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大空间工业建筑火灾烟气研讨

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1大跨度大空间工业建筑火灾烟气输运的数值模拟

1.1烟气自然填充过程的数值模拟

在本次研究中,首先采用稳态的火源进行计算,并不设置可燃物,这样的处理相当于设置一个稳定向外释放热量和烟气的源,通过这样的方法来研究此类建筑内部烟气的疏运情况,而不考虑火灾的蔓延情况,这样可以清楚的研究建筑内的蓄烟情况。图2给出了烟气在建筑内蔓延的场景图,烟气从源以一定速度释放,产生的烟气在内部蔓延,烟气层高度随着时间的发展从顶棚开始沉降,呈现出一些特点,从下列的图中可以看出。图2给出了建筑内不同纵剖面位置中间部位烟气层高度随时间变化的规律。火灾发生大约经过350s左右,火灾烟气高度基本达到稳态,在靠近火源的地方火灾烟气沉降较快,远离火源的地方烟气沉降慢,但由于远离火源烟气的温度较底,最终烟气的高度低于靠近火源的地方,即烟气厚度大于靠近火源的地方。对于不同的排烟工况下,建筑内的烟气输运会有不同的特点。

1.2对建筑内蓄烟能力的研究

仍然使用稳态火源,不设置可燃物,模拟不同排烟工况下的烟气输运状况,排烟工况的设置为:①无排烟;②顶棚平均分布10个2m×2m的自然通风;③顶棚平均分布10台2m×2m的机械排烟风机(风量为102000m3/h)三种工况,火源功率都为2MW(稳态)。图3为在三种工况情况下的热烟气分界面的高度,在三个不同工况下,热烟气层的沉降的总体趋势大致相同,都是在很短的时间内,烟气到达建筑内的顶棚并开始沉降,从图3中可以看出,热烟气的沉降分为两个过程,前100s内烟气沉降很快,100s到200s之间烟气处于一个较稳定的状态,此时烟气基本将弧形顶棚淹没,200s左右烟气开始继续向下沉降,在经过100s左右,烟气到达建筑两侧入口的高度,此时,烟气从两侧门向外溢流,烟气基本保持稳定,不再下降。通过比较我们发现自然排烟的情况下,火灾初期对烟气的排放并不理想,但是在烟气从两侧出口溢流后,烟气的排放较无排烟时有明显提高,热烟气层高度在600s时比无排烟情况提高1m左右。但在机械排烟装置工作的情况下,烟气层的沉降较前两个工况更不稳定,烟气的疏运受到的扰动十分明显,尤其在火灾发生的初期,烟气的蔓延受到扰动较大,这对建筑内的火灾发展带来更多的不稳定因素。

1.3不同排烟工况下的烟气输运情况

前面研究了建筑内的蓄烟能力,从结果来看,建筑内还是处在较安全的状态下,以上的研究都是没有设置可燃物,也即没有考虑火灾的实际情况,下面将对发生火灾时建筑内的烟气输运进行模拟研究。实际情况一般是,火源点燃了建筑内的可燃物,可燃物的燃烧产生大量的热烟气,随着火灾过程的进行,热烟气的释放是不均匀的,且在火灾进入衰退期后,可燃物消耗尽,热烟气的产生大大减少,以至后面没有热烟气的产生。分为以下几种工况:①无排烟;②顶棚平均分布10个2m×2m的自然通风;③顶棚平均分布10台2m×2m的机械排烟风机(风量为102000m3/h)三种工况,火源功率都为10MW。图4为这三种工况的烟气层高度随时间变化的规律图,从排烟角度说,10MW的情况和2MW的情况大致相同,因为在火灾过程中,不同火源功率下的火灾发展过程基本上是一致的。

2温度、能见度对建筑内的安全状况的分析

热烟气的沉降过程中,建筑内的温度、能见度是对建筑内的安全状况起着十分重要作用的参数。为了考察建筑内的安全状况,采用无排烟的案例进行研究,从模拟结果可以看出,即使在没有排烟的情况下,建筑内都呈现出比较高的能见度,整个建筑内都没有低于5m的能见度。在较大火灾功率下,10m的能见度分界面大约在距离地面5m,不会影响人员的疏散。从不同时刻建筑中心截面的温度等值线分布,可以发现,在火灾发生发展的过程中,除顶棚附近外,建筑内的温度较低,10m以下高度的温度没有达到50℃,可以认为建筑内部是比较安全的。对比自然排烟和无排烟时的速度矢量图和温度等值线可以看出自然排烟可以有效的减弱建筑内的热烟气的对流,缓解建筑内的烟气浓度,进一步降低建筑内的温度和提高能见度,总体分析看来,在火灾过程中,建筑内一直处在较安全的状态下,便于人员的疏散和逃生。

3结论

通过对大跨度,大空间工业建筑内的烟气输运过程进行了数值模拟,分析了不同排烟工况下、不同火源功率下建筑内的烟气输运过程,研究了各个情况下建筑内的安全状况,总结如下:①对于无排烟和自然排烟工况下的计算比较,建筑内蓄烟能力强,由于一般建筑两侧有进出建筑的4m高的门,中间区域处于“亚室外空间”,基本处于安全情况。②在建筑顶棚全部设置有强化机械排风的情况下,两侧的门成了补风的进口,建筑内部烟气出现较强烈的震荡,且有可能给建筑内火蔓延和烟气输运带来不稳定的因素。由于前面分析的自然排烟下建筑内已经处于安全状态,所以不需要采用机械强化排烟,建筑内的自然排烟口在火灾时联动打开可以满足消防需要。

作者:耿东升单位:石河子市消防支队

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