GB-T 31593.6-2015消防安全工程第6部分：烟气层的计算要求

消防安全工程第6部分：烟气层的计算要求Firesafetyengineering一(ISO16735:2006,FiresafetyengSmokelayers,MOD)2015-06-02发布中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局前言 I Ⅱ1范围 2规范性引用文件 3术语和定义 4物理现象的描述 25计算书 26计算公式的局限性 37计算公式的输入参数 38计算公式的适用范围 附录A(资料性附录)本部分与ISO16735:2006的章条编号对照情况 附录B(资料性附录)烟气层计算概述 附录C(资料性附录)满足附录B要求的烟气层计算公式 7参考文献 IGB/T31593《消防安全工程》分为以下九个部分：——第2部分：所需数据类型与信息；——第3部分：火灾风险评估指南——第4部分：设定火灾场景和设定火灾的选择；——第5部分：火羽流的计算要求；——第6部分：烟气层的计算要求；——第7部分：顶棚射流的计算要求； 第8部分：开口气流的计算要求；——第9部分：人员疏散评估指南。本部分为GB/T31593的第6部分。本部分按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本部分使用重新起草法修改采用ISO16735:2006《消防安全工程计算公式控制要求烟气层》。本部分与ISO16735:2006相比在结构上有较多调整，附录A中列出了本部分与ISO16735:2006的章条编号对照一览表。本部分与ISO16735:2006的技术性差异及其原因如下：——关于规范性引用文件，本部分做了具有技术性差异的调整，以适应我国的技术条件，调整的情况集中反映在第2章“规范性引用文件”中，具体调整如下：●用GB/T5907(所有部分)代替了ISO13943(见第3章);●用修改采用国际标准的GB/T31593.1代替了ISO/TR13387-3(见5.1、7.3);●删除了ISO16735:2006当中仅被资料性附录引用的ISO16734:2006、ISO16737。——将国际标准中1.1～1.4改为列项，以符合我国标准的编写习惯(见第1章)。为了方便使用和符合我国相关标准编写要求，本部分还做了下列编辑性修改：——删除了国际标准的前言，重新起草了前言；——修改了国际标准的引言，将其作为本部分的引言；——将国际标准中某些标点符号修改为符合汉语习惯的标点符号；——调整了部分公式的编排格式；——增加了附录A(资料性附录),给出了本部分与国际标准的章条编号对照情况。本部分由中华人民共和国公安部提出。本部分由全国消防标准化技术委员会建筑消防安全工程分技术委员会(SAC/TC113/SC13)归口。本部分起草单位：公安部天津消防研究所、公安部四川消防研究所、中国科学技术大学、中国建筑科学研究院。Ⅱ能够依据这些公式快速判断初步消防安全设计是否需要调整以及如何调整，以满足预期的性能指标要 针对不同类型的烟气层，本部分的附录B和附录C分别给出了符合本部分要求的计算公式示例附录B给出了烟气层的一般信息和守恒关系，附录C给出了计算烟气层特性的具体公式及其计算体实践。如果采用数学模型计算火灾发展过程及其产生的后果，本部分所讨论的计算公式可用于对其1消防安全工程第6部分：烟气层的计算要求GB/T31593的本部分规定了火灾烟气层特征值计算公式的应用要求，提供了与烟气层计算公式应用相关的下列通用要求：c)计算公式的局限性；d)计算公式的输入参数；e)计算公式的适用范围。本部分适用于建设工程消防性能化设计和评估中烟气层的计算。