基于湍流大涡算法的防护工程火灾烟气扩散仿真研究

邓忠凯，茅靳丰，周 进

(解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

基于湍流大涡算法的防护工程火灾烟气扩散仿真研究

邓忠凯，茅靳丰，周 进

(解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

以气体流动控制方程为基础，基于湍流大涡算法对设置挡烟垂壁的防护工程烟气扩散情况进行仿真研究，以烟气扩散范围和温度来评价挡烟垂壁的设置对火场烟气扩散的影响。仿真结果表明：挡烟垂壁的设置使走廊顶棚处形成蓄烟池，有效减小了烟气的扩散范围；垂壁设置个数越多、下垂高度越大对烟气扩散的阻挡效果越明显。

湍流大涡算法；烟气扩散；防护工程；挡烟垂壁

0 引言

防护工程是一种相对封闭且与外界连通有限的地下空间，遇袭、工程内部线路老化或人员偶然因素都可能引起火灾，火灾产生的高温烟气对人员疏散造成巨大威胁。挡烟垂壁对建筑内部火灾烟气的扩散具有较好的阻挡作用，在工程中已得到越来越多的应用[1-3]，因此研究挡烟垂壁在工程中的防烟作用具有重大意义。

由于火灾实验的破坏性，利用数值模拟对烟气在工程内扩散情况进行研究已成为当今较为重要的研究手段，国内外学者对其进行了大量的研究[4]。本文在Fire Dynamic Simulator平台上，以湍流大涡算法对设置挡烟垂壁的防护工程烟气扩散情况进行了仿真研究。

1 数学模型

火灾发生后，烟气在工程内的流动是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则运动，烟气的各种物理参数都随时间和空间发生变化。

1.1流动控制方程

烟气的流动遵循能量质量守恒定律：连续性方程、组分方程、动量方程、能量守恒方程和理想气体状态方程。

连续性方程：

(1)

组分方程：

(2)

动量方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

理想气体状态方程：

(5)

1.2湍流大涡算法

烟气的流动是一种湍流现象，湍流流体中的各种物理参数(速度、压力、温度等)随时间和空间的变化均会随机地发生难以预测的变化，从物理结构上来看，可以把涡流看作是各种不同尺度的涡旋叠加而成的流动，但这些涡旋旋转的方向和尺度的大小是随机的，正是流体内这些不同尺度的涡旋随机运动使湍流表现出一个重要特点——物理量的脉动[5]。

湍流涡旋认为大尺度涡导致了湍流中的脉动与混合，大尺度涡的能量从主流中获得，并且这些涡非各向同性，同时随流动而异，大尺度涡与小尺度涡在湍流中相互作用，这样大尺度涡就把能量传递给小尺度的涡，因此小尺度涡的主要作用认为是耗散能量，并且它们几乎各向同性，不同流动中的小尺度涡也有许多共性。

湍流大涡算法采用了低马赫数下的三维可压缩Navier-Stokes方程，结合Smgaorinsky亚格子尺度模型对火灾热羽流驱动的烟气输运进行数值模拟。Smgaorinsky亚格子模型中，流体的导热系数和物质扩散系数可以表示为：

(6)

其中：Sct为流体施密特数；Prt为湍流普朗特数；cp为流体定压比热，单位为J/(kg·K)。

Smgaorinsky亚格子模型对湍流粘性的考虑为：

(7)

其中：Δ=(δxδyδz)1/3；Cs为Smgaorinsky常数；μLES为流体动力粘性系数，单位为Pa·s。

由于浮力与湍流的相互作用表现在对大涡输运过程的影响上，而小涡则表现出强烈的随机特性，故小涡几乎不受浮力的影响，所以湍流大涡算法能够较好地处理浮力和湍流之间的相互作用，可以求解出较为精细的湍流结果[6]。

2 结果与分析

防护工程一般处于地下，通风条件受限，走廊狭长，通常可以将内部结构简化为单室走廊火灾模型[7]。故以“单室—走廊”为研究对象，火源选用欧洲标准火庚烷火[8]，火源模型为快速增长t2火模型。通过分析热释放速率最大时走廊内烟气特征参数(扩散范围、温度)，得出挡烟垂壁对烟气扩散的影响。

2.1烟气扩散

火灾时烟气的流动规律使用烟灰浓度来反映，如图1、图2所示。黑色部分即为烟灰，颜色越深表示烟灰浓度越高，相反则越低。

由图1可知，在火灾发生后同一时间，不设置挡烟垂壁(自然扩散)时，烟气在走廊内扩散范围要比设置挡烟垂壁的情况大，走廊充满高温烟气。从烟气前锋位置可以

图1 h=0.9时不同间距对烟气控制效果

看出，当走廊内平均分布的垂壁个数越多时，形成的蓄烟池个数越多，对烟气在走廊纵向扩散的阻挡效果越明显。

由图2可知，当垂壁个数一定时，下垂高度越大，蓄烟池的容积越大，在相同时间内蓄烟量越多，对烟气扩散的阻挡效果越明显。

图2 n=5时不同下垂高度对烟气控制效果

2.2温度分布

火灾发生时，由于可燃物的剧烈燃烧，会产生大量的高温烟气，超过50 ℃的烟气会造成人体呼吸系统的严重不适，严重时会造成生命危险，因此走廊内的烟气温度是评价人员安全标准的重要参数，也是火灾研究者的重点研究对象。在走廊中间人眼特征高度处平均布置9个温度测点。

