高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬課件

1、高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬研究內(nèi)容展示高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬研究背景模型建立與結(jié)果分析收獲總結(jié)內(nèi)容高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬研究背景模型建立與結(jié)果分析收獲總結(jié)內(nèi)容第一部分研究背景研究背景總體概況高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬高層建筑因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,人員密度大,可燃物較多,火災(zāi)正成為建筑最大的安全隱患。由于火災(zāi)煙氣的極大危害性,建筑物的防排煙設(shè)計(jì)成為建筑設(shè)計(jì)和消防工作人員十分關(guān)注的問題。因此，在火災(zāi)發(fā)生后模擬建筑內(nèi)部煙氣流動(dòng)的狀況就顯得十分重要。1.1 1.1 概述概述高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬火災(zāi)煙氣流動(dòng)研究主要有兩種方法:一是火災(zāi)煙氣流實(shí)體試驗(yàn)；二是采用計(jì)算機(jī)模擬。計(jì)

2、算機(jī)模擬采用數(shù)學(xué)模型，借助數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其計(jì)算精度高、代價(jià)低，有很高的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性?？捎糜诨馂?zāi)模擬的軟件有FLUENT、FDS與PHOENICS等，本文是用FLUENT來模擬高層建筑走廊排煙。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬1.2 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)外現(xiàn)狀u 國內(nèi)現(xiàn)狀重慶大學(xué)劉方利用PHOENICS對(duì)中庭火災(zāi)的煙氣流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。哈爾濱工業(yè)大學(xué)邱旭東將場(chǎng)模型FDS與區(qū)域模型CFAST整合，以場(chǎng)區(qū)復(fù)合模型模擬起火層煙火運(yùn)動(dòng)過程。u 國外現(xiàn)狀W.Z.Black運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件COSMO模擬了高層建筑火災(zāi)中煙氣在電梯井中的運(yùn)動(dòng)特性。N.D.Pope通過場(chǎng)模擬軟件FDS模擬了建筑內(nèi)部

3、火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度隨時(shí)間的變化，并和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.12.1建筑防排煙方式建筑防排煙方式建筑的防排煙主要有三種方式:自然排煙、機(jī)械排煙、機(jī)械防煙 。本文通過數(shù)值模擬的方法,比較了三種排煙方式下的煙氣擴(kuò)散特點(diǎn),為建筑的防排煙設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。圖圖1 1 建筑防排煙方式建筑防排煙方式高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.22.2物理模型物理模型本文中模擬的模型為上海某民用辦公樓的第十層，走廊長30m，寬2.5m，高3m。走廊平面圖如圖2所示。在建模時(shí)，對(duì)走廊做簡化處理，在模型中只畫出著火房間，樓梯間以及走廊。圖圖2 2 條形走廊模型平面圖條形走廊模型平面圖高層建筑走

4、廊排煙的數(shù)值模擬2.32.3數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型火災(zāi)現(xiàn)象可分為兩個(gè)相互影響的過程：一是可燃物的燃燒過程，二是煙氣的流動(dòng)過程。因此這兩個(gè)過程對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型分別是燃燒模型和流動(dòng)模型。 基本控制方程 湍流模型 輻射模型 燃燒模型高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.3.12.3.1基本控制方程基本控制方程 質(zhì)量守恒方程 動(dòng)量守恒方程 能量守恒方程 組分質(zhì)量守恒方程()0divvt()xyxxxzypppuuuuuvwpFtxyzxyz()()()()U(grad)TTuTvTwTtxyzpdivdivTS ()()SSsSSCdivuCdiv D gradCSt高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.3.22.3.2湍流

5、模型湍流模型所謂湍流模型就是把湍流的脈動(dòng)值附加項(xiàng)和時(shí)均值聯(lián)系起來的一些特定關(guān)系式。目前采用的數(shù)值計(jì)算方法可以大致分為以下三類： 直接模擬 大渦模擬 雷諾時(shí)均方程模擬目前工程上處理湍流所采用的基本方法是雷諾(Reynolds)時(shí)均方程法。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬湍流模型的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單易用，計(jì)算量較小，可廣泛應(yīng)用于模擬工程問題，但該方法的出發(fā)點(diǎn)是基于Boussinesq假設(shè)。計(jì)算湍流流動(dòng)的關(guān)鍵就在于如何確定粘性系數(shù)，在這里也就是指把粘性系數(shù)與湍流時(shí)均參數(shù)聯(lián)系起來的關(guān)系式，包括：零方程模型、一方程模型和兩方程模型。本文運(yùn)用的是兩方程模型。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬k-k-兩方程模型兩方程模型()

6、()()itkbMkiikjukukkuGGYStxxx2123()()()()itkbiijuuuCGC GCStxxxkk 高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.3.32.3.3輻射模型輻射模型工程上常用的輻射模型有五種，分別是： DO模型：計(jì)算絕大部分光學(xué)深度的輻射問題； S2S模型：計(jì)算在沒有參與性介質(zhì)的封閉空間內(nèi)的輻射換熱； DTRM模型：適合任何光學(xué)深度計(jì)算； P-1模型：P-N模型中最簡單的類型，屬于熱通量法的一種； Rosseland模型：光學(xué)深度3時(shí)，模型計(jì)算量更小而且更加有效。本文中，空氣吸收系數(shù)取0.1，模型的建筑特征長度為30m，光學(xué)深度3，輻射模型選擇Rosseland模型。

