老山自行车馆大厅自然排烟系统性能研究

摘要

采用性能化防火设计思想，分析老山自行车馆大厅的排烟系统所应达到的安全目标，设计了可能发生的火灾场景，使用CFD技术研究自然排烟系统的性能，通过数值模拟给出发生火灾时的流场和温度分布，证实大厅自然排烟系统能够保证人员安全疏散，满足该建筑消防安全要求。

正文

《1 引言》

1 引言

老山自行车馆是北京2008年奥运会的主要场馆之一。该建筑共3层, 总建筑面积为32 920 m², 檐口高度约18.8 m, 裙房高度约8.4 m。大厅包括二层和三层, 顶部加盖, 属于大空间、高屋顶建筑, 其中二层主要有赛道区和内场休息区等, 三层为观众看台区, 主要设在东西两侧。

自行车馆是特级体育建筑, 根据相关建筑设计规范规定 ^[1], 应设置机械排烟系统, 但在设计方案中, 由于多种条件的限制, 该馆大厅屋顶拟采用自然排烟方式。此种排烟设计方案不能满足现行处方式建筑设计规范的要求, 给判断该馆的消防安全带来不确定性, 需要使用建筑性能化防火设计方法对此排烟方案进行分析评估, 以确保建筑物的消防安全水平, 同时为进一步优化大厅排烟设计提供依据。

大厅排烟设计目标主要是保障大厅内的人员安全, 即在发生火灾时确保大厅内所有人员能够不受火灾烟气的影响安全疏散。根据大厅人员疏散设计的结果, 大厅内所有人员安全疏散到室外需要900 s, 因此排烟系统应能够保证火灾发生后900 s内火灾烟气不会对人员疏散区域产生影响。

《2 火灾场景设计》

2 火灾场景设计

通过分析可燃物种类、数量及分布和建筑物空间尺寸及功能布局, 对大厅内可能发生的火灾进行火灾场景设计。火灾场景最主要的参数是火灾规模的大小, 通常用热释放速率 (HRR) 曲线来表征。

火灾的整个发展过程可用图1来表示, 一般包括点燃、增长、稳定燃烧、衰减熄灭等阶段。在分析实际工程问题时, 通常可忽略火灾的增长阶段, 将火灾保守地简化为热释放速率恒定的稳定火源。

《图1》

图1火灾发展过程

Fig.1 Fire growth curve

参照上海市工程建设规范 ^[2]给出的各类场所的火灾规模, 设有喷淋的公共场所火灾规模为2.5 MW。考虑到比赛场地装有智能火灾探测器和自动消防水炮, 比传统水喷淋系统能更有效控制大空间内的火灾, 而且木制赛道等体育设施按高标准设计, 管理严格, 发生严重火灾的可能性非常小。因此取安全系数为2, 大厅内火灾规模确定为5.0 MW。

分析大厅自然排烟系统性能设计火灾场景时, 还应考虑排烟面积及分布和补风面积及分布。作者给出2个场景的排烟面积均为120 m², 相当于大厅地面面积的1%, 排烟口位于顶部, 补风面积均为50 m², 补风口位于南北两侧外墙上。大厅的火灾位置选取了影响烟气运动的2个典型位置, 分别为看台区下方和看台区上方。火灾场景的具体特性描述如表1所示。

表1火灾场景的设置

Table 1 Fire scenarios

《表1》

序号	火源位置	火灾增长类型	火灾规模/MW	排烟面积/m²	补风面积/m²
1	看台区下方	稳定火源	5.0	120	50
2	看台区上方	稳定火源	5.0	120	50

《3 数值模拟》

3 数值模拟

大型建筑中使用全尺寸实验来获得火灾蔓延和烟气运动的规律十分困难, 而且需要耗费大量的时间和成本。实际工程中可以采用计算流体动力学 (CFD) 技术, 通过计算机运算求解描述火灾现象的相关数学方程, 来预测火灾时流体流动、热传输、质量传输、化学反应等过程, 来获得火灾蔓延和烟气运动的规律, 从而为建筑防火和排烟设计提供火灾动力学的相关数据。国际上使用CFD技术来模拟火灾蔓延和烟气运动已有很多先例 ^[3,4,5,6]。

《3.1数学模型》

3.1数学模型

CFD方法是通过求解一系列的偏微分控制方程, 包括连续方程、动量方程、能量方程、组分方程等来模拟火灾现象 ^[7,8] 。方程中参数含义请参考文献[7], [8]。

连续方程:

$\frac{\partial ρ}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (ρ u_{i}) = S_{m} (1)$ $\frac{\partial ρ}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (ρ u_{i}) = S_{m} (1)$

动量方程:

$\frac{\partial}{\partial t} (ρ u_{i}) + \frac{\partial ρ}{\partial x_{j}} (ρ u_{i} u_{j}) = - \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + \frac{\partial τ_{i j}}{\partial c_{j}} + ρ g_{i} + F_{i} (2)$ $\frac{\partial}{\partial t} (ρ u_{i}) + \frac{\partial ρ}{\partial x_{j}} (ρ u_{i} u_{j}) = - \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + \frac{\partial τ_{i j}}{\partial c_{j}} + ρ g_{i} + F_{i} (2)$

