诱导通风系统用于地下停车场烟气控制的数值模拟

李倩倩 王旭

摘 要：为了研究诱导通风系统对地下停车场火灾烟气控制的影响。文章以某地下停车库为模型，应用FLUENT软件分别模拟不同诱导风机出口风速、不同排烟量时停车场内烟气温度以及CO2浓度的分布情况。模拟结果显示：诱导通风系统可以有效控制火灾烟气任意扩散，加速烟气向排烟口运动；降低火源上游烟气温度和烟气浓度，从而提高能见度，为人员逃生和消防人员进行救援提供一条有效路径。

关键词：诱导通风系统；火灾；烟气控制；地下停车场；数值模拟

中图分类号：TU926 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0058-03

Abstract： In order to study the influence of induced ventilation system on fire smoke control in underground parking lot. This paper takes an underground parking garage as a model and simulates the distribution of flue gas temperature and CO2 concentration in the parking lot with different induced fan outlet wind speed and different exhaust smoke quantity respectively by using fluent software. The simulation results show that the induced ventilation system can effectively control the arbitrary diffusion of fire smoke， accelerate the movement of smoke to the flue gas outlet， reduce the smoke temperature and smoke concentration in the upper reaches of the fire source， and thus improve the visibility， so as to provide an effective path for the personnel escape and rescue fire personnel.

Keywords： induced ventilation system； fire； smoke control； underground parking lot； numerical simulation

1 概述

近年來，随着汽车数量的增加、城市地下空间的开发利用，地下停车库被大量兴建。由于地下车库是相对封闭的受限空间、通风条件差，一旦发生火灾，会造成巨大的财产损失和大量的人员伤亡。因此，排烟系统的合理有效性对地下车库消防安全问题至关重要。

目前我国地下车库通风与排烟系统中，通常将送风系统兼做排烟时的补风系统，排烟系统和排风系统共用管道和风机[1]。然而对于地下车库这样层高低，面积大的空间，风管排烟系统有以下缺点问题：第一，车库顶部空间管道相互重叠、上下交错，这既影响了美观和视觉障碍感，也影响了车库的使用空间，并给工程技术人员现场勘查、施工带来了较大的困难；第二，排烟口不可能进行非常密集的布置，排烟风速有一定限制，将造成车库内气流流动不均衡，易出现气流“死区”。随着射流技术的发展，纵向通风技术广泛应用于地下车库类大空间建筑的通风，这种系统称为无风管诱导通风系统。该系统主要由送风风机、多台诱导风机以及排风风机组成，借助于喷嘴高速喷出的少量气体来接力诱导周围的大量空气至排风口， 该通风方式能够在无风管的条件下， 形成从送风机到排风机的定向空气流动， 达到通风换气的目的。这种系统与常规通风方式相比具有以下显著优点[2]：一是节省车库空间，施工简单，无需平衡风量，系统美观大方；二是气流组织好，可消除气流停滞死区；三是可有效降低建筑层高，节省土建投资；四是系统日常维修、维护方便。本文将应用数值模拟的方法对诱导通风系统用于地下停车场火灾烟气控制进行研究。

2 数值模型的建立

2.1 物理模型及网格划分

模拟采用FLUENT14.5，计算域为60m×30m×3m的两端开口的矩形停车场。诱导风机为长597mm、半径为140mm的圆柱体，诱导风机水平安装、底部距车库地面2.5m，共均匀布置30台。补风口设置在顶棚西侧，大小为2.5m×1.5m，排烟口在顶棚远离补风口的对角一侧，大小为2m×1.5m。火源位置设置在地下车库的中央位置。

本文采用四面体网格进行网格划分，为了保证计算精度、加快计算收敛速度，在网格划分时对补风口、排烟口、火源、诱导风机区域进行局部网格加密。计算域内最大网格尺寸设为1m，补风口、排烟口和火源网格最大尺寸设为0.1m，诱导风机处网格最大尺寸设为0.01m，最小体网格为1.435972e-06，最终生成网格数量为475082。

2.2 模型参数设置

2.2.1 排烟量的计算

按照《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》（GB50067-2014）[3]中对地下车库排烟量的计算采用换气次数方法进行估算：

Lp=S×H×N （1）

Lb=0.8Lp （2）

其中，Lp为排烟量（m3/h）；S为停车场面积（m2）；H为车库层高（m）；N为换气次数（次/h）；Lb为补风量（m3/h）。

2.2.2 火灾参数设置

火源燃烧模型选用体积热源法进行模拟，根据英国BS7346-7-2006[4]规范对小汽车燃烧最大热释放速率的建议，选取火源功率为4MW，火源大小为2m×5m；选用Heskestad羽流模型[5]计算烟气的释放量为13.2kg/s。

