潔凈室通風管道對火災煙氣擴散的影響

房間通風管道對火災煙氣擴散的影響很重要。我們運用模擬火災的FDS軟件主要分析門開啟狀態、送風方式及火源位置改變時，通風管道對火災煙氣擴散的影響。請注意查看。

1 模型的建立

本文取工程的兩個房間長寬高都是7 m×5 m×2.8m（其中高度包含吊頂在內，見圖 1 、圖 2 ），門高為1.9 m、寬為 0.8 m。假設房間的隔墻材料為混凝土結構，風管為金屬材料，采用頂部送風，走廊回風，所以房間里只有送風系統，并且火災發生的時候送風系統關閉，煙氣通過熱浮升力流進風管，為了更好更實際地模擬煙氣在風管中的擴散，風管兩端不封閉，煙氣在管內自然流動。取夏季工況，假設室內環境溫度取為 20℃，選用穩態火源，火源位置如圖2 所示。在室 2 中取兩處位置作為測點，一處為中間位置，一處為右上位置，溫度測點取1.8 m 的高度，濃度測點取 1.5 m 高度。將網格劃分為 0.12 m×0.12 m×0.10 m，采用大渦模擬（LES）進行數值計算。

2 模擬分析

2.1 房間的門是否開啟

因為開口處只有房間的門和通風空調系統，火災發生時房間門的開閉對于煙氣在管道內部的擴散有重要的影響，所以模擬著火時門的開閉與否就很有必要。圖 3 為熱釋放速率為1000 kW/m2工況下（模型火源尺寸為 0.5 m×0.5 m，火源強度為250 kW）門開啟和門關閉的室2的煙氣層高度隨時間變化規律，風管的尺寸取 320 m×320 m。從圖中可以看到，著火房間門的開啟與否對于鄰室煙氣的擴散影響十分明顯，門開啟的工況下，室2的煙氣層高度幾乎沒有變化，但這并不代表沒有煙氣通過通風管道進入鄰室 2 中。從圖 4 的室2 煙氣的煙灰濃度隨時間的變化中可以看到，還是有極少量的煙氣通過風管進入到了室 2 中，只是由于濃度較小，迅速同室內周圍的冷空氣混合，濃度降得很低，低于了測點的靈敏度，從而僅僅導致了煙氣層高度的微小變動；而門關閉工況的煙氣層高度在350 s前隨著時間的增長而逐漸下降，最低點下降到了0.5 m以下，并且煙氣的煙灰濃度不斷增加。但到了 350 s 以后突然跳躍到房間的高度，這是由于FDS軟件計算煙氣層高度的的方法的局限性所致。FDS計算煙氣層高度的方法為：假設一個連續性方程 T(z)，定義 T(z) 為距離地面高度 z 的函數，當 z = 0 時為地板上，z = H 為頂棚高度。定義 Tu為上層區域的溫度，Tl為下層區域的溫度，zi n t為煙氣層高度。計算下式：

通過上式可看出，當實際煙氣層高度為0時即煙氣覆蓋整個房間時，通過 FDS 的計算煙氣層方法算出的煙氣層高度卻是 H，所以當時間超過350s 時從煙氣層變化圖上反映的是煙氣層高度回到了頂棚高度，實際上是此時煙氣已充滿整個房間。所以在下面的研究中當煙氣層高度又回到頂棚高度時，說明當時煙氣層高度為 0，即煙氣已覆蓋整個房間了。

同時從煙灰濃度圖上看，在 0 s~300 s 煙灰的濃度總體是上升的，但到300 s后卻有上下震蕩的趨勢。這是由于房間是封閉的燃燒，氧氣的濃度隨著時間增長不斷下降，使燃燒因缺氧而越來越弱，繼而火災熱釋放速率也隨時間的增長開始下降，降低到接近于0，如圖 5，從而在室1 中推動煙氣向風管流動的熱壓也逐漸減小，室1中存在的明顯的負壓，所以將室2的氣體通過通風管道又吸入到風管中回到室 1 內；而室 2熱煙氣同室內空氣混合，漸漸地被周圍新鮮的空氣所稀釋。以上兩點就是煙氣的煙灰濃度隨時間變化圖中所示的在 300s 以后，煙灰濃度又隨著時間震蕩的原因。而門的開啟使得大量煙氣可以從門的開口中擴散到走廊里，而門開口的中性層以下又可以進入走廊內的冷空氣，進來的冷空氣與熱煙氣混合降低了熱煙氣的溫度，增大了煙氣密度，使得通過風管進入到鄰室的煙氣更加減少，從而從圖中的比較中發現，在開門的工況下，鄰室的各項曲線變化很微小。