从图3可以看出，自然扩散时各测点的烟气温度分布沿走廊变化趋于一致，且同一时间各测点温差相差不大，因为走廊没有垂壁的阻挡作用，烟气在纵向扩散过程中，只通过与周围壁面和下层冷空气传热散失热量，相较于设置垂壁工况，并不具有蓄烟池对烟气的累积和阻挡作用，故自然扩散时的纵向温度衰减均匀且相对较小。

图3 h=0,n=0工况下走廊各测点温度变化

从图4可以看出，当设置下垂高度h=0.9 m，个数n=5的垂壁时，同一时间内走廊烟气温度分布沿纵向呈明显的温度分布梯度，随着纵向距离的增加，走廊内烟气温度逐渐变低。

其次，在火灾发生前300 s，烟气在设有挡烟垂壁的走廊内最高温度达到400 ℃，远高于不设挡烟垂壁的温度值(250 ℃)，且离着火房间越近，烟气温度变化越大，离着火房间较远处，烟气温度变化较小。主要由于挡烟垂壁间形成的蓄烟池使得烟气聚集，减缓烟气扩散速度，烟气与周围冷空气对流换热和对周围围护结构辐射换热量增大。在靠近火源的走廊内换热量较大，测点温度较高，远离火源测点位置烟气温度较低。

图4 h=0.9,n=5工况下走廊各测点温度变化

图5表示当火源热释放速率达到最大时，走廊末端测点9的温度在所有工况下的对比图。从图中可以看出，走廊内设置挡烟垂壁后，各测点烟气温度明显降低。同一时刻下设置挡烟垂壁与不设挡烟垂壁对走廊末端温度影响达到12.4%～52.9%，且垂壁下垂高度越大，设置个数越多，对走廊末端烟气的温降效果越明显。

图5 测点9在各工况下温度对比

当垂壁下垂高度一定时，走廊内垂壁设置个数不同，走廊另一端温度的变化范围也不同。垂壁设置个数越多，走廊另一端降温效果越明显。对垂壁设置为h=0.9 m，n=5个的走廊末端温度最大降幅达到40%。当设置个数一定时，对垂壁下垂高度而言，具有相同的变化趋势，主要表现为垂壁下垂高度越大，温度降幅效果越明显。对比分析同一下垂高度不同垂壁个数与同一垂壁个数不同下垂高度测点9的温度差值可以看出，下垂高度相同时走廊垂壁个数的设置对烟气温降效果大于垂壁个数相同时下垂高度对烟气的温降效果。

3 结论

本文以气体流动控制方程为基础，基于湍流大涡算法对设置挡烟垂壁的防护工程烟气扩散情况进行了研究分析，结果表明：

(1)挡烟垂壁的设置使得走廊顶棚处形成蓄烟池，有效减小了烟气的扩散范围。

(2)走廊内挡烟垂壁的下垂高度和个数的设置对烟气特征参数均有影响。主要表现为挡烟垂壁个数的设置对烟气特征参数的影响效果大于下垂高度对烟气特征参数的影响效果。

(3)通过比较所有工况发现，挡烟垂壁设置个数越多、下垂高度越大对烟气扩散的阻挡效果越明显。

[1] 王成财. 高层建筑挡烟垂壁阻烟效果数值分析[J]. 消防科学与技术, 2015,34(3):340-342.

[2] 郭增辉, 何其泽, 黎昌海. 挡烟垂壁与排烟口设置对烟气层高度的影响[J]. 消防科学与技术, 2013, 32(8):841-843.

[3] 沙强, 杨雨铮. 挡烟垂壁对中庭式图书馆烟气蔓延的控制作用[J]. 建筑工程技术与设计, 2014(26):565.

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[5] 李炎锋,李俊梅. 建筑火灾安全技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2009.

[6] 胡隆华.隧道火灾烟气扩散的热物理特性研究[D].合肥：中国科学技术大学, 2006.

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Simulation on smoke diffusion in protective engineering fire based on turbulent large eddy algorithm

Deng Zhongkai, Mao Jinfeng, Zhou Jin

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China )

The smoke diffusion in protective engineering fire with smoke screen was simulated based on the turbulence large eddy algorithm, which based on air flow control equation in general. The effect of smoke screen on smoke diffusion was assessed by smoke diffusion range and temperature. The result shows that smoke screen shaped the smoke pools near the corridor ceiling, which effectively reduced the diffusion range of smoke. The more the number of smoke screen was and the greater the drooping height was, the more obvious the obstruction effect on smoke diffusion was.

turbulent large eddy algorithm; smoke diffusion; protective engineering; smoke screen

TU998.1

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.004

邓忠凯，茅靳丰，周进.基于湍流大涡算法的防护工程火灾烟气扩散仿真研究[J].微型机与应用，2017,36(17)：12-14.

2017-03-15)

邓忠凯(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：烟气扩散，人员疏散仿真。茅靳丰(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：工程内部设备及系统防护研究。周进(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：烟气扩散，人员疏散仿真。