基于计算流体力学的呼吸式幕墙火灾特性分析

基于计算流体力学的呼吸式幕墙火灾特性分析

0呼吸式幕墙火灾呼吸墙又称热脉墙和双墙，由两层玻璃幕墙和中间的通风气能交换通道（热通道）组成。这种幕墙最早出现在20世纪80年代的欧美国家,由于可获取大量日照,提供良好的自然通风,既可节约能源,又能为室内提供舒适的环境,其应用越来越广泛。由于内外幕墙之间有较宽的热通道,虽然平时可利用烟囱效应实现自然通风,但在火灾时可能成为烟和火向上层蔓延的通道,加速火灾竖向蔓延,给消防安全带来不利影响。目前,世界各国的防火规范中尚没有针对呼吸式幕墙建筑的专门规定。我国现行国家标准《建筑设计防火规范》(GB50016—2006)和《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045—95)的规定基本相同,都要求采用玻璃幕墙的建筑在其上下层之间设置高度不低于0.8m的窗槛墙,且玻璃幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙应采用防火材料封堵。中国香港地区的规范中也只要求上下两层窗口之间有高度不低于0.9m的窗槛墙。澳大利亚和新西兰的防火规范中也有类似规定,即在上下层之间应设置不低于一定高度的窗槛墙,其中,新西兰防火规范规定可以用防火挑檐代替窗槛墙。目前,国内外对呼吸式幕墙的研究多集中于幕墙的结构设计及节能分析,而对其火灾问题研究甚少。郭大刚等对呼吸式幕墙的性能化消防设计做了初步研究,认为窗槛墙具有较好的防火作用。除此之外,未见有对呼吸式幕墙火灾问题进行研究的文献。为了初步了解火灾烟气在呼吸式幕墙内的运动情况,本文利用CFD软件FDS(FireDynamicsSimulators)对呼吸式幕墙建筑发生火灾时烟气的蔓延情况进行模拟分析。模拟时,考虑窗槛墙高度、防火挑檐宽度、幕墙通道宽度、外幕墙破碎及室外风速对烟气流动的影响。1大试模型的建立FDS是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学模型,主要求解低速热力流动的N-S方程,并着重于模拟火灾时的烟气运动和热量传递。本文在模拟时,采用了大涡模拟模型。大涡模拟把包括脉动在内的湍流瞬时运动通过滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分,大尺度量通过求解微分方程直接计算,小尺度运动对大尺度运动的影响通过建立亚网格模型来模拟,简化了计算工作量和对计算机内存的需求。1.1控制方程式12质量常数的固定方程∂ρ∂t+∇⋅ρu⃗=0(1)∂ρ∂t+∇⋅ρu→=0(1)式中ρ为密度,kg/m3;u⃗u→为速度矢量,m/s。2压力pρ(∂u⃗∂t+(u⃗⋅∇)u⃗)+∇p=ρg+f⃗+∇⋅τ(2)ρ(∂u→∂t+(u→⋅∇)u→)+∇p=ρg+f→+∇⋅τ(2)式中p为压力,Pa;g为重力加速度,m/s2;f⃗f→为作用于流体上的外力(除重力外),N;τ为黏性力张量,N。3导热系数hu的测定∂∂t(ρh)+∇⋅(ρhu⃗)=∂p∂t+u⃗⋅∇p−∇⋅q⃗r+∇⋅(k∇T)+∂∂t(ρh)+∇⋅(ρhu→)=∂p∂t+u→⋅∇p-∇⋅q→r+∇⋅(k∇Τ)+∑i∇⋅(hiρDi∇Yi)(3)∑i∇⋅(hiρDi∇Yi)(3)式中h为比焓,J/kg;k为导热系数,W/(m·K);q⃗q→r为辐射热通量,W/m2;T为温度,K;Di为第i种组分的扩散系数,m2/s;Yi为第i种组分的质量分数。4体积内各组分最佳生成率的确定∂∂t(ρYi)+∇⋅(ρYiu⃗)=∇⋅(ρDi∇Yi)+m˙′′′i(4)∂∂t(ρYi)+∇⋅(ρYiu→)=∇⋅(ρDi∇Yi)+m˙‴i(4)式中m˙m˙‴i为单位体积内第i种组分的质量生成率,kg/(m3·s)。5气体常数i/ip0=ρTR∑i(Yi/Mi)(5)∑i(Yi/Μi)(5)式中R为气体常数,J/(mol·K);Mi为第i种组分的摩尔质量,kg/mol。1.2deifus3.3采用Smagorinsky亚网格模型,流体的黏性系数可表示为μL=ρ(CsΔ)2[2(defu⃗)⋅(defu⃗)−23(∇⋅u⃗)2]1/2(6)μL=ρ(CsΔ)2[2(defu→)⋅(defu→)-23(∇⋅u→)2]1/2(6)式中Cs为Smagorinsky常数;Δ为滤波宽度,m;defu⃗u→表示速度矢量的变形张量。