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T5907(所有部分)消防词汇GB/T31593.1消防安全工程第1部分：计算方法的评估、验证和确认(GB/T31593.1—2015,GB/T31593.5消防安全工程第5部分：火羽流的计算要求(GB/T31593.5—2015,ISO16734:2006,MOD)GB/T31593.8消防安全工程第8部分：开口气流的计算要求(GB/T31593.8—2015,3术语和定义GB/T5907界定的以及下列术语和定义适用于本文件。边界面boundary确定室内空间范围的表面。火羽流fireplume由燃烧所产生的浮力形成的向上湍流流动，通常包括下部的燃烧区域。火羽流(3.2)的发光区域。2假定火源热释放速率变化引起的所有影响在流场中能立刻反映出来的状态。烟热上层hotupperlayer烟气层界面smokelayerinterface征参数(例如通过质量和能量守恒推导出的烟气浓度与升高的气体温度之间的关系)以及其他与烟气层4.5不同的计算公式描述不同的烟气层特性(见4.3)或适用于不同的火灾场景(见4.4),当有多种方法5计算书35.2计算步骤应由一系列的计算公式表述。5.3每个计算公式应由独立的条款表述，其内容应包含公式输出的详细描述，以及该公式解释性说明和限定条件。5.4应明确定义计算公式中的各变量，给出适用的SI单位；计算公式应优先选用量关系式。5.5应酌情通过引用公认手册、科技文献或通过推导等方法给出公式的科学依据。5.6应给出公式的应用实例，演示如何使用符合第4章要求的输入参数和具体计算过程。6计算公式的局限性6.1应给出直接应用计算公式计算输出参数的定量限制条件，并符合第4章所描述场景的要求，6.2应给出在更通用的计算方法中引用计算公式的注意事项，包括检查与计算方法中用到的其他关系式的一致性以及所采用的计算方案。7计算公式的输入参数7.1应明确识别计算公式的输入参数，如热释放速率或几何尺寸。7.2应识别或明确提供输入参数的数据来源。7.3应按GB/T31593.1的规定列出输入参数的有效范围。8计算公式的适用范围8.1应通过一组或多组测量数据确定公式的适用范围。这些数据应通过文件化的程序或标准(参见GB/T6379)进行评估并达到一定的质量水平(如重复性、再现性)。8.2应按照计算方法的评估、验证和确认原则，通过与8.1测量数据的比对确定计算公式的适用范围。8.3应明确识别用于第4章特定场景的计算公式限定条件造成的潜在误差。4(资料性附录)表A.1本部分与ISO16735:2006的章条编号对照情况本部分章条编号对应的ISO16735:2006的章条编号11.1～1.43.1～3.10A.1.1、A.1.3、A.1.4、A.1.6～A.1.12—B.1A.2B.1.1～B.1.2A.2.1～A.2.2B.2A.3B.2.1～B.2.7A.3.1～A.3.7附录C(各条款)附录B(各相应条款)注：表中的章条以外的本部分其他章条编号与ISO16735:2006其他章条编号均相同且内容相对应。5(资料性附录)烟气层计算概述B.1物理现象的描述B.1.1计算方法概述本附录旨在描述室内空间中火灾的界面位置、平均温度和边界面以下烟气层的特定化学物平均浓度的计算方法。这些计算方法基于质量、物质和能量守恒定律，适用于与热力学参考空间相同的烟气层。燃烧时，烟会在室内空间的上部积聚。当烟气层的温度和物质浓度比较均匀时，根据烟气层的质量、物质和能量守恒定律，可计算温度平均值、烟浓度和界面位置。火羽流和开口气流的详细计算要求见GB/T31593.5—2015和GB/T31593.8。B.1.2所需计算的烟气层特征值所需计算的烟气层特征值为平均烟气层温度、物质浓度和界面位置。B.2计算书B.2.1概述在室内空间的火源上方产生的烟气层如图B.1所示。B.2.2～B.2.4规定了质量、能量和特定的化学物守恒。1——热流；2——质量流；3——壁吸收热；4——开口气流；5——参考空间；6——火羽流；7——火源； 体积为V,温度为T.的参考；9——开口气流。6烟气层中质量守恒应考虑选择如图B.1虚线所示的适当参考空间。