一种高层建筑竖井内抑烟降温的水雾喷射速率确定方法

1.本发明涉及高层建筑竖井内水雾喷射抑烟领域，尤其涉及的是一种高层建筑竖井内抑烟降温的水雾喷射速率确定方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国经济的高速发展，城市土地资源变得稀缺，高层建筑的兴建速度也飞速增长，然而相应的高层建筑物的火灾事故发生率也持续增加。高层建筑物中的火势的蔓延的重要途径之一为烟气对流现象，发挥主要作用的一般为建筑物的烟囱效应以及自然界的风力效果，因此有效控制火灾中的烟气传播是阻止火势蔓延办法。
3.烟囱效应的发生是造成火焰可以在较短的时间内迅速蔓延的重要原因。一旦高层建筑物的低楼层出现火灾险情时，火焰燃烧发出的热空气将会经过楼梯间、电缆管道井、电梯设备井等竖直形式的管道，快速向建筑物的上方蔓延，从而在高层建筑的上部也形成新的起火点，这样不仅会增加消防员抢险救灾工作的难度，还会对建筑物内部被困人员的生命安全带来非常严重的威胁。
4.因此为了抑制热气流以及烟气的上升和扩散，阻止由于烟囱效应以及自然风的影响而导致的高层建筑火灾的加剧，有必要对高层建筑竖井内的气流流动与传热的机理进行研究，构建一种水雾喷射抑烟模型，实现抑烟要求的同时又可起到降温的效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种高层建筑竖井内抑烟降温的水雾喷射速率确定方法，通过获取最小喷射速度，实现抑烟要求的同时又起到降温的效果。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.步骤1：使用ansys软件设置多种竖井火灾模型工况，所述模型是按高层建筑内竖直形式的管道几何参数和层高1：1等比例设置的y方向高为h，x方向宽为w，z方向长为l 的矩形竖井通道，矩形竖井通道内各楼层高度处设置可喷射水雾的单排喷嘴，喷射方向为z 方向，喷嘴间距以及个数根据竖井尺寸设置，火源顶部距矩形竖井通道底部的距离为c，距火源顶部上方最近的第一排喷嘴至火源顶部的距离为a，喷嘴y方向的尺寸高度为d，火源底部距矩形竖井通道底部的距离为j，所述的模型工况中还包含火源功率q以及固定的楼层高度、传热系数、导热系数；
8.竖井通道内紊流流动和传热满足以下方程：
9.质量守恒方程：
10.式中，u、v和w是速度矢量在三维坐标下x、y和z方向的分量；
11.动量守恒方程：
12.x方向，
13.y方向，
14.z方向，
15.式中，μ为粘性系数，μ
t
为湍动能粘性系数，c
μ
取值0.0845，k为湍动能，ε为耗散率，ρ为气体密度，g为重力加速度；
16.能量守恒方程：
17.式中α
*
＝kf(ρc
p
)f,kf是烟气的传热系数,(ρc
p
)f是烟气的密度及热容量；c
p
：j/(kg
·
k)，σ
t
为常数0.9-1.0，pr是prandtl数常数0.85；
18.纲湍动能k方程:
19.式中，αk为湍动能k对应的prandtl数常数1.39，gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，k是湍动能；
20.耗散率ε方程耗散率ε方程
[0021][0022][0023][0024]
式中，α
ε
为耗散率ε对应的prandtl数常数1.39；模型常数c
1ε
与c
2ε
分别取值1.42和1.68；η0为 4.377；e
ij
为时均应变率，i、j为非同方向的x或y或z方向的张量指标符号，ui、uj为非同一坐标方向的时均速度；为中的一个张量，为中的一个张量；β是热膨胀系数，取值为t为烟气平均温度；
[0025]
按以下边界条件在ansys软件中设置边界位置处的流动参数和传热参数：
[0026]
[0027]qw
为热流密度，λ为导热系数，vs为烟气速度，tc为竖井内最低温度，t1为外界空气温度；
[0028]
步骤2：基于竖井通道高宽比ar，改变喷嘴喷出的射流的速度v1，使雷诺数re表征的单排喷射射流产生的惯性力改变，通过ansys模拟软件进行数据模拟计算，获得单排喷嘴喷射射流时的速度分布、射流方向和竖直方向的流函数图及喷嘴局部速度矢量图，当喷嘴喷出的射流水雾喷到矩形竖井通道内壁上的位置不高于喷嘴的高度时，喷嘴水平界面处热浮力与射流水雾的惯性力处于平衡状态，提取各工况中喷嘴水平界面处的平均速度，得到所述平衡状态时re的临界值和对应的格拉晓夫数gr(表征火灾热源产生的热浮力对烟气的作用)；
[0029]
ar＝d1/w，
[0030]
ρ为气体密度，d1为喷嘴高度，即最接近火源高度顶层的喷嘴上部至底部面的距离；μ为粘性系数；β为热膨胀系数；g为重力加速度；δt＝t
h-tc：th和tc分别为竖井内最高温度(火源温度)和竖井内最低温度；hi为喷嘴高度，喷嘴上部至底部面的距离(hi＝d1)；
[0031]
步骤3：以宽高比ar与所述平衡状态时对应的浮力参数gr/re的关系进行拟合，得到水雾喷射抑烟降温模型中ar与gr/re关系：gr/re＝a1 b1ar：a1与b1为拟合常数；
[0032]
步骤4：改变火源位置，根据ar与gr/re的关系得到最接近火源高度顶层的喷嘴最小的喷射速度。
[0033]
上述的一种高层建筑竖井内抑烟降温的水雾喷射速率确定方法，所述步骤4之后还包括，改变火源功率，按步骤1～4获得火源在竖井内任一火源位置时，最接近火源高度顶层的喷嘴最小的喷射速度。
