赵江平 储小婷

（西安建筑科技大学资源工程学院 西安 710055）

0 引言

在高层建筑火灾中，走廊是人员逃生最信赖的安全通道，但同时也是烟气弥漫和火灾蔓延的“死亡陷阱”。当高温烟气蔓延至走廊时会受到其顶部的机械排烟系统与自动喷水灭火系统共同作用，排烟口通过排出烟气提高建筑物内人员的安全疏散能见度，然而自动喷水灭火系统的水滴下落会降低烟雾浮力（烟气层下降），并影响排烟口的排放率，造成疏散困难；室外风速会随着建筑高度的增加呈线性增长［1］。一旦发生火灾，走廊窗口处于开启状态对走廊烟气蔓延具有很大影响。

近年来，学者们的研究主要考虑水喷淋或者排烟单个因素作用下，分析水喷淋的压力大小、喷头位置或排烟方式、排烟口位置、排烟量的大小对高层建筑室内火灾烟气分层、火灾发展和人员疏散的影响。烟气是造成火灾蔓延的重要因素，但对于机械排烟系统和自动喷水灭火系统的先后开启顺序没有明确规定；且建筑走廊长度超过20 m应设置排烟设施，但对排烟口的布置并未进行明确规定。因此，本文针对水喷淋、机械排烟口以及室外风速在时间和空间上的耦合作用对于高层建筑长直走廊烟气在水平和竖直方向上的蔓延规律进行研究。

1 模型的建立

1.1 火灾烟气基本控制方程

PyroSim湍流流动模型是采用Smagorinsky形式的亚网格尺度的大涡模型（Large Eddy Simulation，LES），空间离散方法是采用二阶中心差分格式，时间离散方法采用二阶Runge-kutta格式。同时满足质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒方程、理想状态方程等。

火源功率的设置，根据Heskestad等对2火的增长类型的分类，使用式（1）来设置。

高层办公楼多由纸、棉与聚酯纤维弹簧床垫和木制家具组成，因此火灾增长速率取木材火的中速增长速率 为0.011 27 kW/s2。本文研究对象是高层建筑，其有喷淋的办公室，设置火源功率为1.5×103kW，根据计算火源热释放速率在火灾发生后约365 s达到最大值［2]。

1.2 室外风

走廊排烟窗高度位于楼层高度的1/2以上，面积大于排烟面积的2%，走廊尽头窗口尺寸长1 200 mm、高1 500 mm。据学者研究表明，当环境温度达到68℃，玻璃就会碎裂。据统计，陕西省西安市平均风速为1.8 m/s，全年盛行风向为东北风［3]。风速随高度增加的依据可根据式（2）表示：

1.3 机械排烟模型

依据《建筑设计防火规范》，当建筑内疏散走道长度大于20 m时应设置排烟设施，且排烟口距离着火房间最远点不超过30 m。排烟口的尺寸为500 mm×500 mm。1个防烟分区的排烟量计算应按每平方米不小于60 m3/h计算，且单台风机排烟量取值不小于7 200 m3/h。

1.4 水喷淋模型

自动喷水湿式灭火系统由湿式报警阀组、闭式喷头、水流指示器、控制阀门、末端试水装置、管道和供水设施等组成［3-4]。依据实际保护面积选用流量系数为80、喷头流量为61.3 L/min、喷头间距为3.5 m的下垂型喷头。喷头的流量系数计算方法如下：

对于下垂型喷头液滴的初始速度，根据李思成等［5]的实验结果，取喷淋液滴在距喷淋虚点（喷口与溅水盘中）0.2 m处的速度约为0.5倍水束从喷口无阻尼喷出速度，并假设喷射仰角为0°～90°。

通过式（3）和式（4），得出喷头入口处的压力为0.058 7 MPa，喷淋液滴的初始速度约为5.42 m/s。系统的管道内充满有压水，一旦发生火灾，烟气温度达到68℃，喷头镀铬融化，管内的水在水箱水压的作用下自动喷出。

2 火灾场景设计

2.1 长直走廊几何模型的建立

物理模型是层高为3 m的21层高层建筑，走廊尺寸为30 m×2 m×3 m。走廊左端设置着火房间和通风窗，着火房间内燃烧盘尺寸为0.5 m×0.5 m。燃烧盘设置为燃烧状态，楼梯间门设置为开启状态。模型环境初始温度为20℃。模拟过程中为简化计算模型，走廊墙壁均为绝热条件。

经过网格无关性检验［6]，最终选择网格大小为0.25 m×0.25 m×0.25 m，共1 747 200个网格，设定模拟时间700 s，工作站型号为DESKTOP-D6QO8OA，处理器是Intel（R）Xeon（R）Silver 4214 CPU@2.20GHz。

2.2 工况设计

在室外风、水喷淋和机械排烟3个因素中，结合建筑火灾实际发展情况，高层建筑走廊烟气蔓延第一阶段主要排烟措施是室外风，第二阶段主要是室外风与机械排烟或水喷淋进行耦合，第三阶段是在第二阶段的基础之上与第三种因素（机械排烟或者水喷淋）进行耦合，由此产生了两种耦合顺序：第一种是室外风、水喷淋和机械排烟先后进行耦合；第二种是室外风、机械排烟和水喷淋先后顺序进行耦合，见图1所示。

