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洁净室通风管道对火灾烟气扩散的影响

房间通风管道对火灾烟气扩散的影响很重要。我们运用模拟火灾的FDS软件主要分析门开启状态、送风方式及火源位置改变时，通风管道对火灾烟气扩散的影响。请注意查看。

1 模型的建立

本文取工程的两个房间长宽高都是7 m×5 m×2.8m（其中高度包含吊顶在内，见图 1 、图 2 ），门高为1.9 m、宽为 0.8 m。假设房间的隔墙材料为混凝土结构，风管为金属材料，采用顶部送风，走廊回风，所以房间里只有送风系统，并且火灾发生的时候送风系统关闭，烟气通过热浮升力流进风管，为了更好更实际地模拟烟气在风管中的扩散，风管两端不封闭，烟气在管内自然流动。取夏季工况，假设室内环境温度取为 20℃，选用稳态火源，火源位置如图2 所示。在室 2 中取两处位置作为测点，一处为中间位置，一处为右上位置，温度测点取1.8 m 的高度，浓度测点取 1.5 m 高度。将网格划分为 0.12 m×0.12 m×0.10 m，采用大涡模拟（LES）进行数值计算。

2 模拟分析

2.1 房间的门是否开启

因为开口处只有房间的门和通风空调系统，火灾发生时房间门的开闭对于烟气在管道内部的扩散有重要的影响，所以模拟着火时门的开闭与否就很有必要。图 3 为热释放速率为1000 kW/m2工况下（模型火源尺寸为 0.5 m×0.5 m，火源强度为250 kW）门开启和门关闭的室2的烟气层高度随时间变化规律，风管的尺寸取 320 m×320 m。从图中可以看到，着火房间门的开启与否对于邻室烟气的扩散影响十分明显，门开启的工况下，室2的烟气层高度几乎没有变化，但这并不代表没有烟气通过通风管道进入邻室 2 中。从图 4 的室2 烟气的烟灰浓度随时间的变化中可以看到，还是有极少量的烟气通过风管进入到了室 2 中，只是由于浓度较小，迅速同室内周围的冷空气混合，浓度降得很低，低于了测点的灵敏度，从而仅仅导致了烟气层高度的微小变动；而门关闭工况的烟气层高度在350 s前随着时间的增长而逐渐下降，最低点下降到了0.5 m以下，并且烟气的烟灰浓度不断增加。但到了 350 s 以后突然跳跃到房间的高度，这是由于FDS软件计算烟气层高度的的方法的局限性所致。FDS计算烟气层高度的方法为：假设一个连续性方程 T(z)，定义 T(z) 为距离地面高度 z 的函数，当 z = 0 时为地板上，z = H 为顶棚高度。定义 Tu为上层区域的温度，Tl为下层区域的温度，zi n t为烟气层高度。计算下式：

通过上式可看出，当实际烟气层高度为0时即烟气覆盖整个房间时，通过 FDS 的计算烟气层方法算出的烟气层高度却是 H，所以当时间超过350s 时从烟气层变化图上反映的是烟气层高度回到了顶棚高度，实际上是此时烟气已充满整个房间。所以在下面的研究中当烟气层高度又回到顶棚高度时，说明当时烟气层高度为 0，即烟气已覆盖整个房间了。

同时从烟灰浓度图上看，在 0 s~300 s 烟灰的浓度总体是上升的，但到300 s后却有上下震荡的趋势。这是由于房间是封闭的燃烧，氧气的浓度随着时间增长不断下降，使燃烧因缺氧而越来越弱，继而火灾热释放速率也随时间的增长开始下降，降低到接近于0，如图 5，从而在室1 中推动烟气向风管流动的热压也逐渐减小，室1中存在的明显的负压，所以将室2的气体通过通风管道又吸入到风管中回到室 1 内；而室 2热烟气同室内空气混合，渐渐地被周围新鲜的空气所稀释。以上两点就是烟气的烟灰浓度随时间变化图中所示的在 300s 以后，烟灰浓度又随着时间震荡的原因。而门的开启使得大量烟气可以从门的开口中扩散到走廊里，而门开口的中性层以下又可以进入走廊内的冷空气，进来的冷空气与热烟气混合降低了热烟气的温度，增大了烟气密度，使得通过风管进入到邻室的烟气更加减少，从而从图中的比较中发现，在开门的工况下，邻室的各项曲线变化很微小。