通过各界面流入该参考空间(流出该空间的为负值)的质量流速应等于该空间烟气层的质量累积速率。必要时应考虑火羽流、开口气流和其他流动。B.2.3能量守恒烟气层的能量守恒采用与质量守恒相同的方法。通过烟气层界面流入(流出的为负值)的能量流速应等于该空间烟气层的能量累积速率。除了火羽流和开口气流外，还应考虑室内空间边界面发生的辐射损失和热量吸收。注：当无法确定火焰的辐射热损失时，质量流速可近似用附录B提供的热释放速率代替。B.2.4特定化学物的守恒特定化学物的质量守恒采用与总的质量守恒相同的方法。如果烟气层中发生气相化学反应，应适当考虑反应速率。B.2.5通过界面的火羽流的质量流速在界面(烟气层的底面)上，火羽流的质量流速应作为火的热释放速率和火源底面与烟气层界面间的垂直距离的函数给出。GB/T31593.5—2015给出了具有这种火羽流特性的公式示例。B.2.6通过开口的烟的质量流速通过开口的质量流速应作为烟气层的温度、烟气层与相邻空间的压差、开口宽度和开口高度的函数状态方程表达了烟的温度和密度的关系。烟近似于理想气体，其性质等同于空气。7(资料性附录)满足附录B要求的烟气层计算公式C.1本附录所用的符号说明本附录所用的符号说明见表C.1。表C.1本附录所用的符号说明符号单位A室内空间的底面面积m²Aopa吸气(新鲜空气)口的面积m²Aw排烟口的面积m²Awul和烟气层接触的室内空间边界面的表面积m²流量系数室内空间边界面材料的定容热容kJ·m-3·K-1常压下空气的定压热容kJ·kg-1·K-1D火源的直径mDwat室内空间边界面材料的厚度mg重力加速度H室内空间的高度mH₁开口的下边界面高度mH开口的上边界面高度mhwull室内空间边界面的有效传热系数kW·m-²·K-1k室内空间边界面材料的导热系数kW·m·KL平均火焰高度mm进入室内空间的空气的质量流速kg·s-1排烟的质量流速·m,火羽流中气体的质量流速Q火源的热释放速率火源的对流热释放速率，(1-X)QT,烟气层温度K参考温度，通常取室外温度Kt时间S室内空间边界面吸收热量的特征时间Sv.机械排气系统的体积流速8符号单位Z产生热辐射的热释放份数Y特定的化学物浓度kg·kg-¹Y₀参考状态下，特定的化学物浓度kg·kgz火源底面至界面的高度mα火灾的增长速率压差n物质产率kg/kJλ蓄烟阶段，室内空间边界面吸收热量的份数P₀参考温度下空气的密度kg·m-3P₃烟密度kg·m-3C.2物理现象的描述本附录的这些计算方法适用于计算平均温度、烟浓度和不同火灾场景下的界面位置。如果能够确C.2.2公式计算法适用的火灾场景这些公式适用于静态环境下火源上方的烟气层。如果与火无关的湍流比较明显，则这些公式不适烟气层条件的计算方法有两个限定阶段。一个是在火初发期(t²型火),控烟设备尚未启动时，单一的室内空间蓄烟阶段；另一个是烟的产出率等于烟气层流出率的准稳态排放阶段。本附录不涉及中C.2.4公式适用的烟气层条件给定的公式适用于没有排烟以及在机械或自然排烟达到准稳态的情况下，室内空间中蓄烟的短暂C.2.5公式的协调一致性9C.3计算书C.3.1公式的范围本附录提供了四组公式。一组用于火的初发期单一的室内空间中蓄烟过程；其余三组用于稳态下通过机械排风或自然开口进行的烟气控制。C.3.2室内空间的蓄烟过程C.3.2.1公式在过程中的应用膨胀，过量的空气被挤出室内空间。注：这个前提在烟气层的底部位于开口上界面的以上位置时是成立的。当烟气层降低到开口上界面以下位置时，随着新鲜空气的进入，烟气会流出室内空间。1——由于热膨胀而过量的空气；2——底部面积。热释放速率见式(C.1):Q(t)=at”………………(C.1)当n=0时，表示稳定燃烧的火；n=2时，表示正在增大的火与时间成平方关系。当辐射释放的份数为X,则对流热释放速率见式(C.2):参考文献[4]中给出了火源上方高度为z处的火羽流质量流速公式，见式(C.3):注：在GB/T31593.5—2015的附录B中，该公式可近似用作火羽流公式。