走廊—典型毗邻建筑内热烟气流动机制及智能排烟控制方法研究

发布时间：2020-06-07 12:53

【摘要】：随着城市化进程的加快,越来越多的建筑不断涌现。为了满足人们日益增长的需求,建筑形式朝着多样化、复杂化的趋势发展。非单一建筑结构形式更加接近于真实建筑结构,其火灾规律比单一建筑(竖井、走廊)更为复杂且研究相对薄弱。本文基于数值模拟、缩尺寸实验以及理论分析的方法开展了走廊-典型毗邻建筑内的火灾研究,主要包括以下三个方面:不同通风竖井环境下走廊毗邻竖井建筑火灾蔓延规律研究、走廊毗邻中庭建筑结构下烟气蔓延规律及控制策略研究、基于实时火灾行为的智能排烟系统设计与实现。具体内容包括:通过多层建筑缩尺寸实验平台研究了不同通风形式竖井对火灾烟气在多层走廊-竖井建筑内部的影响。研究发现,当竖井送风参数较小时,着火层发生明显的回流现象,走廊末端边界速度在竖向保持均一。随着通风参数的增加,烟气从着火层末端溢出,烟气层厚度也逐渐增加。同时,随着火源功率增加,发生回流所需的通风参数也就越大,从走廊末端涌入的空气速度就越大,烟气溢出的速度就越小。基于烟气在多层建筑内部运动及温度分布规律,提出了6种典型多层走廊-竖井建筑内部的烟气运动路径模式。进一步分析了走廊末端以及竖井通风状态对火焰瞬时及稳态特征分布的影响。稳态火焰角度分布可以划分为三个阶段:着火层通风状态主导阶段、竖井通风控制阶段以及中间阶段。其中,在中间阶段,火焰角度发生大范围的变化。通过考虑多种作用力因素,提出适合多开口走廊-竖井建筑的火焰倾斜方向临界无量纲判据,η,为0.12。当大于0.12时,火焰向走廊方向倾斜;反之,则向竖井方向倾斜。通过FDS构建典型房间-走廊-中庭结构物理模型,研究不同物理边界条件对走廊-中庭结构火灾烟气分布规律的影响。研究发现,走廊垂壁对该建筑结构下的初期火灾烟气迁移路径有明显的影响,当垂壁较低或无垂壁时,烟气主要从近火源端直接向中庭空间溢出,反之,烟气更多的从远火源端溢出。于此同时,在一定火源功率条件下,存在临界走廊宽度,使得中庭的平均温度和溢出边界的羽流质量达到最大值。垂壁的存在会造成走廊空间温度场的不对称分布,靠近溢出侧的温度要明显低于靠近外侧的走廊温度。进一步分析了排烟口位置耦合不同物理边界条件下的排烟效果,研究表明,当排烟口位置靠近走廊外侧,且无量纲垂壁高度为0.375时,排烟效果为最佳。通过将走廊垂壁边界引入溢羽流模型,新模型可以很好的预测中庭溢羽流质量流量。为了解决火灾场景的不确定问题对传统排烟系统的影响,设计了新的智能排烟系统。该系统充分考虑火灾发展的各个阶段,通过实时火灾相关特征数据的采集,反馈给排烟系统以使之进行智能化调节,实现新排烟系统在克服相关不利的条件下达到最佳的排烟状态。该系统包括四个主要部分:智能排烟系统调节步骤的设计;参数的选取(多高度垂壁调节子系统、多速度排烟控制子系统)、系统的逻辑设计、理论分析以及新设计系统在数值模拟中的功能实现;CFD的火灾动力学分析和目标功能函数评价系统。为了降低参数波动对系统稳定性的影响,引入平滑因子消除输出参数波动噪音。进一步对该系统的有效性进行了分析验证。研究表明:首先,当前排烟系统相比于传统的排烟系统具有明显的优势;其次,设计的智能排烟系统能够根据不同热释放速率大小火灾实现更加灵活合理的响应,火灾热释放速率越大,激活步就越大,排烟速率也会进行实时调节;同时,该智能排烟同样会对不同火灾增长因子的火灾进行合理响应,火灾增长因子越小,智能排烟系统从较低激活步增加的过程中,每个激活步的时间延迟就越久,持续时间也会越长。对于相同的火源功率场景,火灾增长因子对最终的激活步以及排烟速率几乎没有影响,最大激活步主要是由火灾峰值热释放速率决定的。除此之外,对于新智能排烟系统在应对超快速或超大火源功率的情形表现较差的情况进行了再优化。最终结果表明,该系统具有解决应对不同火灾增长形式以及复杂火灾场景的能力。
【图文】：

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图１．邋２央视北配楼火灾逡逑（３）上海公寓大楼火灾逡逑２０１０年１１月１５日下午，上海静安区一处教师公寓，由于位于公寓外的施工人员进行违规电焊作业，引燃脚手架上放置的大量保温材料。在有利风环境的条件下，引发了一起重大火灾事故。火灾发生时，公寓内老人和小孩，逃生能力相对较差，最终造成多达５８人遇难，７１人受伤经济损失多达１．５８亿元。逦逡逑

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图１．邋２央视北配楼火灾逡逑上海公寓大楼火灾逡逑年１１月１５日下午，上海静安区一处教师公寓，由于位于公人员进行违规电焊作业，，引燃脚手架上放置的大量保温材料环境的条件下，引发了一起重大火灾事故。火灾发生时，公小孩，逃生能力相对较差，最终造成多达５８人遇难，７１人失多达１．５８亿元。逦逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU998.1

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