图1 不同阶段耦合因素顺序

针对机械排烟口与走廊窗口的距离占走廊总长度的1/30、1/6、1/3、1/2等4种情况，设立了4种工况，从而进一步验证机械排烟与水喷淋空间耦合作用对烟气蔓延的影响。从高层建筑走廊左侧开始，设置烟气流动速度探测装置、温度探测装置热电偶、CO含量和O2含量探测器；分别在=5 m=23.5 m处设置温度切片，在=5 m设置速度、CO含量和O2含量切片。

3 计算结果与分析

3.1 时间耦合作用下烟气流场分布

第20 s时，烟气充满着火房间，开始向门外蔓延，并受到高层建筑窗外风速的影响，从走廊窗口向着火层上方卷吸；第30 s时，烟气沿着走廊顶部出现顶棚射流，沿着着火层走廊顶部做水平运动迅速向走廊蔓延；第40～80 s时，由于水喷淋和机械排烟的作用，烟气层分布会出现短暂的扰动；第80～365 s时，烟气层逐渐趋于稳定状态，并通过楼梯迅速向上蔓延。

图2是高层建筑走廊着火层的烟气蔓延速度情况。随着楼层的升高，着火层的室外风速增大为2.2 m/s。在40 s之前，两种耦合顺序的烟气蔓延速度保持一致，并且呈现高速增长趋势；在40～80 s时，第二种耦合顺序的烟气蔓延速度明显高于第一种耦合顺序，且烟气蔓延速度在水喷淋和机械排烟作用下有明显的下降趋势；在80 s之后，两种耦合顺序下的烟气蔓延速度随着时间的增长都出现了不同程度的扰动，但是第二种耦合顺序的蔓延速度比第一种要快0.12 m/s，在380 s时，第二种耦合顺序下烟气蔓延速度达到了峰值1.42 m/s。

图2 着火层烟气蔓延速度变化

在第一阶段，在水喷淋单独作用时，靠近走廊顶部和地面的烟气蔓延速度较快，中间层蔓延速度较慢，烟气蔓延以最快速度2.6 m/s出现在着火房间内；在第二阶段，走廊烟气的蔓延速度依旧呈现中间蔓延速度慢，上下层速度快的趋势，烟气蔓延以最快速度2 m/s依旧出现在着火房间内；第三阶段，在水喷淋和机械排烟耦合作用下，走廊烟气的蔓延速度有明显提升，且靠近走廊顶部的烟气蔓延速度高达4.5 m/s。

3.2 时间耦合作用下烟气温度场分布

图3是高层建筑走廊着火层距离各楼层地面1.5 m高度处烟气温度变化情况。在0～40 s，两种耦合顺序下烟气的温度分布相同；在40～80 s，由于水喷淋和机械排烟的开启，两种耦合顺序下烟气温度均有明显下降；在80 s之后，第二种耦合顺序的烟气温度平均比第一种耦合方式低10℃。

图3 着火层烟气温度变化情况

3.3 时间耦合作用下烟气组分场分布

在火灾人员的伤亡原因分类中，大约50%是由烟气中CO中毒引起的。图4给出的就是两种耦合顺序下着火层走廊的CO体积分数变化情况。在0～200 s，两种耦合顺序下的走廊内部O2含量相对充足，CO体积分数也快速升高；在200～300 s，走廊CO浓度增加速率变小，O2体积分数逐渐降低；300～500 s，走廊内的供氧量不足，CO体积分数以较快的速度增加，在500 s时第一种耦合顺序下CO体积分数已经接近人能够忍受的极限值（500×10-6），甚至达到了短时致命中毒乃至死亡的浓度值，人会在短时间内中毒窒息而亡；在500 s后，第二种耦合顺序下的CO体积分数比第一种低，并且O2的体积分数远远高于第一种耦合顺序下。

图4 着火层烟气CO体积分数分布

3.4 空间耦合作用下烟气蔓延规律

通过对水喷淋与排烟时间耦合作用下烟气蔓延变化规律研究，得出第二种耦合顺序比第一种的烟气蔓延速度慢、着火层温度低、烟气中CO含量低且O2含量高，所以为了研究水喷淋与排烟空间耦合作用下烟气蔓延规律，选择第二种耦合顺序为基础条件，对机械排烟口到走廊窗口的4种不同距离进行模拟分析。

图5可以看出在4种工况的模拟结果中，长直走廊的机械排烟口到走廊窗口的距离为走廊总长度的1/2时（工况4），着火层烟气流场、温度场、CO体积分数含量均低于其他3种工况。

图5 着火层烟气蔓延情况

4 结论

通过数值模拟，研究了长直走廊内水喷淋与排烟在时间和空间耦合作用下烟气蔓延规律，主要得到以下结论：

1）排烟与水喷淋耦合可以分为三个时间阶段。第一阶段是在40 s前，室外风单独作用；第二阶段是在40～80 s时，室外风和水喷淋或机械排烟耦合作用；第三阶段是80 s后，室外风、机械排烟和水喷淋耦合作用。

2）室外风和机械排烟先耦合较水喷淋先耦合相比，烟气层蔓延速度较快，烟气温度更低，烟气中CO组分含量低、而O2含量高，所以第二种耦合顺序比第一种耦合顺序更有利于走廊人员疏散。

3）在水喷淋与排烟耦合作用下长直走廊的机械排烟口到走廊窗口最佳排烟距离为走廊总长度的

1/2。

4）水喷淋与排烟耦合作用下高层建筑走廊烟气蔓延规律的影响因素较多，如高层建筑走廊窗口的开启对水喷淋向下扩散角度的影响、着火层上方烟气分布等，模拟中对这些因素进行了简化，在后续工作中有待深入地研究。