pin(z)表示为：

(8)

式中，ρ∞、ρin表示室外气体密度和室内气体密度。则高度z处的室内外压差表达式为：

(9)

假设建筑内没有火灾等热源，室内气体温度与室外基本相同，则室内高度z处的室内外压差表达式可以改写为：

(10)

根据伯努利方程可知，排烟口的气体流速可以表示为：

(11)

1.3 热压和风压共同作用下排烟口气体流动分析

热压和风压共同作用下的自然通风可以简单地认为其效果是叠加的[13]，当二者共同作用时，在下层迎风侧风量增加，下层的背风侧进风量减少，甚至可能出现排风。假定建筑地面为基准面，建筑高度为H。当火灾发生时，二者共同作用下室内高度z处的绝对压力为Pin(z)：

(12)

室外高度z处的绝对压力P∞(z)为：

(13)

根据式(12)、(13)可知，高度z处的室内外压差为：

(14)

2 环境风对侧墙排烟口自然排烟效果影响的模拟分析

2.1 模型的建立

为了研究自然风对自然排烟效果的影响，建立基于大涡模拟的全尺寸火灾计算模型，模型的长度为9.6m，宽度为7.2m，高为3.6m，模型的侧墙上开有一个面积为1.20m×1.20m的自然排烟口，并在模型侧墙排烟口处设置烟气体积流量测量装置，记录火灾全过程中烟气体积流量，模型的立体图如图2所示。由于基于大涡模拟的FDS技术的模拟精度与网格的大小有着密不可分的关系，因此将本模型的网格大小设置为0.25m×0.25m×0.25m，以确保能精确模拟池火灾发生及发展的全过程。

图2 模型立体图

2.2 迎面风对排烟效果的影响分析

2.2.1 模型计算条件设定

模型的计算条件为：火源位于模型中心部位，其热释放速率设置为120、240、360、480kW，环境温度设置为293K，为了研究迎面风对自然排烟口排烟效果的影响，场景设置1个面积为1.20m×1.20m的侧墙排烟口，场景迎面风的风速分别设置为0、1、2、3、4m·s-1。

2.2.2 模拟结果及分析

为了便于研究，选取300～800s阶段侧墙自然排烟口的烟气体积流量为研究对象。模拟中侧墙排烟口处的烟气体积流量测量装置记录了烟气的体积流量，图3、图4、图5、图6为300～800s不同功率火源下侧墙排烟口的排烟体积流量数据。

基于大涡模拟的池火灾发展全过程模拟中，烟气体积流量测量装置测量开口排烟体积流量，选取300～800s的体积流量数据作为研究对象，将记录数据的平均值作为侧墙排烟口的排烟体积流量，图7为120、240、360、480kW火源不同环境风速下开口的排烟体积流量比较图。

图3 120 kW火源下开口的烟气体积流量

图4 240 kW火源下开口的烟气体积流量

图5 360 kW火源下开口的烟气体积流量

图6 480 kW火源下开口的烟气体积流量

图7 不同环境风速下排烟体积流量比较图

由图7可知，不同火源功率、不同风速迎面风下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量的变化曲线趋势基本一致。在不同火源功率下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量均表现为随着迎面风风速增大而减小。当迎面风的风速从0～4m·s-1时，120、240、360、480kW火源下侧墙排烟口的自然排烟体积流量降低幅度基本稳定，其平均值约为0.021、0.012、0.014、0.009m3·s-1。同时由图7可知，当火源功率为120kW时，侧墙排烟口的排烟效率随着迎面风风速增加的降低幅度最大，说明火源功率较小时，由火源产生的热烟气造成热压比大功率火源小，风压作用对自然排烟起到较大的影响作用。由此可以看出，迎面风对侧墙排烟口的自然排烟抑制作用，即当迎面风的风速增加时，侧墙排烟口的自然排烟体积流量减小。

为了进一步分析迎面风对侧墙排烟口自然排烟效果的影响，以不同场景下迎面风为0m·s-1的侧墙排烟口排烟体积流量为参照值，并将迎面风为1、2、3、4m·s-1环境下的侧墙排烟口排烟体积流量与参照值进行比较分析，表1为不同功率火源下不同迎面风的模拟值与参照值的比较结果。

表1 不同功率火源下不同迎面风的模拟值与参照值的比较结果

由表1可知，在相同功率火源下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量均随着迎面风风速的增加而降低。与迎面风为0m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量相比，迎面风为1～2m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量的降低幅度较小，排烟效率降低2.24%～12.05%；而迎面风为4m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量大幅度降低，排烟效率降低8.29%～28.77%。同时由表1可知，当火源功率为120kW时，侧墙排烟口的排烟效率随着迎面风风速增加的降低幅度最高，说明火源功率较小时，由火源产生的热烟气造成的热压比大功率火源小，风压作用对自然排烟起到较大的影响。