7、高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.3.42.3.4燃燒模型燃燒模型目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，具有代表性的模型有4種。 假定概率密度函數(shù)模型（PrePDF）； 渦耗散模型（EBU）； 渦耗散概念模型(EDC)； 體積熱源模型(VHS)。為了簡化計(jì)算過程，減少計(jì)算時(shí)間，本文選擇體積熱源模型作為火源燃燒模型?；馂?zāi)強(qiáng)度選為1.5MW，釋熱系數(shù)為0.47W/S2。 Q=aT2其中Q為火源釋熱量，a為釋熱系數(shù)，T為燃燒時(shí)間。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.4 2.4 網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)定網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)定為了簡化計(jì)算，在進(jìn)行模擬前，提出以下兩點(diǎn)假設(shè)：著火房間窗戶常開，室外有風(fēng)吹入，風(fēng)速風(fēng)向不變，煙氣中

8、主要考慮組分CO2，火災(zāi)煙氣在流動(dòng)過程中不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度不變，壁面的熱通量為 0，即是絕熱壁面；假定固定壁面煙流不可滲透。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.4.1 2.4.1 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分用Gambit作為網(wǎng)格劃分工具，模型中采用六面體網(wǎng)格，類型(Type)選項(xiàng)選擇規(guī)則網(wǎng)格（map)。由于火羽流及其附近區(qū)域存在較為強(qiáng)烈的湍流流動(dòng)，所以對(duì)火源附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理，火源區(qū)網(wǎng)格尺寸為其他區(qū)域的1/10。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬2.4.2 2.4.2 確定邊界條件及初始條件確定邊界條件及初始條件1.進(jìn)口條件其中，po為總壓，ps為靜壓。速度v的計(jì)算如公式所示：其中，

9、v為計(jì)算樓層高度處的風(fēng)速，v0為室外標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，取2.6m/s。H為計(jì)算樓層的高度， H0為標(biāo)準(zhǔn)高度,即10m，n為指數(shù),一般與地形有關(guān)系。2012Sppv00/(/)nvvHH高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬 出口條件模型中的出口條件選擇為壓力出口邊界。壓力出口邊界條件需要輸入的參數(shù)有靜壓(gauge)、回流條件、總溫、湍流參數(shù)。湍流動(dòng)能和動(dòng)能耗散率分別用公式近似計(jì)算：23()2avgkuI3324kCl高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬 固體壁面條件壁面采用無滑移邊界條件，模擬中墻壁對(duì)于傳熱按一維傳熱處理，且壁面熱通量為0，即是絕熱壁面。 火源和煙氣的產(chǎn)生在Gambit建模時(shí)，以一立方體作為火源。通過編寫

10、UDF，完成火源的設(shè)置。 初始條件操作壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Gauge pressure為相對(duì)靜壓，值為0。計(jì)算中冬季室外溫度為273K，室內(nèi)溫度為283K；夏季室外溫度308K，室內(nèi)溫度為300K。室外風(fēng)速為3.75m/s，室內(nèi)初始煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬圖圖3 Fluent3 Fluent計(jì)算流程圖計(jì)算流程圖2.5 2.5 計(jì)算流程計(jì)算流程高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬采用SIMPLEC算法（見教材220頁）來處理速度和壓力的耦合，湍流方程等離散格式選用二階迎風(fēng)格式?？諝獾谋葻崛莺蛯?dǎo)熱系數(shù)不考慮隨溫度的變化而變化，取為常數(shù)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)：0.0224W/(mK)，空氣的比熱

11、容：1006.43J/（KgK）。常溫下空氣密度：1.20Kg/m3，重力加速度：9.80m/s2；外界空氣(絕對(duì))壓力：1.01l05Pa。迭代計(jì)算的控制精度，能量方程為1e-06，其他為 1e-03。2.6 2.6 計(jì)算方法計(jì)算方法高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬120s 120s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖180s 180s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖240s 240s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖圖圖4 4 自然排煙不同時(shí)間段溫度和煙氣濃度的分布圖自然排煙不同時(shí)間段溫度和煙氣濃度的分布圖 2.7 2.7 數(shù)值模擬結(jié)果展示數(shù)值模擬結(jié)果展示60s 6

12、0s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖走廊自然排煙模擬走廊自然排煙模擬 高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬結(jié)論：結(jié)論：從圖 4中的可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，著火房間內(nèi)的溫度上升很快?；馂?zāi)發(fā)生60s后，著火房間內(nèi)的溫度達(dá)到330K左右；120s 時(shí)，走廊中段靠近樓梯間區(qū)域溫度達(dá)到340K左右，煙氣濃度達(dá)到1%；180s 時(shí)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，樓梯間溫度已經(jīng)達(dá)到400K 左右，煙氣濃度達(dá)到3%，溫度過高，室內(nèi)人員已經(jīng)無法安全逃生。 高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬在樓梯間前室的側(cè)墻設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)口，高度距地 0.6m。送風(fēng)口加壓送風(fēng)保持前室相對(duì)走廊有 25Pa 的正壓。 60s 60s 溫度云圖、溫度云圖

