高层建筑烟气流动特性的模拟

1模型简介

1.1耦合模拟CONTAM是目前应用最广泛的网络模型，由美国国家标准和技术研究院(NationalInstituteofStandardsandTechnology)下属建筑火灾研究实验室(BuildingandFireＲesearchLaboratory)开发，主要用于研究建筑物内多区域空气流动和污染物传播，也可用来建筑加压送风防烟及局部排烟系统的分析。它将建筑物内各房间认为节点，节点具有相同的物理参数，比如温度、压力等，节点连线将各区域连通起来，比作开启的门、窗户或者门缝、窗缝。每个节点是1个控制体，利用质量与能量守恒方程对建筑物内的空气流动、污染物分布及压力分布进行计算，特别适合于远离着火房间的烟气流动分析［11］。

为了得到起火房间、电梯竖井等区域内各物理参数的详细分布，实现了多区网络软件CONTAM与CFD0场模拟软件的耦合，目前可对1个区域进行场模拟，其他为网络区域模拟，两者之间的耦合如图1所示。1.2典型建筑模型设“典型建筑”为20层的高层建筑，每层层高为3m，每层面积500m2，楼梯间面积15m2，电梯竖井面积10m2，如图2所示。设楼层为1个区域，其各物理参数均匀分布，楼梯间与电梯井独立设置，忽略电梯轿厢的影响。楼梯间与楼层之间的疏散门尺寸均为1.6m×2.0m，疏散门缝隙面积为0.0184m2［12］，电梯门尺寸为2.0m×1.2m，其缝隙面积在场模拟计算中简化为当量孔口面积。

由于CONTAM模型只是对各区域质量守恒方程求解，未考虑能量方程，所以火源及烟气等相关参数用其他热模型代替。CONTAM模型与CFD0模型耦合计算中，本文设定电梯竖井为CFD区域，采用标准k-ε湍流模型进行计算，网格数为20×100×600，竖井壁面为恒定温度40℃(室外环境温度为20℃)。将起火房间简化为“标准火源”［4，10，13］，假定起火楼层压差为10Pa，温度为500℃，作为计算采用的“标准火源”;网络模型中对烟气的传热未进行计算，考虑到竖井内的烟囱效应，假设存在一个热源在竖井内模拟热烟气的运动，发热量0.1MW;模拟过程中门窗均关闭，模拟状态为稳态，不考虑外界风的影响。考虑到建筑火灾的随机性与多变性，计算结果的绝对值不是本文研究的重点，重点探讨的烟气在竖井内流动趋势以及各因素对竖井中和面位置的影响。

2正交实验

在“标准火源”下对“典型建筑”火灾中的烟气控制进行场-网模拟，研究竖井顶部开口面积、各楼层加压送风、电梯门密封性及不同着火楼层对电梯竖井内烟气流动的影响。为了减少实验次数，且不影响实验结果的前提下，采用正交实验的方法进行计算，实验的目标值是竖井中和面位置与排烟量，各影响因素及水平如表1所示。各楼层暖通空调设备进行加压送风，一般舒适性空调送风量为4.0～6.0次/h，取送风量分别为0次/h、1.0次/h、2.0次/h、3.0次/h;电梯门缝的宽度体现了电梯门的密封性，一般缝隙宽度为3.0～12.0mm，取缝隙宽度分别为3.0mm、6.0mm、9.0mm、12.0mm。所进行的正交实验如表2所示，L1644表示16次实验，4个水平，4个因素。

3计算结果及分析

3.1电梯竖井内烟气温度分布电梯竖井内的烟气温度分布对烟囱效应的影响很大，在网络计算中经常设定为常数，会导致计算结果产生较大的误差［4，10］。采用场网耦合模拟的方法，电梯竖井采用场模拟，充分考虑烟气在竖直方向上的分布，其它区域为充分混合区域。一般而言，着火层位于1层，着火层以上楼层数更多，烟气更容易侵入各楼层，此时对建筑火灾是最不利的，取电梯门缝宽度6.0mm、各楼层送风量3.0次/h、竖井顶部开口面积为0.2，即在“典型建筑”的“标准火源”条件下，Case12算例计算得到的竖井内烟气分布如图3所示。