该公式只适用于平均火焰高度以上的情况；如果界面低于平均火焰高度，则计算结果可能不正确。GB/T31593.6—2015C.3.2.2界面位置计算界面的位置[见式(C.4)和式(C.5)],以便在具有均匀密度的上层累积火羽流的质量流量。 (C.4)…(C.7)烟气层温度T,由式(C.9)计算得出。C.3.2.3烟气层温度计算烟气层的温度[见式(C.8)],使得火释放的热量对体积为A(H-z)的烟气层加热。此时，可计算特定的化学物的浓度[见式(C.10)],使得生成物的质量在烟气层中均匀分布。——火源Q=0.05t²(α=0.05kW/s²,n=2,D=1mm)位于图C.1所示的室内空间内；——室内空间的底面面积A为100m²;——假设辐射热所占份数X为0.333;—忽略室内空间界面的热吸收(λ=0);——CO₂的产率η为7.61×10~5kg/kJ采用式(C.4),界面高度为：将结果带入式(C.8)和式(C.10),则界面温度和CO₂的浓度为，火焰高度必须低于界面的高度，火羽流的式(C.3)才适用。此例中，火焰的平均高度低于界面高度L=-1.02D+0.235Q²/5=-1.02×1.0+0.235×(0.05×60²)²/5=0.86……(C.14)该计算的依据为GB/T31593.5—2015的附录B。同样，烟气层高度、温度和CO₂浓度计算示例见图C.2。为使公式有效，烟气层的底面必须高于火焰的平均高度和门的开口上边缘高度。该例在126s时平均火焰高度和烟气层高度近似相等，此时：L=-1.02D+0.235Q²/5=-1.02×1.0+0.235×(0.05×126²)²/5=2.38……(C.16)在142s,烟气层高度与门的开口上边缘高度近似相等，此时：因此，该公式适用于126s之前的阶段。图C.2中的计算有效范围为：A=100m²,H=8m,Q=0.05t²,x=0.333,λ=0.0。粗线是根据式(C.4)、式(C.8)和式(C.10)的计算结果。细线是考虑烟气层的热膨胀而根据式(C.5)、式(C.9)和式(C.11)得出的计算结果。X图C.2在室内空间的蓄烟过程中，界面高度、烟气层温度和CO₂浓度的计算结果GB/T31593.6—20C.3.3通过机械排气系统进行烟气控制的稳态C.3.3.1公式适用的过程如图C.3所示，在烟气控制状态下，烟通过机械排气系统排放。烟气层的性质通过产烟和排烟达到平衡的准稳态进行计算。假设室内空间边界面在较低的部分具有足够的开口能使空气容易流动并且公式中的热释放速率为常数，式(C.3)给出了火羽流的质量流速。把体积流速作为试验设计参数，排烟的质量流速用式(C.18)计算：图C.3通过机械排气系统进行烟气控制的质量守恒计算界面高度，使排烟的质量流速等于火羽流的质量流速。m,=m;……………(C.C.3.3.2界面位置计算界面位置，使火羽流的质量流速等于排烟的质量流速。C.3.3.3烟气层密度烟气层密度由下式计算：C.3.3.4烟气层温度计算烟气层温度，使烟气层的热流量等于排放和室内空间表面吸收的热量损失之和。GB/T31593.6—2015C.3.3.5有效传热系数有效传热系数的计算取决于室内空间边界面的建筑材料。传热既可近似为厚壁热行为(近似为半无限体)也可近似为薄壁热行为(近似薄材料稳态下的温度分布)。C.3.3.7计算示例——室内空间底面面积A为100m²(10m×10m);——室内空间高度H为8m,火源的热释放速率Q为300kW;——火源的热辐射份数x为0.333;——室内空间边界面由100mm厚的混凝土板制成；——混凝土的导热系数取k=0.0015kW/(m·K),热容量cy=2026kJ/(m³·K);——空气的参考温度T。为20℃(293K),相对应的参考密度p。为1.205kg/m³1)假设界面高度是室内空间高度的50%,即：………………(C.25)2)由式(C.3)计算界面高度的火羽流质量流速：m。