高层建筑走廊排烟的数值模拟.ppt

高层建筑走廊排烟的数值模拟 研究内容展示 研究背景 模型建立与结果分析 收获总结 内容 研究背景 模型建立与结果分析 收获总结 内容 第一部分 研究背景 总体概况 第一部分 研究背景 高层建筑因其结构复杂,人员密度 大,可燃物较多,火灾正成为建筑最大的 安全隐患。由于火灾烟气的极大危害性 ,建筑物的防排烟设计成为建筑设计和 消防工作人员十分关注的问题。因此， 在火灾发生后模拟建筑内部烟气流动的 状况就显得十分重要。 1.1 概述 第一部分 研究背景 火灾烟气流动研究主要有两种方法: 一是火灾烟气流实体试验；二是采用计 算机模拟。 计算机模拟采用数学模型，借助数 值计算方法进行实验，其计算精度高、 代价低，有很高的经济性和技术可行性 。 可用于火灾模拟的软件有FLUENT、 FDS与PHOENICS等，本文是用FLUENT来 模拟高层建筑走廊排烟。 第一部分 研究背景 1.2 国内外现状 u 国内现状 1. 重庆大学刘方利用PHOENICS对中庭火灾的烟 气流动进行了计算机模拟。 2. 哈尔滨工业大学邱旭东将场模型FDS与区域 模型CFAST整合，以场区复合模型模拟起火层烟 火运动过程。 u 国外现状 1. W.Z.Black运用网络模拟软件COSMO模拟了高 层建筑火灾中烟气在电梯井中的运动特性。 2. N.D.Pope通过场模拟软件FDS模拟了建筑内 部火灾发生时温度随时间的变化，并和实验测 得的数据进行了对比分析。 第二部分 模型建立 结果分析 2.1建筑防排烟方式 建筑的防排烟主要有三种方式:自然 排烟、机械排烟、机械防烟 。本文通 过数值模拟的方法,比较了三种排烟方 式下的烟气扩散特点,为建筑的防排烟 设计提供理论依据。 图1 建筑防排烟方式 第二部分 模型建立 结果分析 2.2物理模型 本文中模拟的模型为上海某民用办公 楼的第十层，走廊长30m，宽2.5m，高3m。 走廊平面图如图2所示。在建模时，对 走廊做简化处理，在模型中只画出着火房间 ，楼梯间以及走廊。 图2 条形走廊模型平面图 第二部分 模型建立 结果分析 2.3数学模型 火灾现象可分为两个相互影响的过程：一是可燃物的燃烧过 程，二是烟气的流动过程。因此这两个过程对应的数学模型分 别是燃烧模型和流动模型。 基本控制方程 湍流模型 辐射模型 燃烧模型 第二部分 模型建立 结果分析 2.3.1基本控制方程 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 组分质量守恒方程 第二部分 模型建立 结果分析 2.3.2湍流模型 所谓湍流模型就是把湍流的脉动值附加项 和时均值联系起来的一些特定关系式。目前 采用的数值计算方法可以大致分为以下三类 ： 直接模拟 大涡模拟 雷诺时均方程模拟 目前工程上处理湍流所采用的基本方法是 雷诺(Reynolds)时均方程法。 第二部分 模型建立 结果分析 湍流模型的主要优点是简单易用，计算量 较小，可广泛应用于模拟工程问题，但该方 法的出发点是基于Boussinesq假设。 计算湍流流动的关键就在于如何确定粘性 系数，在这里也就是指把粘性系数与湍流时 均参数联系起来的关系式，包括：零方程模 型、一方程模型和两方程模型。本文运用的 是两方程模型。 第二部分 模型建立 结果分析 k-两方程模型 第二部分 模型建立 结果分析 2.3.3辐射模型 工程上常用的辐射模型有五种，分别是： DO模型：计算绝大部分光学深度的辐射问 题； S2S模型：计算在没有参与性介质的封闭 空间内的辐射换热； DTRM模型：适合任何光学深度计算； P-1模型：P-N模型中最简单的类型，属于 热通量法的一种； Rosseland模型：光学深度3时，模型计算 量更小而且更加有效。 