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摘要:现如今水喷淋系统和防排烟系统越来越多地使用于各类建筑中,而两者的相互作用一直是饱受争议的一大难题。本文利用FDS软件对机械排烟开启作用下喷头响应的影响进行模拟,通过对喷头响应时间和温度的测量分析,得出一定条件下机械排烟有利于喷头动作的结论。
关键词:喷头响应 排烟 对流 数值模拟
随着我国经济社会的飞速发展,各种高低不一、外形各异、功能不同的建筑物拔地而起,地下建筑工程也日益兴起。为了确保人民的生命财产安全,建筑防火设计已成为建筑设计中不可或缺的组成部分,建筑消防设施的发展也渐渐被社会所接受。水喷淋系统和防排烟系统都是常见的建筑消防设施。火灾发生时,水喷淋系统可自动启动并喷水灭火,使火灾在初期就能够及时得到控制,从而最大限度的减少火灾损失,同时防排烟系统能够有效地将烟气控制在一定的范围内或者排出室外,为人员安全疏散提供有利条件。对于建筑物中机械排烟与喷淋的相互作用如何,影响是大还是小,目前争议还比较大。一方面要安全又经济地控火或灭火,只希望喷头能尽早地动作。另一方面为了避免建筑物内浓烟聚集,尽早开启向上的通风口也是十分重要的。而这两者往往不可能同时进行,且一旦喷水,烟和热气冷却沉降下来,排烟的效果也就不那么明显了。是先开喷水或是先开排烟,目前学术界还没有一个统一的答案。
对于热的流体而言,流体流速越快,对流换热系数h越大,有利于对流换热的进行。在实际工况中我们希望水喷淋喷头能够在周围温度达到其设定温度后迅速启动,而对流换热是喷头温升的主要影响因素,所以加强喷头附近烟气的对流是一个重要的课题。由此做出猜想,当排烟风机与喷头相隔不远时,风机排烟所引起的烟气流动是否会加快喷头与烟气的换热,从而对喷头的动作时间产生积极影响?
根据上述猜想笔者采用FDS软件对排烟风机对喷头相应的影响进行模拟。FDS软件由美国NIST开发,主要用于工业火灾数值模拟。该软件能够得到真实的瞬态流场分布情况,如详细的温度、烟气及各组分气体的分布数据,并可对计算结果进行可视化处理且精度很高。
1.建立模型
1.1燃烧情景设定
笔者选取的模型对象为长6m、宽3m、高3m的走廊。在走廊的左侧屋顶设置一0.6m×0.6m的排烟风口。走廊另一侧屋顶设置一标准喷头,动作温度为68℃。同时在角落设置一与排烟风口相同大小的补风口。
1.2火源设定
将火源设定为一个面积为0.36,单位面积的热释放速率为 5000kW的火源。并且设定了两种火源位置,一种位于喷头与排烟风口的中间正下方,另一种位于喷头右侧下方。
1.3网格的设置
将X轴方向上的网格大小设为0.1m,划分60个网格,Y轴方向上的网格大小设为0.1m,划分30个网格,Z轴方向上的网格大小设为0.1m,划分30个网格,整个模型共划分为5.4 万个网格。
1.4测量点的选定
选定的测量温度点在整个模型的屋顶中心线上,沿X轴方向设置了3个测点,沿Y轴方向设置了2个测点,每个测量点的间距为 0.5m。
图一为第一组模型,图二为第二组模型。
2.模拟工况设计
模拟最初分为两组,分别改变了火源位置。第一组位于靠近排烟口与喷头中间,第二组位于靠近喷头位置。每组模拟五次,变量为有无风机和排风口风速依次为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s,排风口为开启状态。测量喷头动作时间和屋顶处喷头周围测点温度变化情况。
3.模拟结果分析
3.1喷头动作时间
从第一组模拟结果来看,当火源位于排烟口和喷头中间下方时,通过测量发现排烟口未开启时喷头动作时间最短,排烟口开启时喷头动作时间较未开启时略有增加。随着排烟口风速增加,喷头动作时间变化不大。显然,这是因为排烟口的开启使得烟气携带热量迅速排出,减弱了烟气与喷头的传热。另外,在火源距离喷头和排烟口较近的情况下,排烟口的风速变化对喷头动作的影响不大。