相应的导热系数和扩散系数表示为kL=μLcpPr,(ρD)L=μLSc(7)kL=μLcpΡr,(ρD)L=μLSc(7)式中Sc为施密特数;Pr为普朗特数;cp为定压比热。1.3燃料与氧-3-菌株的质量分数燃烧模型采用混合分数燃烧模型,混合分数的定义可表示为Z=sYF−(YO−Y∞O)sYIY−Y∞O,s=vOMOvFMF(8)Ζ=sYF-(YΟ-YΟ∞)sYYΙ-YΟ∞,s=vΟΜΟvFΜF(8)式中YF为燃料的质量分数;YIF为燃料源处燃料的质量分数;YO为氧气的质量分数;Y∞O为初始环境中氧气的质量分数;MO为氧气的相对分子质量;MF为燃料的相对分子质量;vO为氧气的化学反应计量系数;vF为燃料的化学反应计量系数。1.4辐射模型的求解辐射是火灾中重要的传热方式,它对整个系统参数的影响,体现在能量平衡方程中代表辐射传热的源项中。根据辐射传热方程中物体辐射强度对立体角依赖关系的简化程度,可以把辐射数学模型分为通量模型、辐射离散传热模型和离散坐标模型;而根据实际物体辐射强度对波长和温度的依赖关系,可分为灰体辐射模型、窄带辐射模型和宽带辐射模型。本文采用离散坐标窄带模型,它可以在不增加计算量的前提下,提高辐射传热计算的准确度。在进行数值求解时,FDS对空间坐标的微分项采用二阶中间差分法离散,对时间坐标的微分项采用二阶runge-kutta法离散,对Poisson方程形式的压力微分方程则采用傅立叶变换法直接求解。因此,可以得到比较准确的结果。2物理模型2.1建筑幕墙高度本文以天津某酒店为例进行模拟分析。酒店共14层,1～5层每层6.0m,第6层6.6m,1～6层每层中部为夹层,7～12层每层3.3m,第13层高3.6m,第14层高3m,最顶层客房距地面63m,幕墙高度为92m。建筑内幕墙采用中空钢化玻璃,外幕墙采用钢化夹胶玻璃,内外幕墙间距为0.86m,空气从幕墙下部进入,顶部排出。具体CFD模型见图1。2.2模拟条件配置1玻璃的移动试验针对该建筑所用幕墙玻璃进行了多次火灾破碎试验,试验照片和测点布置情况见图2。试验装置如图2(a)所示,玻璃固定在自行设计的可移动钢结构滑轨装置上,试验时可以调节玻璃距火源的位置。火源为罐装丙烷气,位于可移动的燃烧室内,测点布置在玻璃的迎火面,见图2(b)。试验的主要测量参数即玻璃破碎时的温度。经过4次试验,发现该玻璃破碎的临界温度在600～800℃之间。因此,模拟时将玻璃破碎温度设为700℃。2组织/热释放速率qf考虑最不利的情况,采用客房发生轰燃时的热释放速率,用托马斯轰燃公式进行计算。Qf=7.8At+378AwHw−−−√(9)Qf=7.8At+378AwΗw(9)式中Qf为发生轰燃时的热释放速率,kW;At为房间的内表面积,m2;Aw为通风口面积,m2;Hw为通风口高度,m。将客房特性参数代入式(9),得Qf=7.8×221.8+378×3×1.414=3333为保守计算,设定火源为稳态火,并在式(9)的基础上考虑1.5的安全系数,得此客房内火源的热释放速率为5MW。3环境条件设室内外初始温度均为20℃。对窗槛墙高度Hc=0.8m的情况,考虑了风速影响,其余情况设定室外风速为0m/s。4大火发生的地方设火灾发生在A区2层中部的某一客房内,标高6m,见图3。5均匀布置测点布置客房发生火灾后对其上1层客房影响较大。因此,在着火房间上1层的幕墙通道内均匀布置了11个测点,分别以T0～T10标识;在上1层客房的中间两块幕墙玻璃中心附近各布置1个测点,以Ta和Tb标识。3结论分析计算云图较多,不能一一列举,仅对窗槛墙高度Hc=0.8m的情况作详细说明。其他模拟结果见表1。3.1烟气蔓延和安全隐患对窗槛墙高度(Hc)为0.8m和1.2m的情况分别进行了计算。Hc=0.8m时的烟气蔓延过程见图3。烟气蔓延过程中的速度分布云图见图4。烟气蔓延过程中的温度分布云图见图5和6。从图5可以看出,72s时火焰蔓延出起火房间,内层玻璃幕墙破碎。从图3可以看出,由于热通道的烟囱效应,烟气在85s时便蔓延至酒店顶层,99s时蔓延至幕墙最顶端。烟气平均蔓延速度为4.4m/s,最大蔓延速度约8m/s。