所以，从上面分析可看到，发生火灾时，室内门的开启对于烟气向风管内的扩散有着重要的影响，门开启时，烟气在风管内扩散量要远远小于向走廊里的扩散量，于是在接下来的研究中，仅考虑房间的门在关闭情况下烟气在通风管道内的扩散。图6和图7为模拟烟气在300 s门开启和关闭时的状态。

2.2 送风方式的不同对于烟气扩散的影响通风空调的送风方式可以分为三种：顶送风，侧送风以及底部送风；而底部送风由于应用上的局限性，所以工程上很少使用。最为常见的两种送风形式即为顶送风及侧送风。这两种送风方式由于风口位置，风管位置及送风方向的不同，所以通过通风管道扩散至临室的烟气规律也不同。选取两种不同送风方式模拟烟气通过管道扩散规律，取热释放率为2000 kW/m2。

通过模拟，从图8可以看出在前50 s侧送风的烟气层高度下降速度比顶送风的要快，这是由于烟气以侧送风形式从风管喷出时是水平自由射流形式，烟气在空气中向下扩散，且与空气混合后温度下降较快，可见图 9，所以烟气沉降速度比较快；在50 s~200 s 时，侧送风烟气下降的速度有所减缓，但侧送风的烟气层高度一直比顶送风的低。烟气层在 190 s 时，两种送风方式的烟气层高度相等，且以后相差比较小。从上面的比较可看出，送风方式对烟气扩散有一定的影响，且烟气通过侧送风风管扩散至邻室的危害要比顶送风的危害大。

2.3 不同火源位置对于烟气扩散的影响房间里可燃物着火位置的不同会对房间烟气规律产生影响，本节研究不同火源位置的工况下，烟气向邻室扩散的规律。本节模拟的房间尺寸与上节相同，风管布置在房间正中位置，HRR 取为 500kW，模拟的火源位置与工况对照如图 10。

2.3.1 烟气层高度随时间变化比较从图11中可看出，C工况下烟气层高度在相同时刻时要稍高于其余3个工况，但是其烟气层高度也远小于 1.5 m，对人员一定会造成伤害；C 工况的烟气层高度低于其余三个工况的原因是由于C工况下 2 室中烟气温度较高，如图 12 所示，所以向上的浮升力较大，使得烟气的沉降速率比其他工况稍小，这就是 C 工况下的烟气层高度最高的原因。

2.3.2 烟气的烟灰浓度随时间变化的比较如图 13 和图 14 所示，4 个工况位置下烟气扩散到邻室内，在同一时刻中，C工况位置下的烟灰浓度要明显大于其余3个工况的烟灰浓度；说明当火灾发生在风管的正下方时，烟气通过通风管道对邻室的危害最大。

3 结论

本文对单个房间发生火灾时烟气通过风管扩散到邻室的烟气流动规律进行了模拟研究，其中包括房间的门是否开启、风管尺寸的不同和不同的火源位置因素对烟气在通风管道内扩散的影响，得到结论如下：

（1）通过对比着火房间内门的开启与封闭时烟气扩散的工况发现，室内门开启的时候，通过风管扩散到邻室房间的烟气量相比于从门口扩散到走廊内的烟气量要小很多，烟气通过风管扩散到邻室对邻室造成的危险很小，这就为下面单独研究封闭的着火房间的烟气通过风管扩散到邻室的烟气扩散规律提供了必要性。

（2）通过模拟不同送风方式对火灾烟气扩散的影响发现，送风方式对烟气扩散有一定的影响，且烟气通过侧送风风管扩散至邻室的危害要比顶送风的危害大。

（3）在模拟着火房间不同着火位置对于烟气扩散到邻室的影响时，发现火源在着火房间正中位置，即在风口的正下方的时候，邻室房间的烟气层高度要高于其余3个着火位置，烟气的烟灰浓度和烟气温度都要大于其余三个着火位置，说明当火灾发生在风管的正下方时，烟气通过通风管道对邻室的危害最大。