2.3 背面风对排烟效果的影响分析

2.3.1 模型计算条件设定

模型计算条件：火源位于模型中心部位，其热释放速率设置为120、240、360、480kW，环境温度设置为293K，为研究背面风对自然排烟口排烟效果的影响，场景设置1个面积为1.20m×1.20m的侧墙排烟口，背面风的风速分别设置为0、1、2、3、4m·s-1。

2.3.2 模拟结果及分析

为了便于研究，选取300～800s阶段侧墙排烟口的烟气体积流量为研究对象。模拟中侧墙排烟口处的烟气体积流量测量装置记录了烟气的体积流量，图8、图9、图10、图11为300～800s不同功率火源上方侧墙排烟口的排烟体积流量数据。

图8 120 kW火源下开口的烟气体积流量

图9 240 kW火源下开口的烟气体积流量

图10 360 kW火源下开口的烟气体积流量

基于大涡模拟的池火灾发展全过程模拟中，烟气体积流量测量装置测量开口排烟体积流量，选取300～800s的体积流量数据作为研究对象，将记录数据的平均值作为侧墙排烟口的排烟体积流量，图12为120、240、360、480kW火源下不同环境风速下开口的排烟体积流量比较图。

由图12可知，不同火源功率、不同风速背面风下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量的变化曲线趋势基本一致。在不同火源功率下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量均表现为随着背面风的风速增大而增大。当背面风的风速为0～2m·s-1时，120、240、360、480kW火源下侧墙排烟口的自然排烟体积流量增加幅度较小，其平均值约为0.016、0.008、0.011、0.007m3·s-1；而背面风的风速由3m·s-1增加到4m·s-1时，不同火源下侧墙排烟口的自然排烟体积流量增加幅度较大，其值约为0.065、0.023、0.016、0.019m3·s-1。由此可见，背面风对侧墙排烟口的自然排烟效果有较好的促进作用，即当背面风的风速增加时，侧墙排烟口的自然排烟体积流量增大；反之，侧墙排烟口的自然排烟体积流量减小。

图11 480 kW火源下开口的烟气体积流量

图12 不同环境风速下排烟体积流量比较图

为了进一步分析背面风对侧墙排烟口自然排烟效果的影响，以不同场景下背面风为0m·s-1的侧墙排烟口的排烟体积流量为参照值，并将背面风为1、2、3、4m·s-1环境下的侧墙排烟口排烟体积流量与参照值进行比较分析，表2为不同功率火源下不同背面风的模拟值与参照值的比较结果。

由表2可知，在相同功率火源情况下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量均随着背面风风速的增加而增加。与背面风为0m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量相比，背面风为1m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量的增加幅度较小，排烟效率仅提高2.19%～7.50%；而背面风为4m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量大幅度提升，排烟效率提高9.54%～36.27%。同时由表2可知，当火源功率为120kW时，侧墙排烟口的排烟效率随着背面风风速增加的提升幅度最高，说明火源功率较小时，由火源产生的热烟气造成的热压比大功率火源小，风压作用对自然排烟起到较大的影响作用。

表2 不同功率火源下不同背面风的模拟值与参照值的比较结果

3 结论

3.1 迎面风对侧墙排烟口的自然排烟有一定抑制作用，在不同火源功率下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量均表现为随着迎面风的风速增大而减小，其降低幅度基本稳定在0.021、0.012、0.014、0.009m3·s-1；与迎面风为0m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量相比，迎面风为4m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量降低幅度最大，排烟效率降低8.29%～28.77%。

3.2 背面风对侧墙排烟口的自然排烟有一定促进作用，在不同火源功率下，侧墙排烟口的自然排烟体积流量均表现为随着背面风的风速增大而增大，与背面风为0m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量相比，背面风为4m·s-1环境下侧墙排烟口的排烟体积流量增加幅度最大，其值约为0.065、0.023、0.016、0.019m3·s-1，排烟效率提高9.54%～36.27%。

3.3 根据环境风对自然排烟效果的影响分析可知，在建筑设计过程中，应充分考虑当地环境风的方向和风速，将侧墙排烟口尽量布置在背面风一侧，以在发生火灾时达到良好的自然排烟效果，进而降低火灾烟气对人员安全疏散的影响。

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(责任编辑 马 龙)

On the Effect of the Environmental Wind on the Natural Smoke

GAO Weigang, YANG Yun

(XuzhouMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince221111,China)

In order to investigate the effects of the environmental wind on the natural smoke by FDS based on a large eddy simulation, the different pool fires and the different environmental wind velocity of the face wind and the back wind are simulated by means of an entity FDS model. It is found that the face wind has a certain inhibition on the natural smoke, and the back wind has a certain promotion on the natural smoke. Based on the results of the analysis, the paper suggests that the architectural design process should take full account of the local environment of the wind direction and wind speed, and the sidewall smoke vents should be set up on the back side in order to improve the efficiency of the natural smoke.

sidewall smoke vents; environmental wind; natural smoke; smoke effect

2015-07-20

高为刚(1967— )，男，江苏丰县人，高级工程师； 杨云(1983— )，男，河南漯河人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0017-06