中庭机械排烟系统的程序模拟.docx

中庭机械排烟系统的程序模拟赵声萍1,郑洁2,雷长平3210009;2.重庆大学,重庆400045;(11南京工业大学城建学院安全工程系,江苏南京31云南昭通卫生学校,云南昭通687000)摘要:机械排烟系统是中庭建筑中使用最为广泛的烟气管理系统之一。文章基于区域模型中庭机械排烟系统的数学模型,编制了相应的模拟程序,并与实体实验和模型实验进行了对比验证,证明了模拟程序的正确性。另外,文章还讨论了排烟风机启动时间与排烟过程的关系,指出启动风机的时间不同,其排烟效果有很大的差别。关键词:中庭;区域模型;模拟程序;机械排烟系统去了解建筑空间的温度分布和速度分布,而且,应用引言中庭建筑以其结构上的通透性和内部环境上的互融性丰富了建筑的情趣与内涵,产生了充满韵味的空间组合,给人以舒适和交流的感觉。但也正是由于中庭的这种建筑特点,使得火灾发生时,火势可以在连通的空间里迅速蔓延,增大了产烟量和发热量。高温火羽流在上升过程中受到周围壁面或房间的冷却作用,烟气层逐渐下降,并侵入到中庭四周的回廊或房间中,致使烟气很快充满整个中庭及相邻的建筑空间,给人员疏散与火灾扑救工作带来极大的困难。中庭建筑防火设计与一般的高层建筑防火设计有很大差别:一般高层建筑的防火设计主要是通过采用防火分区来达到控制火灾、限制烟气在建筑中扩散的目的;而中庭建筑则不同,其防火分区被上下贯通的空间结构所破坏,传统防火设计中水平分区、垂直分隔的方式受到了中庭这种特殊建筑形式的挑战。因此,中庭建筑火灾烟气流动与烟气管理系统的研究,日益成为国际建筑防火领域的热门课题。如何防止火灾蔓延,为灭火救援提供充裕的时间,把人员伤亡、财产损失减少到最低限度,已经成为中庭烟气管理系统必须研究的问题。在烟气管理系统中,机械排烟系统是使用最为广泛形式之一。因此,深入研究中庭机械排烟系统是十分必要的。多年来,许多国家和权威机构对中庭机械排烟系统进行了大量的实验研究,但是实验研究(尤其是实体实验)的成本很高,而且灵活性很差。因此,人们开始使用计算机来进行研究。随着计算机技术的发展,许多学者开始使用CFD(ComputerFluidDynamics)来研究中庭排烟系统。但是,对于工程应用而言,若不是特别需要,并没有必要1对使用者和计算机性能都有较高要求,耗时较CFD长。如何解决这些矛盾引起了大量研究者的兴趣,其中以区域模型为基础开发模拟程序来研究中庭机械排烟系统,不失为一条解决途径。中庭机械排烟系统的数学模型区域模型是目前应用最为广泛的一类火灾模型,它是一种理想化的房间火灾情况。在这种理想化的情况下,房间可分成上部热烟气层和下部冷空气层,假设上、下层的温度均匀一致,且它们之间存在明显的分界线,这里不考虑压力的动态变化,把其视为静压,其它物性参数也按上、下层均匀一致的特点来处理,这样就可把烟气视作一种理想气体,因此,气体状态方程等理想化的方程就适用于火灾烟气,从而可简化火灾模型,增加模拟计算的可行性。基于区域模型,如图1所示,在机械排烟情况下,2图1机械排烟示意图40赵声萍等:中庭机械排烟系统的程序模拟2004年第12期以上部烟气层为对象,由质量守恒定律有:排烟系统的程序模拟根据上述数学模型,笔者采用MATLAB语言编制了机械排烟系统的模拟程序,如图2所示。根据要求,输入相应的数据可得到烟气层高度随时间的变化曲线,并可对计算结果实现放大、缩小、保存、添加坐标等操作。对此程序,本文采用了日本《“建筑物防火设计法的开发”报告书》(第3卷)“414大规模空间烟气制御问题”中的实体中庭火灾实验和笔者所做的模型中庭火灾实验进行了验证。3d(hΘsA)=mα-mαpdt其中:d(hΘsA)——上部烟气层质量随时间的变化率,kg/s;dtmα——烟羽流的质量流量,kg/s;mαp——排烟风机的排烟量,kg/s。采用Zukoski提出的烟羽流质量流量模型,有:21/3Q1/3z5/3Θagmα=0.21cCpTa视烟气作为理想气体,则有:根据质量守恒定律有:Qc=Cpmα(Ts-Ta)+hAw(Ts-Ta)若排烟风机的体积流量为Vp,则其排烟的质量流率为:mαp=ΘsVp假设在火灾发生后t0秒排烟风机启动,则排烟的初值条件可由烟气填充公式确定。所以,机械排烟系统的数学模型如式(1)所示。ΘsTs=ΘaTad(hΘsA)=mα-mαpdt21/3Q1/3z5/3Θagmα=0.21cCpTa1/3-3/2Qg-2/3zft=t0=0.12t+H(1)ΘCTA3apa图2机械排烟系统模拟界面(1)实体中庭火灾实验的验证建筑原型的特征尺寸(长×宽×高)为:30m×24m×2613m;火灾设计负荷Q=1300kW;环境温度Ηa=13℃;排烟量Vp=6m3/s;排烟风机在点火前开启,所以排烟风机开启时间t0=0s;排烟终止时间tz=36