=0.076(1-x)¹/3Q¹/³zF³=0.076×(1-0.333)¹/3×300¹/³×45/3=4.48………………(C.27)Aw=100+40×(8-4)=260…(C.29)6)由式(C.18)计算机械排气系统的质量流速：…(C.32)7)由式(C.20)校正界面高度，以使火羽流的质量流速等于排放的质量流速：8)重复步骤2)～7),直到火羽流的质量流速与排放的质量流速一致。此例中，经过3次迭代，得z=4.04(m)T,=37.4(℃)9)为了满足火羽流式(C.3),平均火焰高度必须小于界面高度。此例中，依据GB/T31593.5—2015L=-1.02D+0.235Q2/5=-1.02×1.0+0.235×300²/5=1.28<4.04……(C.37)10)将已知值带入式(C.24)计算物质浓度。在通风良好的条件下，二氧化碳的产率η=7.61×C.3.4水平开口稳态下的烟气控制C.3.4.1公式适用的过程烟气由图C.4所示的自然开口排放。假设新鲜空气可流入室内空间底部，通过准稳态下热量和质量平衡来计算烟气层特性。质量流速的平衡由式(C.在这个公式中，假设热释放速率始终为常量。火羽流的质量流速在式(C.3)中给出，通过开口的质GB/T31593.6—2015说明：C.3.4.2界面位置采用式(C.20)计算界面位置。采用式(C.21)计算烟气层密度。C.3.4.4烟气层温度C.3.4.5有效传热系数采用式(C.23)计算有效传热系数。C.3.4.6通过水平开口排烟的质量流速me=C₀A√2p,[(φo-p,)g(H-z)-△p]……(C.40)C.3.4.7地板面的压差采用式(C.24)计算化学物的浓度Y。GB/T31593.6—2015C.3.4.9计算举例 室内空间地板面积A为100m²(10m×10m);室内空间高度H为8m—水平开口的面积Awt为2m²;——较低的进气开口面积Ao为4m²;——火源的热释放速率Q为300kW;——火源的热辐射份数x为0.333;——CO₂的产率为η为7.51×10~5kg/kJ;1)假设界面高度是室内空间高度的50%,即：………………(C.42)2)由式(C.3)计算界面高度的火羽流质量流速：m,=0.076(1-z)V³QV³x³=0.076×(1-0.333)V³×300¹³×4.0⁵¹3=4.48……(C.43)3)采用和C.3.3.7的3)相同的步骤由式(C.23)计算有效热传导系数：hwa=0.049………………(C.44)A=100+40×(8-4.0)-2.0=258………(C.45)7)由式(C.40)计算通过水平开口的质量流速：me=C₀Am√2o,[(p-p,)g(H-z)-△p]=0.7×2.0×√2×1.137×[(1.205-1.137)×9.8×(8.0-4.0)-1.06]=2.68……(C.49)z=3.35(m)………………(C.51)m。=m,=m.=3.34(kg/s)………………(C.53)11)将上述7)中的结果带入式(C.24)计算物质浓度：C.3.5垂直开口稳态下的烟气控制C.3.5.1公式适用的过程从开口的上部流出，烟气层的特性通过准稳态下烟/热的产生和排放/流出速率的平衡进行计算。在该公式中，假设热释放速率始终为常量。式(C.3)给出了火羽流的质量流速，通过开口的质量流速按照说明：图C.5垂直开口烟气控制期间的质量守恒采用式(C.21)计算烟气层密度。GB/T31593.6—2015计算开口下部水平方向上的压差，使物质排出速率m。等于火羽流的质量流速m。