从第二组模拟结果来看,当排烟口风速为2m/s时喷头的动作时间最短。几次改变风速模拟得到的喷头动作时间结果呈现出上下波动的情况。说明此种条件下排烟风机的启动对于喷头与烟气的传热产生了一定的积极影响。
对比两组模拟来看,整体上第二组比第一组喷头动作时间长。从排烟风机的影响效果来看,第一组排烟作用对喷头动作影响不显著,而第二组模拟中排烟对喷头周围的对流产生积极效果,并且从直观数据上看当排烟口风速为2m/s时效果最显著。另外,发现风机、火源同喷头的相对位置的不同对喷头动作会产生不同的影响。
3.2温度
由于第一组模拟中排烟对于喷头动作的影响较小,因此不再分析其温度变化情况。图四为选取的第二组中位于排烟口与喷头之间中轴线上的测点图。当排烟口风速为2m/s时,模拟开始后测点温度迅速上升到达峰值,随后保持在较高温度范围。随着排烟口风速加大,测点温度峰值降低,随后下降到较低的温度范围。显然,因为排烟风机处于排烟风速较高状态时,排烟效率较高,但同时带走了大量热,使得屋顶温度降低。对比风速为2m/s与无风机的曲线,发现风速为2m/s时喷头动作前的测点温度高于无风机情况下的测点温度。可能的原因是排烟风机的作用加快了屋顶烟气的流动,从而加强了屋顶与烟气的对流换热,相比无风机作用时温度有所升高。同时也表明当风速为2m/s时,排烟的效果会在一定程度上有利于喷头附近的对流,加快喷头动作。
4.结论
在一定条件下,排烟风机的作用会加强临近喷头周围的对流,加快喷头动作。对于这种现象存在一个风机运行的最佳风速值,当高于或低于这个值时排烟风机作用对喷头附近对流增强的效果会减弱,风速过高时排出的烟气会带走大量热,使得喷头动作时间加长。对于排烟风机作用效果与喷头相对位置的关系还不明确,走廊墙壁阻挡、风机排烟及顶棚射流的共同作用也会对烟气的流动和喷头动作产生影响,这些还有待更深层次的研究。
参考文献
[1]刘淑金.浅析影响洒水喷头动作的诸因素[J].公安部四川消防科研所
[2]林建动.排烟设备与撒水设备交互影响特性之研究[D].台湾:国立云林科技大学
[3]张学魁.建筑灭火设施[M].北京.中国人民公安大学出版社.2004.3
[4]杜红.防排烟工程[M]. 北京.中国人民公安大学出版社.2003.1
作者简介:黄河 男(1989-)中国人民武装警察部队学院 研究生二队
田英男 男 (1990-) 中国人民武装警察部队学院 研究生二队
关键词:喷头响应 排烟 对流 数值模拟
随着我国经济社会的飞速发展,各种高低不一、外形各异、功能不同的建筑物拔地而起,地下建筑工程也日益兴起。为了确保人民的生命财产安全,建筑防火设计已成为建筑设计中不可或缺的组成部分,建筑消防设施的发展也渐渐被社会所接受。水喷淋系统和防排烟系统都是常见的建筑消防设施。火灾发生时,水喷淋系统可自动启动并喷水灭火,使火灾在初期就能够及时得到控制,从而最大限度的减少火灾损失,同时防排烟系统能够有效地将烟气控制在一定的范围内或者排出室外,为人员安全疏散提供有利条件。对于建筑物中机械排烟与喷淋的相互作用如何,影响是大还是小,目前争议还比较大。一方面要安全又经济地控火或灭火,只希望喷头能尽早地动作。另一方面为了避免建筑物内浓烟聚集,尽早开启向上的通风口也是十分重要的。而这两者往往不可能同时进行,且一旦喷水,烟和热气冷却沉降下来,排烟的效果也就不那么明显了。是先开喷水或是先开排烟,目前学术界还没有一个统一的答案。
对于热的流体而言,流体流速越快,对流换热系数h越大,有利于对流换热的进行。在实际工况中我们希望水喷淋喷头能够在周围温度达到其设定温度后迅速启动,而对流换热是喷头温升的主要影响因素,所以加强喷头附近烟气的对流是一个重要的课题。由此做出猜想,当排烟风机与喷头相隔不远时,风机排烟所引起的烟气流动是否会加快喷头与烟气的换热,从而对喷头的动作时间产生积极影响?
