采用数值模拟表征低矮空间热烟试验的可行性研究_陈隆.pdf
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1、136建筑科技2023 年 第 3 期评估与检测Assessment And Testing采用数值模拟表征低矮空间热烟试验的可行性研究Feasibility Study of Using Numerical Simulation to Characterize Hot Smoke Test in Low Profile Space陈隆1,冯静慧2,王肖庆1(1.上海建科消防技术有限公司,上海 201108;2.上海建科检验有限公司,上海 201108)摘要:随着可燃物种类、排烟设计策略越来越多样,采用 CFD 进行火灾烟气模拟,其结果与现场实际情况或存在较大差异。将酒精(95%无水乙醇)作为
2、试验火源,开展热烟试验。根据现场试验情况采用 Pyrosim 软件建立等比例模型,将模拟计算得出的结果与现场测试采集的试验数据和观测结果进行比对,研究是否可以通过修正模型中火灾参数的设定值,得出更符合现场实际情况的模拟结果,以确认是否可以采用数值模拟方式来表征低矮空间热烟试验。关键词:热烟试验;Pyrosim;数值模拟;低矮空间中图分类号:X9 文献标识码:A 文章编号:2096-3815(2023)03-0136-030引言热烟试验是对建筑内火灾烟气组织排放效果进行科学评价的有效测试方法1。采用CFD进行火灾烟气模拟是火灾工程学及流体力学的科学应用,其中Pyrosim作为主流的烟气模拟软件之
3、一,其自带的FDS模拟软件,可以更高效、更准确地建立模型2。将酒精(95%无水乙醇)作为试验火源,制作不同尺寸油盘,通过倒入不同容量的酒精来达到设定的火灾荷载,配合将发烟烟饼放入发烟箱后形成发烟装置,组成火源与发烟系统,并通过现场搭建的温度和风速测量采集系统来采集试验现场的温度及风速,开展热烟试验。根据现场试验情况,采用Pyrosim软件建立等比例模型,布置与现场温度和风速设置位置相同的测点,对火灾荷载、发烟率等初始火灾参数的设定,在参考软件自带参数的基础上依据相关标准计算后输入,得出模拟计算结果。将模拟计算结果与现场试验测得的数据进行对比分析,修正模型内的部分输入参数,使得模拟结果更加接近真
4、实情况。现场热烟试验的火灾荷载根据XF/T 999-2012防排烟系统性能现场验证方法热烟试验法确定,选用酒精(95%无水乙醇)作为燃料,Pyrosim建模时的火源热释放速率根据GB 51251-2017建筑防烟排烟系统技术标准的要求计算得出。史聪灵3-5在进行地铁热烟试验时,火源功率分别设置为0.34 MW(1个燃烧盘)、0.7 MW(2个燃烧盘),其火源功率均采用了澳大利亚标准AS4391中的数据。本文所采用的试验火源采用了相同的火源功率,可作为开展热烟试验和数值模拟的基础数据。1现场试验方案设计与模型搭建1.1设计火灾场景1.1.1火源位置为避开现场设施及电缆桥架,将试验火源放置在拟试验
5、区域的尽端较不利位置。将Pyrosim建模时的火源位置设置在相同区域,如图1所示。图1某项目地下一层火源位置示意图137建筑科技2023 年 第 3 期评估与检测Assessment And Testing1.1.2火灾规模和盘组因现场层高仅为3.8 m,在确保试验现场顶棚下的烟气最高温度不会破坏顶棚和试验现场其他部分的原则下,选择340 kW(13 L酒精)(工况1)和700 kW(30 L酒精)(工况2)为本次热烟测试的火灾规模,盘组的布置方式如图2所示。Pyrosim建模时的火灾荷载同为340 kW(模型1)和700 kW(模型2)。图2盘组布置形式示意图1.2现场布置与初始模型建模1.
6、2.1火源与发烟系统根据设计的火灾场景布置隔热垫(硅酸钙板)、承水盘、燃烧盘和发烟装置。隔热垫放在设定的试验地点,承水盘放置在隔热垫上,燃烧盘放置于承水盘的中央。燃烧盘周围布置防护支架,防护支架顶部放置双层硅酸钙板进行隔热保护。现场火源布置及模型火源布置如图 3所示。图3模型火源及发烟装置布置情况实图1.2.2温度和风速测点布置现场布置与模拟软件内布置情况基本一致,如表1所示。表1温度和风速测点布置说明序号测量项目布置数量布置位置1顶棚温度2在试验火源产生的热烟羽流中心线上(0号测试点)2疏散路线温度5在疏散通道上,沿火源向外共布置5个测试点(15号):第1个测试点距离火源3.4 m,第2个测
7、试点距离火源7.7 m,第3个测试点距离火源12.8 m,第4个测试点距离火源35.3 m,第5个测试点位于入口大堂前2 m。每个测试点沿垂直方向共布置5个测点,分别为离地1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m处3疏散楼梯风速2在疏散楼梯处进行布置,共布置2个测试点(6号和7号):沿垂直方向共布置3个测点,分别为离地0.6m、1.2 m、1.8 m处1.3初始模型具体参数设置火灾规模分别为0.34 MW、0.7 MW,火源类型设定为快速火,火灾增长系数为708.33 kW/s2、1 166.67 kW/s2,环境温度17。模型网格尺寸划分按综合网格尺度计算方法、模型空间尺度、模型计
8、算稳定性等因素,将网格各方向大小均设为0.2 m,总网格数为528 000。场景选取在地下一层某充电汽车防护单元内,防护单元作为一个防烟分区,面积为822.6 m2。采用机械排烟及机械补风,机械排烟共16个排烟口,平均分布于排烟管道两侧,机械补风口为1个,设置于防护单元空间上方。该防护单元内设有2部疏散楼梯,模型中将2个出口简化为2个对外门洞,形成自然补风,同时补足模型内补风不足的问题。模型中设有感烟探测器,机械排烟口及机械补风口通过感烟探测器联动启动,初始模型具体设置参数如表 2所示。表2烟气模拟参数设置表模型序号火灾规模/MW火灾增长时间/s发烟率机械排烟量/m3h-1单个排烟口尺寸/mm
9、mm机械补风量/m3h-1单个补风口尺寸/mmmm10.3487.900.00840 00080040026 0001 8001 80020.7126.13 0.00840 00080040026 0001 8001 8002初始条件模拟和现场试验结果对比分析2.1现场试验结果及模拟分析结果本次研究主要以温度、风速及烟气沉降后的能见度3个方面来判断模型结果与现场试验结果的差异点,从而初步判断模型还需要在哪些输入参数上进行调整。2.1.1温度试验结果表明,在17室温条件下,试验过程中工况 1 和工况 2的0号热电偶测试位的温度(火源正上方隔防火板后)取值时间取点火后010 min内,每隔1 mi
10、n进行取值,温度自35.7 逐步上升至89.9,温度曲线上升较为平缓。在相同工况下选取模型1和模型 2同样位置的测试点及时间点,得到的温度范围在43.57137.08 之间,且0.7 MW火灾荷载得出的温度存在较大的波动。2.1.2风速试验结果表明,取值时间取点火后020 min内,每隔3 s进行取值,工况1和工况2,6号和7号得出的平均风速主要在0.4 0.6 s之间,并形成连续波动。在相同工况下选取模型1和模型2同样位置的切片,得到的风速范围在1.21.4 m/s之间。2.1.3烟气沉降通过现场观察,点火及点燃烟饼后烟气沿热烟羽流上升至防火板,随后沿防火板上升至地下车库顶板,最后烟气逐渐向
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