2.2.3 边界条件设置

车库两端汽车出入口设置为压力边界条件，相对总压为0Pa；其他墙壁包括地面与顶棚均为无滑移壁面边界条件，其材料为钢筋混泥土，密度为2551kg/m3、导热系数为1.74w/m·k、比热容为1500J/kg·k、传热系数为0.58w/m2·k，壁面厚度设为0.2m；诱导风机的边界条件设定为FLUENT自带的fan内部边界条件。

2.3 模拟工况的设置

为了研究排烟量、诱导风机出口风速对排烟效果的影响，本章共设计了6种模拟工况进行计算，其具体工况参数设置如表1所示。

3 模拟结果与分析

图1为模拟不同排烟量时，y=15m纵剖面处烟气温度分布对比图，图2为模拟不同排烟量时，地下车库内CO2浓度分布对比图。

3.1 不同排烟量的模拟研究

通过图1（a）-（c）我们可以看出：（1）火源及其上方烟气温度最高，火源上游的温度低于火源下游的温度；（2）当排烟量从64800m3/h（图1a）增加到81000m3/h（图1b）时，火源上游温度降低，冷空气区域增加，但变化幅度较小，这说明这两种排烟量时都不能将风机诱导至排烟口的烟气及时排除，导致烟气回流；（3）当排烟量增加到97200m3/h（图1c）时，火源上游的烟气温度明显减低，冷空气区域显著增加，这是由于排烟风机在该排烟量下能及时将下游聚集的烟气排出地下车库。

通过图2（a）-（c）中我们可以看出：（1）车库内火源和火源上方附近CO2浓度最高，火源下游的CO2浓度高于火源上游，这是由于车库补风和诱导风机共同作用的结果；（2）当排烟量从64800m3/h（图2a）增加到81000m3/h（图2b）时，车库内CO2浓度分布变化不明显；（3）当排烟量增加到97200m3/h（图2c）时，火源上游的CO2浓度减小，这是由于排烟风机在该排烟量下能及时将下游聚集的烟气排出地下停车场。因此，增加排烟量会降低地下车库烟气浓度，从而提高停车场内能见度。

3.2 不同诱导风机出口风速的模拟研究

通過图1（a）、（d）、（e）和图2（a）、（d）、（e）可以看出：在排烟量均为64800m3/h，诱导风机出口风速从13m/s提高到15m/s时，火源上下游温度均显著提高，而出口风速继续增加到18m/s时，火源下游温度不仅没有继续降低反而会有稍许回升。这是由于诱导风机风速过高时，诱导至排烟口的烟气因不能及时排出而聚集在下游，另外风速越高带给烟气的动量增加，烟气撞击到下游墙壁的力增加，导致烟气回流现象加强。由图1（c）、（f）和图2（c）、（f）可以看出，在烟排量均为97200m3/h时，诱导风机风速从13m/s增加到18m/s时，车库内温度和CO2浓度均明显降低，排烟效果显著改善。由此可以说明，提高诱导风机风速可以提高排烟效果，但同时在排烟量较低的时候，一味地过度增速则不能达到提高排烟效率的目的。

4 结束语

通过对地下停车场诱导通风辅助排烟系统进行数值模拟，得出结论如下：在诱导风机出口风速一定时，排烟量的增大会改善排烟效果；在合适的排烟量下，增大诱导风机出口风速可以提高诱导排烟系统的排烟能力，但诱导风机出口风速的提高会受到排烟量的限制。

参考文献：

[1]任进.地下车库通风及排烟系统分析与应用[D].西安：西安建筑科技大学，2013.

[2]张靖岩，肖泽南.射流风机用于地下车库类建筑防排烟的可行性探讨[J].中国安全生产科学技术，2008（01）：21-24.

[3]GB50067- 2014.汽车库、修车库、停车场设计防火规范[S].

[4]BS7346-7：2013，“Components for Smoke and Heat Control Systems Part /： Code of Practice on Functional Recommendations andCalculation Methods for Smoke and Heat Control Systems for CoverCar Parks”， The British Standards Institution， 2013.

[5]张学魁.火灾烟气生成量的实验测量及其工程计算方法[J].消防技术与产品信息，2006（10）：21-25.

[6]刘茁.地下车库通风排烟设计[J].科技创新与应用，2012（04）：167.

[7]贾天耀，王俊，孙春光.地下停车库实地全尺寸热烟测试试验研究[J].科技创新与应用，2017（08）：53-54.