能量方程:

$\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t} (ρ E) + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (u_{i} (ρ E + p)) = \\ \frac{\partial}{\partial x_{i}} (k_{e f f} \frac{\partial Τ}{\partial x_{i}} - \sum_{j} h_{j} J_{j} + u_{j} (τ_{i j})_{e f f} + S_{h} \end{array} (3)$ $\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t} (ρ E) + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (u_{i} (ρ E + p)) = \\ \frac{\partial}{\partial x_{i}} (k_{e f f} \frac{\partial Τ}{\partial x_{i}} - \sum_{j} h_{j} J_{j} + u_{j} (τ_{i j})_{e f f} + S_{h} \end{array} (3)$

组分方程:

$\frac{\partial p Y_{s}}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (p u_{i} Y_{s} - p D \frac{\partial Y_{s}}{\partial x_{i}}) = S (4)$ $\frac{\partial p Y_{s}}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (p u_{i} Y_{s} - p D \frac{\partial Y_{s}}{\partial x_{i}}) = S (4)$

标准k-ε模型方程:

$\begin{array}{l} ρ \frac{D k}{D t} = \frac{\partial}{\partial x_{i}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{i}}] + G_{k} + G_{b} - ρ ε - Y_{Μ} (5) \\ ρ \frac{D ε}{D t} = \frac{\partial}{\partial x_{i}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{i}}] + \\ C_{1 ε} \frac{ε}{k} (G_{k} + C_{3 ε} G_{b}) - C_{2 ε} ρ \frac{ε^{2}}{k} (6) \end{array}$ $\begin{array}{l} ρ \frac{D k}{D t} = \frac{\partial}{\partial x_{i}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{i}}] + G_{k} + G_{b} - ρ ε - Y_{Μ} (5) \\ ρ \frac{D ε}{D t} = \frac{\partial}{\partial x_{i}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{i}}] + \\ C_{1 ε} \frac{ε}{k} (G_{k} + C_{3 ε} G_{b}) - C_{2 ε} ρ \frac{ε^{2}}{k} (6) \end{array}$

《3.2模拟软件及计算模型》

3.2模拟软件及计算模型

数值模拟软件采用商业CFD软件 FLUENT6.0, 其解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法。作为专业的CFD软件, FLUENT6.0可用来模拟从不可压缩流体到中等程度可压缩流体乃至高度可压缩流体范围内的复杂流场, 其灵活的非结构化网格和基于求解精度的自适应网格以及成熟的物理模型, 使FLUENT6.0在层流、湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得了广泛应用。FLUENT6.0具有强大的后置处理功能, 能够给出速度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图等, 并对用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。

大厅的模型如图2所示, 火源位置1 (对应火灾场景1) , 位于看台区下方, 火源位置2 (对应火灾场景2) 位于看台区上方;中部的2个环形区域为排烟口布置的区域, 排烟口的总面积为120 m²。数值模拟计算采用混合网格 (见图3) 。

《图2》

图2大厅几何模型示意图

Fig.2 Geometric model of bicycle racing centre

《图3》

图3计算网格划分

Fig.3 Calculation grids

《3.3模拟结果》

3.3模拟结果

大厅属于大空间建筑, 火灾烟气有很大的扩散空间, 温度不会很高, 对人员辐射作用很小, 但可能会在到达顶棚之前开始分层, 因此火灾烟气对人员产生的伤害主要是由和人员的直接接触导致。由于观众席成阶梯状, 数值模拟时主要考察距离看台区地面1.8 m处空间曲面的烟气状况。在人员疏散时间内, 如温度高于60 ℃的烟气下降至该空间曲面, 就认为火灾烟气会对人员造成伤害。

在火灾场景1和火灾场景2中, 排烟口处的流速最高, 可达到10 m/s, 火源附近流速次之, 可达到5 m/s, 补风口附近的空气流速也较高, 可达到3 m/s。火源附近以及火源上方区域的温度随着时间逐渐升高。在火灾发生后50 s时热烟气达到排烟口附近, 300 s时热烟气开始影响到整个顶部空间, 600 s时热烟气向整个大厅空间扩散, 并开始影响到离看台区地面1.8m处空间曲面, 900 s时热烟气进一步向整个大厅空间扩散, 对离看台区地面1.8 m处空间曲面的影响加剧 (温度分布图略) 。

在整个900 s的模拟过程内, 除了火源附近, 其它看台区离地面1.8 m处空间曲面没有超过60℃的区域。由于火源附近高温区域范围小, 并且此处人员会很快做出反应, 在火灾对其造成危害之前迅速离开高温区域, 表明大厅内可以得到900 s以上的安全疏散时间。

综合以上分析可以看出, 发生5 MW规模的火灾时, 老山自行车馆大厅设计的自然排烟系统能够保证900 s的安全疏散时间, 满足该建筑消防安全要求。

《4 结语》

4 结语

根据数值模拟的结果, 自行车馆大厅设计的自然排烟系统能够保证900 s的安全疏散时间, 满足该建筑消防安全要求。

该方法对大空间、高屋顶建筑排烟系统性能的评估简便、易行, 可供同类工程借鉴。

展示更多