所以，從上面分析可看到，發生火災時，室內門的開啟對于煙氣向風管內的擴散有著重要的影響，門開啟時，煙氣在風管內擴散量要遠遠小于向走廊里的擴散量，于是在接下來的研究中，僅考慮房間的門在關閉情況下煙氣在通風管道內的擴散。圖6和圖7為模擬煙氣在300 s門開啟和關閉時的狀態。

2.2 送風方式的不同對于煙氣擴散的影響通風空調的送風方式可以分為三種：頂送風，側送風以及底部送風；而底部送風由于應用上的局限性，所以工程上很少使用。最為常見的兩種送風形式即為頂送風及側送風。這兩種送風方式由于風口位置，風管位置及送風方向的不同，所以通過通風管道擴散至臨室的煙氣規律也不同。選取兩種不同送風方式模擬煙氣通過管道擴散規律，取熱釋放率為2000 kW/m2。

通過模擬，從圖8可以看出在前50 s側送風的煙氣層高度下降速度比頂送風的要快，這是由于煙氣以側送風形式從風管噴出時是水平自由射流形式，煙氣在空氣中向下擴散，且與空氣混合后溫度下降較快，可見圖 9，所以煙氣沉降速度比較快；在50 s~200 s 時，側送風煙氣下降的速度有所減緩，但側送風的煙氣層高度一直比頂送風的低。煙氣層在 190 s 時，兩種送風方式的煙氣層高度相等，且以后相差比較小。從上面的比較可看出，送風方式對煙氣擴散有一定的影響，且煙氣通過側送風風管擴散至鄰室的危害要比頂送風的危害大。

2.3 不同火源位置對于煙氣擴散的影響房間里可燃物著火位置的不同會對房間煙氣規律產生影響，本節研究不同火源位置的工況下，煙氣向鄰室擴散的規律。本節模擬的房間尺寸與上節相同，風管布置在房間正中位置，HRR 取為 500kW，模擬的火源位置與工況對照如圖 10。

2.3.1 煙氣層高度隨時間變化比較從圖11中可看出，C工況下煙氣層高度在相同時刻時要稍高于其余3個工況，但是其煙氣層高度也遠小于 1.5 m，對人員一定會造成傷害；C 工況的煙氣層高度低于其余三個工況的原因是由于C工況下 2 室中煙氣溫度較高，如圖 12 所示，所以向上的浮升力較大，使得煙氣的沉降速率比其他工況稍小，這就是 C 工況下的煙氣層高度最高的原因。

2.3.2 煙氣的煙灰濃度隨時間變化的比較如圖 13 和圖 14 所示，4 個工況位置下煙氣擴散到鄰室內，在同一時刻中，C工況位置下的煙灰濃度要明顯大于其余3個工況的煙灰濃度；說明當火災發生在風管的正下方時，煙氣通過通風管道對鄰室的危害最大。

3 結論

本文對單個房間發生火災時煙氣通過風管擴散到鄰室的煙氣流動規律進行了模擬研究，其中包括房間的門是否開啟、風管尺寸的不同和不同的火源位置因素對煙氣在通風管道內擴散的影響，得到結論如下：

（1）通過對比著火房間內門的開啟與封閉時煙氣擴散的工況發現，室內門開啟的時候，通過風管擴散到鄰室房間的煙氣量相比于從門口擴散到走廊內的煙氣量要小很多，煙氣通過風管擴散到鄰室對鄰室造成的危險很小，這就為下面單獨研究封閉的著火房間的煙氣通過風管擴散到鄰室的煙氣擴散規律提供了必要性。

（2）通過模擬不同送風方式對火災煙氣擴散的影響發現，送風方式對煙氣擴散有一定的影響，且煙氣通過側送風風管擴散至鄰室的危害要比頂送風的危害大。

（3）在模擬著火房間不同著火位置對于煙氣擴散到鄰室的影響時，發現火源在著火房間正中位置，即在風口的正下方的時候，鄰室房間的煙氣層高度要高于其余3個著火位置，煙氣的煙灰濃度和煙氣溫度都要大于其余三個著火位置，說明當火災發生在風管的正下方時，煙氣通過通風管道對鄰室的危害最大。