在烟气蔓延路径上,若有内层玻璃幕墙开启或由于受高温而破碎,则烟气很快会蔓延至相应客房,对人员疏散造成不利影响,见图2(c)。由图5和6可知,烟气刚冲出着火房间时,温度最高可达750℃;随着周围空气的卷入,温度很快降低到700℃左右;在向上蔓延的过程中温度逐渐降低,蔓延到32m时(酒店中部客房),最高温度为130℃;蔓延到60m时(酒店最顶层客房),最高温度为76℃。Hc=0.8m和Hc=1.2m时,着火点上层房间内幕墙附近的测点(Ta和Tb)温度变化见图7。从图7可以看出,Hc=0.8m时,Tb的最高温度为390℃,低于幕墙玻璃破碎温度。可见0.8m高的窗槛墙可以起到一定的防火作用。当窗槛墙高度增加到1.2m时,着火层上层客房的内幕墙附近的温度变化并不明显。从表1可以看出,增加窗槛墙高度,对烟气的流动影响很小。可见,增加窗槛墙高度不能起到更好的防火效果。3.2防火挑砌宽度dt对ta、tb的温度影响对防火挑檐宽度Dt=0.4m和Dt=0.6m的情况分别进行了模拟,结果见图8和表1。从图7和8可以看出,增设防火挑檐后,Ta和Tb的温度平均下降了50℃;防火挑檐宽度Dt从0.4m增加到0.6m后,Ta和Tb的温度平均下降了30℃。从烟气的蔓延情况来看,增设防火挑檐后,烟气的蔓延速度明显降低,Dt=0.6m时,平均蔓延速度为1.2m/s。同时,蔓延过程中烟羽流的温度下降加速,蔓延到酒店最顶层时,烟气温度最高为62℃。可见防火挑檐具有把高温烟气推向外幕墙的作用,增设防火挑檐可以起到较好的防火效果。3.3热通道宽度的影响对热通道宽度、Dm=1.2m、Dm=1.6m和的情况分别进行了模拟,结果见图9和表1。热通道变宽后,烟气蔓延时会卷吸更多空气。因此,从图9可以看出,随通道宽度增加,测点T0～T10的温度逐步降低。从表1也可以看到,热通道加宽后,烟羽流的最高温度、烟气蔓延到酒店最顶层时的温度均会降低,Dm=2.0m时,两者温度分别为405℃和50℃,较Dm=0.86m时分别降低345℃和30℃。热通道变宽后,对烟气的蔓延速度没有明显影响。3.4热通道内温度分布对正对着火房间的外幕墙破碎的情况进行了模拟,结果见图9和表1。外幕墙破碎后,测点T0～T10的温度大大降低,温度曲线相当平缓,最高温度仅为149℃,见图9。这是由于大量高温烟气从破碎口蔓延到大气中,大大减少了对上层幕墙的影响。从表1可以看到,热通道内的最高温度、烟气的平均蔓延速度等都较外幕墙破碎前大大降低。因此,在设计幕墙时,可以考虑内幕墙使用比外幕墙具有更好耐火性能的玻璃,以利于火灾蔓延至热通道后,外幕墙先于内幕墙破碎。3.5有风情况下烟气蔓延对Hc=0.8m的情形,施加随高度变化的风速。风向正对着幕墙热通道时,对建筑内的烟气流动影响最大,且该风向为该建筑所在地区的夏季主导风向,因此,将风向取为正对着幕墙热通道的方向。风速函数为式中V为风速,m/s;V0为高度Z0处的风速,m/s;Z为距地面的高度,m;Z0为最大高度,m。取Z0为建筑最大高度93m,V0为3m/s和6m/s分别进行,结果见表1。根据模拟结果,在有风的情况下,烟气蔓延会加速,风速越大,烟气蔓延速度越大。受风速影响,烟气蔓延过程中会卷吸更多空气,烟羽流的温度下降较无风时快。当V0=6m/s时,烟气蔓延平均速度可达7.3m/s,蔓延到14层客房时温度为50℃,较无风时下降30℃。4呼吸式幕墙防火设计的建议1)内幕墙破碎后,烟气首先撞击外幕墙,然后沿幕墙通道向上蔓延,蔓延过程中高温烟气贴近外幕墙;在烟气蔓延路径上,若客房的窗户开启或其内层玻璃幕墙破碎,则烟气会很快蔓延至该客房,对人员疏散造成不利影响。2)0.8m高的窗槛墙可以起到一定防火作用,在此基础上再增加窗槛墙高度,并不能起到更好的防火效果。3)增设防火挑檐会降低烟气蔓延速度及上层内幕墙附近的温度,减少烟气对着火层以上各层客房的影响,并且具有把高温烟气推向外幕墙的作用,可以起到较好的防火效果。挑檐越宽,效果越明显。4)加宽幕墙的热通道可以明显降低烟气的最高温度及蔓延过程中的温度,但对烟气的蔓延速度并无明显影响。5)外幕墙破碎后,大量高温烟气会从破碎口蔓延至大气中,可大大降低高温烟气对上层幕墙的影响。6)在有风的情况下,烟气蔓延速度会明显加快,但烟气的最高温度及蔓延过程中的温度有所下降。