本文中，空气吸收系数取0.1，模型的建筑 特征长度为30m，光学深度3，辐射模型选 择Rosseland模型。 第二部分 模型建立 结果分析 2.3.4燃烧模型 目前在实际工程中应用较多，具有代表性的 模型有4种。 假定概率密度函数模型（PrePDF）； 涡耗散模型（EBU）； 涡耗散概念模型(EDC)； 体积热源模型(VHS)。 为了简化计算过程，减少计算时间，本文选 择体积热源模型作为火源燃烧模型。火灾强度 选为1.5MW，释热系数为0.47W/S2。 Q=aT2 其中Q为火源释热量，a为释热系数，T为燃 烧时间。 第二部分 模型建立 结果分析 2.4 网格划分与边界条件的设定 为了简化计算，在进行模拟前，提出以下 两点假设： 1. 着火房间窗户常开，室外有风吹入，风速 风向不变，烟气中主要考虑组分CO2，火灾烟 气在流动过程中不再发生化学反应。 2. 建筑围护结构壁面温度不变，壁面的热通 量为 0，即是绝热壁面；假定固定壁面烟流不 可渗透。 第二部分 模型建立 结果分析 2.4.1 网格划分 用Gambit作为网格划分工具，模型 中采用六面体网格，类型(Type)选项选 择规则网格（map)。由于火羽流及其 附近区域存在较为强烈的湍流流动， 所以对火源附近区域的网格进行了局 部加密处理，火源区网格尺寸为其他 区域的1/10。 第二部分 模型建立 结果分析 2.4.2 确定边界条件及初始条件 1.进口条件 其中，po为总压，ps为静压。速度v的计算 如公式所示： 其中，v为计算楼层高度处的风速，v0为 室外标准风速，取2.6m/s。H为计算楼层的高 度， H0为标准高度,即10m，n为指数,一般与 地形有关系。 第二部分 模型建立 结果分析 2. 出口条件 模型中的出口条件选择为压力出口边界。压力出口边界条件 需要输入的参数有静压(gauge)、回流条件、总温、湍流参数。 湍流动能和动能耗散率分别用公式近似计算： 第二部分 模型建立 结果分析 3. 固体壁面条件 壁面采用无滑移边界条件，模拟中墙壁对于传热按一维传热 处理，且壁面热通量为0，即是绝热壁面。 4. 火源和烟气的产生 在Gambit建模时，以一立方体作为火源。通过编写UDF，完 成火源的设置。 5. 初始条件 操作压力为1标准大气压，Gauge pressure 为相对静压，值为0。计算中冬季室外温度为 273K，室内温度为283K；夏季室外温度308K ，室内温度为300K。室外风速为3.75m/s，室 内初始烟气质量分数为0。 第二部分 模型建立 结果分析 图3 Fluent计算流程图 2.5 计算流程 第二部分 模型建立 结果分析 采用SIMPLEC算法（见教材220页）来处理速 度和压力的耦合，湍流方程等离散格式选用二阶 迎风格式。空气的比热容和导热系数不考虑随温 度的变化而变化，取为常数，空气的导热系数： 0.0224W/(mK)，空气的比热容：1006.43J/（KgK ）。常温下空气密度：1.20Kg/m3，重力加速度 ：9.80m/s2；外界空气(绝对)压力：1.01l05Pa。 迭代计算的控制精度，能量方程为1e-06，其他 为 1e-03。 2.6 计算方法 第二部分 模型建立 结果分析 120s 温度云图、 烟气浓度图 180s 温度云图、 烟气浓度图240s 温度云图、 烟气浓度图 图4 自然排烟不同时间段温度和烟气浓度的分布图 2.7 数值模拟结果展示 60s 温度云图、 烟气浓度图 走廊自然排烟模拟 第二部分 模型建立 结果分析 结论：从图 4中的可以看出，火灾发生后 ，着火房间内的温度上升很快。 