其中，图3a为电梯竖井场模拟计算得到的Y=2.5m截面上的温度场分布，图3b为电梯竖井内烟气温度分布沿竖井高度方向上的变化。由图3可知，电梯竖井内的烟气温度沿建筑高度方向基本呈指数规律衰减，且沿高度方向出现诸多波动，这是由于各楼层与电梯竖井之间空气或烟气进行置换的原因。在初始阶段，着火层进入的冷空气较多，温度梯度较大;随着烟气竖直向上运动，温度变化较平缓。其他算例得到电梯竖井的烟气温度，在着火层以上，变化趋势与图3相同。

3.2影响因素分析根据表1对“标准火源”条件下的“典型建筑”烟气控制进行场-网模拟，分析各个因素对排烟量与电梯竖井中和面位置的影响。

3.2.1电梯竖井排烟量通过电梯竖井顶部开口排烟量的计算结果如表2所示。根据正交实验表的因素影响分析，对自然排烟量影响效应曲线如图4所示。由图4可知，不同的竖井顶部开口面积、电梯门缝宽度、各楼层送风量、着火层位置计算得到的自然排烟量均值的变化分别为:0～15.700kg/s、9.200～11.501kg/s、7.718～13.258kg/s、9.955～11.342kg/s。对电梯竖井自然排烟量影响的重要程度依次为竖井顶部开口面积、电梯门缝宽度、各楼层加压送风量、着火层位置。

3.2.2电梯竖井中和面位置各实验计算的电梯竖井排烟中和面位置如表3所示。根据正交实验表的影响因素分析，对电梯竖井中和面位置的影响效应曲线如图5所示。由图5可知，不同的竖井顶部开口面积、电梯门缝宽度、着火层位置、各楼层送风量，竖井中和面位置均值的变化分别为:4.50～19.00m、13.50～15.75m、10.75～17.75m、12.25～16.00m。对电梯竖井自然排烟量影响的重要程度依次为竖井顶部开口面积、电梯门缝宽度、着火层位置、各楼层加压送风量。

3.3竖井顶部开口面积的影响由图4与图5可知，竖井顶部开口面积对自然排烟量与中和面位置影响最明显。为了分析不同竖井顶部开口面积的影响且不失一般性，着火层、电梯门缝宽度、各楼层送风量取因素水平的中间值。在“典型建筑”的“标准火源”条件下，取着火层在6层，电梯门缝宽度9mm，各楼层送风量为2次/h，对不同竖井顶部开口面积进行场网模拟计算。不同竖井顶部开口面积下，自然排烟量计算结果如图6所示。由图6可见，自然排烟量随着竖井顶部开口面积的增大而增加。开口面积较小时，自然排烟量随之增加迅速;开口面积较大时自然排烟量增加比较平缓。

不同竖井顶部开口面积下，电梯竖井内外烟气压差如图7所示，图中P0可用来确定中和面的位置。由图7可见，除着火层之外，各楼层烟气的压差沿建筑高度方向基本呈线性分布。随着竖井顶部开口面积比的增加，中和面的位置逐渐上移，当顶部开口面积比为30%时，中和面位置位于19层，这样1～18层冷空气进入竖井，20层有少量烟气侵入。开口面积比＞30%时，中和面位置位于建筑总高度之上，烟气不会侵入各楼层，提高了建筑的安全性，有利于人员疏散。

4结论

对高层建筑火灾的烟气流动进行了场网模拟，电梯竖井作为场区域，其它区域采用网络区域，利用CONTAM与CFD0软件实现了两者之间的耦合计算。分析了高层建筑利用电梯竖井进行烟气控制的可行性，并计算得到当不同的竖井顶部开口面积、各楼层送风量、电梯门缝宽度及着火层时，电梯竖井自然排烟量及中和面的位置。1)利用电梯竖井进行排烟，中和面位置非常关键。中和面位置以上，烟气会侵入各楼层，对人员流散造成威胁。如果提高中和面的位置至建筑总高度之上，则烟气从顶部排入大气，提高了建筑安全性。2)利用正交实验表安排各实验算例，计算结果表明竖井顶部开口面积对自然排烟量及中和面的位置影响均为最大，其次是电梯门缝宽度。3)建筑火灾发生后，利用暖通空调设备对着火层以上各楼层加压送风量是可行的。通过各楼层送风以及竖井顶部设置开口等措施，可将中和面提升至建筑总高度之上。