13、、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖120s 120s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖180s 180s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖240s 240s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖圖圖5 5 正壓送風(fēng)防煙不同時(shí)間段溫度和煙氣濃度的分布圖正壓送風(fēng)防煙不同時(shí)間段溫度和煙氣濃度的分布圖走廊機(jī)械正壓送風(fēng)防煙模擬走廊機(jī)械正壓送風(fēng)防煙模擬高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬結(jié)論：結(jié)論：從圖 5可以看出，在樓梯間前室設(shè)置了加壓送風(fēng)系統(tǒng)后，樓梯間溫度和煙氣濃度在火災(zāi)發(fā)生120s內(nèi)基本沒有上升?；馂?zāi)發(fā)生后180s，有少量煙氣進(jìn)入前室240s時(shí)，煙氣進(jìn)入樓梯間，但樓梯間煙氣濃度維持在一個(gè)較低的

14、水平。高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬在走廊中部，X=5m處，設(shè)置機(jī)械負(fù)壓排煙口，通過風(fēng)機(jī)抽吸作用，將走廊中的熱量和煙氣排出室外。 60s 60s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖120s 120s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖180s 180s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖240s 240s 溫度云圖、溫度云圖、 煙氣濃度圖煙氣濃度圖圖圖6 6 機(jī)械負(fù)壓排煙不同時(shí)間段溫度和煙氣濃度的分布圖機(jī)械負(fù)壓排煙不同時(shí)間段溫度和煙氣濃度的分布圖走廊機(jī)械負(fù)壓排煙模擬走廊機(jī)械負(fù)壓排煙模擬高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬結(jié)論：結(jié)論：從圖6中可以看出，火災(zāi)發(fā)生后 60s由于產(chǎn)生的煙氣還

15、比較少，走廊頂部排煙系統(tǒng)開始運(yùn)行后，走廊基本沒有煙氣。在 120s時(shí)，由于排煙系統(tǒng)工作后形成的負(fù)壓，致使排煙風(fēng)機(jī)附近2m范圍內(nèi)，溫度和煙氣濃度高于走廊其他部位。180s時(shí)，煙氣在前室附近走廊內(nèi)繼續(xù)聚積，少量進(jìn)入前室。從圖中可以看出，240s時(shí)，前室溫度在338K377K之間，而樓梯間溫度在 300K338K之間，前室的最大煙氣濃度約為0.9%，而樓梯間的煙氣濃度在0.06左右。此時(shí)樓梯間內(nèi)的溫度和煙氣濃度，對(duì)逃生人員的生命安全不會(huì)造成傷害。 高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬火災(zāi)發(fā)生后60s，自然排煙、機(jī)械加壓送風(fēng)防煙和機(jī)械負(fù)壓排煙的控?zé)熜Ч嗖畈淮?；火?zāi)發(fā)生后120s，自然排煙下的走廊溫度要高于機(jī)械

16、排煙10K20K之間；火災(zāi)發(fā)生后180s，機(jī)械負(fù)壓排煙的排煙效果最好，溫度比自然排煙下的低70K左右，煙氣濃度低1%左右；240s 時(shí)，走廊溫度繼續(xù)升高，自然排煙下走廊的整體溫度接近550K 左右，而正壓送風(fēng)防煙和機(jī)械排煙下的走廊前半部分(X=015m)則沒有明顯升高，后半部分溫度約上升了20K。從火災(zāi)后溫度和煙氣濃度這兩方面來評(píng)價(jià)三種排煙模式的排煙效果，認(rèn)為機(jī)械負(fù)壓排煙對(duì)走廊的保護(hù)效果最好。3.13.1總結(jié)總結(jié)高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬通過本門課程作業(yè)的完成，了解了本專業(yè)數(shù)值研究方法、研究的具體內(nèi)容及研究進(jìn)展等情況，學(xué)會(huì)了數(shù)值計(jì)算論文的書寫方式。對(duì)FLUENT 軟件有了一定了解。對(duì)網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)定及其基本控制方程和湍流模型的選取都有了初步認(rèn)識(shí)。其強(qiáng)大的功能、形象化的界面讓我們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有了更直觀的認(rèn)識(shí)。對(duì)高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范等進(jìn)一步加深理解。如：3.23.2收獲收獲高層建筑走廊排煙的數(shù)值模擬 擔(dān)負(fù)一個(gè)防煙分區(qū)排煙排煙或者凈空高度大于6m的不劃分防煙分區(qū)的房間時(shí)，應(yīng)按其面積不小于60m3/（hm2 ）計(jì)算(單臺(tái)風(fēng)機(jī)最小排煙量不應(yīng)小于7200m3/h)。擔(dān)負(fù)兩個(gè)或兩個(gè)以上的防煙分區(qū)排煙時(shí)，