根据上述猜想笔者采用FDS软件对排烟风机对喷头相应的影响进行模拟。FDS软件由美国NIST开发,主要用于工业火灾数值模拟。该软件能够得到真实的瞬态流场分布情况,如详细的温度、烟气及各组分气体的分布数据,并可对计算结果进行可视化处理且精度很高。
1.建立模型
1.1燃烧情景设定
笔者选取的模型对象为长6m、宽3m、高3m的走廊。在走廊的左侧屋顶设置一0.6m×0.6m的排烟风口。走廊另一侧屋顶设置一标准喷头,动作温度为68℃。同时在角落设置一与排烟风口相同大小的补风口。
1.2火源设定
将火源设定为一个面积为0.36,单位面积的热释放速率为 5000kW的火源。并且设定了两种火源位置,一种位于喷头与排烟风口的中间正下方,另一种位于喷头右侧下方。
1.3网格的设置
将X轴方向上的网格大小设为0.1m,划分60个网格,Y轴方向上的网格大小设为0.1m,划分30个网格,Z轴方向上的网格大小设为0.1m,划分30个网格,整个模型共划分为5.4 万个网格。
1.4测量点的选定
选定的测量温度点在整个模型的屋顶中心线上,沿X轴方向设置了3个测点,沿Y轴方向设置了2个测点,每个测量点的间距为 0.5m。
图一为第一组模型,图二为第二组模型。
2.模拟工况设计
模拟最初分为两组,分别改变了火源位置。第一组位于靠近排烟口与喷头中间,第二组位于靠近喷头位置。每组模拟五次,变量为有无风机和排风口风速依次为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s,排风口为开启状态。测量喷头动作时间和屋顶处喷头周围测点温度变化情况。
3.模拟结果分析
3.1喷头动作时间
从第一组模拟结果来看,当火源位于排烟口和喷头中间下方时,通过测量发现排烟口未开启时喷头动作时间最短,排烟口开启时喷头动作时间较未开启时略有增加。随着排烟口风速增加,喷头动作时间变化不大。显然,这是因为排烟口的开启使得烟气携带热量迅速排出,减弱了烟气与喷头的传热。另外,在火源距离喷头和排烟口较近的情况下,排烟口的风速变化对喷头动作的影响不大。
从第二组模拟结果来看,当排烟口风速为2m/s时喷头的动作时间最短。几次改变风速模拟得到的喷头动作时间结果呈现出上下波动的情况。说明此种条件下排烟风机的启动对于喷头与烟气的传热产生了一定的积极影响。
对比两组模拟来看,整体上第二组比第一组喷头动作时间长。从排烟风机的影响效果来看,第一组排烟作用对喷头动作影响不显著,而第二组模拟中排烟对喷头周围的对流产生积极效果,并且从直观数据上看当排烟口风速为2m/s时效果最显著。另外,发现风机、火源同喷头的相对位置的不同对喷头动作会产生不同的影响。
3.2温度
由于第一组模拟中排烟对于喷头动作的影响较小,因此不再分析其温度变化情况。图四为选取的第二组中位于排烟口与喷头之间中轴线上的测点图。当排烟口风速为2m/s时,模拟开始后测点温度迅速上升到达峰值,随后保持在较高温度范围。随着排烟口风速加大,测点温度峰值降低,随后下降到较低的温度范围。显然,因为排烟风机处于排烟风速较高状态时,排烟效率较高,但同时带走了大量热,使得屋顶温度降低。对比风速为2m/s与无风机的曲线,发现风速为2m/s时喷头动作前的测点温度高于无风机情况下的测点温度。可能的原因是排烟风机的作用加快了屋顶烟气的流动,从而加强了屋顶与烟气的对流换热,相比无风机作用时温度有所升高。同时也表明当风速为2m/s时,排烟的效果会在一定程度上有利于喷头附近的对流,加快喷头动作。
4.结论
在一定条件下,排烟风机的作用会加强临近喷头周围的对流,加快喷头动作。对于这种现象存在一个风机运行的最佳风速值,当高于或低于这个值时排烟风机作用对喷头附近对流增强的效果会减弱,风速过高时排出的烟气会带走大量热,使得喷头动作时间加长。对于排烟风机作用效果与喷头相对位置的关系还不明确,走廊墙壁阻挡、风机排烟及顶棚射流的共同作用也会对烟气的流动和喷头动作产生影响,这些还有待更深层次的研究。
参考文献
[1]刘淑金.浅析影响洒水喷头动作的诸因素[J].公安部四川消防科研所
[2]林建动.排烟设备与撒水设备交互影响特性之研究[D].台湾:国立云林科技大学
[3]张学魁.建筑灭火设施[M].北京.中国人民公安大学出版社.2004.3
[4]杜红.防排烟工程[M]. 北京.中国人民公安大学出版社.2003.1
作者简介:黄河 男(1989-)中国人民武装警察部队学院 研究生二队
田英男 男 (1990-) 中国人民武装警察部队学院 研究生二队