火灾发生60s后，着火房间内的温度达到 330K左右； 120s 时，走廊中段靠近楼梯间区域温度达 到340K左右，烟气浓度达到1%； 180s 时，从图中可以发现，楼梯间温度已 经达到400K 左右，烟气浓度达到3%，温度过 高，室内人员已经无法安全逃生。 第二部分 模型建立 结果分析 在楼梯间前室的侧墙设置机械加压送风口，高度距地 0.6m。送风口加压送风保持前室相对走廊有 25Pa 的正压 。 60s 温度云图、 烟气浓度图 120s 温度云图、 烟气浓度图 180s 温度云图、 烟气浓度图240s 温度云图、 烟气浓度图 图5 正压送风防烟不同时间段温度和烟气浓度的分布图 走廊机械正压送风防烟模拟 第二部分 模型建立 结果分析 结论：从图 5可以看出，在楼梯间前室设 置了加压送风系统后，楼梯间温度和烟气浓度 在火灾发生120s内基本没有上升。火灾发生 后180s，有少量烟气进入前室240s时，烟气 进入楼梯间，但楼梯间烟气浓度维持在一个较 低的水平。 第二部分 模型建立 结果分析 在走廊中部，X=5m处，设置机械负压排烟口，通过风 机抽吸作用，将走廊中的热量和烟气排出室外。 60s 温度云图、 烟气浓度图120s 温度云图、 烟气浓度图 180s 温度云图、 烟气浓度图240s 温度云图、 烟气浓度图 图6 机械负压排烟不同时间段温度和烟气浓度的分布图 走廊机械负压排烟模拟 第二部分 模型建立 结果分析 结论：从图6中可以看出，火灾发生后 60s 由于产生的烟气还比较少，走廊顶部排烟系统 开始运行后，走廊基本没有烟气。在 120s时， 由于排烟系统工作后形成的负压，致使排烟风 机附近2m范围内，温度和烟气浓度高于走廊 其他部位。180s时，烟气在前室附近走廊内继 续聚积，少量进入前室。从图中可以看出， 240s时，前室温度在338K377K之间，而楼梯 间温度在 300K338K之间，前室的最大烟气浓 度约为0.9%，而楼梯间的烟气浓度在0.06左右 。此时楼梯间内的温度和烟气浓度，对逃生人 员的生命安全不会造成伤害。 第三部分 总结收获 1. 火灾发生后60s，自然排烟、机械加压送风 防烟和机械负压排烟的控烟效果相差不大；火 灾发生后120s，自然排烟下的走廊温度要高于 机械排烟10K20K之间；火灾发生后180s，机 械负压排烟的排烟效果最好，温度比自然排烟 下的低70K左右，烟气浓度低1%左右；240s 时 ，走廊温度继续升高，自然排烟下走廊的整体 温度接近550K 左右，而正压送风防烟和机械 排烟下的走廊前半部分(X=015m)则没有明显 升高，后半部分温度约上升了20K。 2. 从火灾后温度和烟气浓度这两方面来评价 三种排烟模式的排烟效果，认为机械负压排烟 对走廊的保护效果最好。 3.1总结 第三部分 总结收获 1. 通过本门课程作业的完成，了解了本专业数 值研究方法、研究的具体内容及研究进展等情 况，学会了数值计算论文的书写方式。 2. 对FLUENT 软件有了一定了解。对网格的划 分、边界条件的设定及其基本控制方程和湍流 模型的选取都有了初步认识。其强大的功能、 形象化的界面让我们对实验结果有了更直观的 认识。 对高层民用建筑设计防火规范和建筑 设计防火规范等进一步加深理解。如： 3.2收获 担负一个防烟分区排烟排烟或者净空高度大于6m的不划 分防烟分区的房间时，应按其面积不小于60m3/（hm2 ）计 算(单台风机最小排烟量不应小于7200m3/h)。担负两个或两 个以上的防烟分