(C.55)C.3.5.7通过开口下部的空气质量流速C.3.5.8特定化学物浓度C.3.5.9计算步骤和示例—室内空间地板面积A为100m²; 垂直开口的高度为5m,在地板上方1m处(H₁=1m,H=6m)——开口宽度B为4m;——火源的热释放速率Q为300kW;——火源的热辐射份数X为0.333;——CO₂的产率η为7.51×10~5kg/kJ;1)假设界面高度的下限x₁是整个开口高度的1/3:2)由式(C.3)计算界面高度的火羽流质量流速：m,=0.076(1-x)¹^Q1²xY³=0.076×(1-0.333)V³×300¹³×2.67Y³=2.28……(C.58)hwa=0.049……(C.59)Aw=100+40×(8-2.67)-4×(6-2.67)=300GB/T31593.6—20157)由式(C.56)计算通过开口下部的空气质量流速：8)计算质量流速的误差：menor₁=m₀-m₄=2.28-17.6=-15.3步骤2)～8)的计算。初算时z₂取开口高度的2/3:p₅=1.136(kg/m³)………………(C.67)△p=-0.022(Pa)………………(C.68)11)重复步骤2)～8),计算z₃值下质量流速的误差：morʒ=—1.61………(C.72)12)由于m₃为负值，将式(C.71)中的z₁值换成zg,重复步骤2)～11),直到m足够小。GB/T31593.6—201513)为了满足火羽流式(C.3),火焰高度必须小于界面高度。此例中，火焰的平均高度为14)将步骤12)中计算结果带入式(C.24),计算物质浓度Z₁Z₂XZ₁Z₂XX——界面高度z,单位为米(m);Y——质量流速，单位为千克每秒(kg/s);1——计算结果；a—merror,1;b——merror,2aC.4计算公式的依据公式基于附录B给出的通用的热和质量守恒定律。蓄烟过程的研究可追溯到Turner等人(参见参考文献[5])对具有明显密度分界形成的室内空间所做的流体动力学基础研究。针对火灾初期蓄烟过C.5.1火羽流C.5.2烟气层的均匀性C.7.1火的热释放速率参数Q是特定环境条件下火的实际热释放速率。该参数可通过热量计测量，即测量收集到的气体不同的方法计算室内空间的热量吸收。参数的值主要取决于室内空间边界面的建筑。对具有大的热惯186kW。两个比对均证明公式具有适当的准确度。对多房间的烟扩散，可用一组相[2]ISO/TR13387-3:1999Firesafetyengineering—Part3:Assessmentandverificationofmathematicalfiremodels[4]ZUKOSKI,E.E.,MassFluxinFirePlumes,FireSafetyScience—Procum(ed.T.Kashiwagi),InternationalAssociationforFireSafetyScience,pp.137-147,1994.FireScienceandTechnology,5,No.1,ScienceUniversityofTokyo,1985.includingthevolumeexpansionterm,FireSafetyJournal,38,pp.97-101,2003.FireSafetyJournal,39,pp.643-[8]BAINES,W.D.andTURNER,J.S.,TurbulentBuoyantConvectionfromaSofinedRegion,JournalofFluidMechanics,37(1),pp.51-80,1969.[9]ZUKOSKI,E.E.,DevelopmentofaStratifiedCeilingLayerintheEarlyStagesofaClosed-roomFire,Fireandmaterials,2(2),pp.54-62,1978.[10]ZUKOSKI,E.E.,Two-LayerModelingofSmokeMovementinBuildingFires,Fireandma-[11]MULHOLLAND,G.,HANDA,T.,SUGAWA,O.andYAMAMOTO,H.,SmokeFillinginanEnclosure,20thJointASME/AIChENationalHeatTransferConference,81-HT-B,1981[12]SPRAT