[0034]
一种高层建筑竖井内抑烟降温的水雾喷射装置，其特征在于，所述高层建筑竖井中每层楼安装有所述单排水雾喷射喷嘴，喷嘴通过管道、泵与水源连通，相邻楼层的单排水雾喷射喷嘴之间的竖井壁面设置有连通竖井内外的狭缝，所述竖井各楼层之间还安装有火灾传感器，用于检测火源顶部和底部的位置以及火源功率，并传输给高层建筑内的工控机，工控机内存储有按所述方法获得的不同火源功率和火源位置下的ar与gr/re的关系，工控机根据当前火源功率和火源位置和对应的ar与gr/re的关系查询到最接近火源高度顶层的喷嘴最小的喷射速度，然后控制泵将水以不小于最小喷射速度的速度，从最接近火源高度顶层的喷嘴喷出。
[0035]
本发明提出的水雾喷射抑烟降温方法，旨在利用最接近建筑竖井内火源楼层上层的第一组喷嘴产生的强制喷射水雾抑制热气流与烟气的上升，阻止由于烟囱效应以及自然风的影响而导致的高层建筑火灾的加剧，同时用水雾裹挟烟颗粒，阻止其对人体的进一步伤害，起到“洗烟”作用；于此同时水雾下降运动，可降低着火部位温度，实现抑烟要求的同时又起到降温效果。
附图说明
[0036]
图1为竖井喷嘴特征参数模型图；
[0037]
图2为火源上方距离火源最近楼层中喷嘴喷射射流模型示意图；
[0038]
图3(a)～3(e)为单排喷射冷却不同re时速度流函数分布图；
[0039]
图4(a)～4(e)为单排喷射冷却不同re时温度分布图；
[0040]
图5(a)～5(b)为ar与浮力参数(a)gr/re(b)gr/re2的拟合线图。
具体实施方式
[0041]
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。
[0042]
如图2所示，图2为水雾喷射抑烟模型图，具体实施步骤如下：
[0043]
实施例1
[0044]
现场测量得到竖井以及多排喷嘴结构的相关几何参数，利用ansys软件建立竖井通道内包含热源、和多排喷嘴的三维几何模型，模型是按高层建筑内竖直形式的管道几何参数和层高1：1等比例设置的，模型是高(y方向)为h，宽(x方向)为w，长(z方向)为l的矩形竖井通道，矩形竖井通道内设置于各楼层的可喷射水雾的一排喷嘴，火源顶部距矩形竖井通道底部的距离为c，距火源顶部上方最近的第一排喷嘴的距离为a，喷嘴尺寸高度为d，火源底部距矩形竖井通道底部的距离为j，v1为距火源顶部上方最近的第一排喷嘴的喷射速度，通过改变喷射水雾速度研究水雾对矩形竖井通道内竖向气流的流动和传热特性的影响，确定临界状态，喷嘴喷射水雾的方向垂直竖直方向，喷嘴底部以下为抑烟降温段。喷嘴入口为速度入口，位于矩形竖井通道底部面上方d1处，矩形竖井通道顶部壁面为压力出口，矩形竖井通道底部为压力进口，热源面为定热流密度加热壁面。模型工况中还包含火源功率q以及固定的楼层高度、传热系数、导热系数。
[0045]
步骤1.使用有限体积法建立描述竖井通道内紊流流动和传热的数学物理模型。
[0046]
1)流动为定常湍流流动，流动的物理量不随时间发生变化；
[0047]
2)水雾为不可压缩流体，密度满足boussinesq近似：密度的变化不会使流体的性质发生明显的改变。即可认为，流体的流动过程中粘性耗散忽略不计，仅考虑对质量力项的影响，可理解为在浮力项中密度受温度的影响，除此之外的其他项密度均为常数；
[0048]
3)喷射入口速度、温度等参数分布均匀。
[0049]
矩形竖井通道内的流动所需的方程包括基本的控制方程和附加的湍流输运方程。本发明选用“矩形微通道流动换热特性的数值分析”中的湍流模型，湍流模型的具体形式如下：
[0050]
(1)质量守恒方程：
[0051][0052]
式中，u、v和w是速度矢量在三维坐标下x、y和z方向的分量，单位m/s。
[0053]
(2)动量守恒方程：
[0054]
x方向，
[0055]
y方向，
[0056]
z方向，
[0057]
式中，μ为粘性系数，μ
t
为湍动能粘性系数，c
μ
取值0.0845，k为湍动能，ε为耗散率，ρ为气体密度，g为重力加速度。
[0058]
(3)能量守恒方程：
[0059][0060]
式中α
*
＝kf(ρc
p
)f,kf是烟气的传热系数,(ρc
p
)f是烟气的密度及热容量；c
p
： j/(kg
·
k)，σ
t
为常数0.9-1.0，pr是prandtl数(普朗特数)常数0.85。
[0061]
(4)纲湍动能k方程:
[0062][0063]
式中，αk为湍动能k对应的prandtl数常数1.39，gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，k是湍动能。
[0064]
(5)耗散率ε方程
[0065][0066][0067][0068][0069]
式中，α
ε
为耗散率ε对应的prandtl数常数1.39；模型常数c
1ε
与c
2ε
分别取值1.42和1.68；η0为4.377；e
ij
为时均应变率，i、j为非同方向的x或y或z方向的张量指标符号，ui、uj为非同一坐标方向的时均速度；为中的一个张量，为中的一个张量；β是热膨胀系数，取值为t为烟气平均温度；
[0070]
因此式(1-8)可展开为：8)可展开为：
[0071]
式(1-7)中的e
ij
·eij
表示：e
xy
·exz
或e
xy
·eyz
或e
xz
·eyz
；
[0072]
步骤2.确定计算模型边界条件，喷嘴射流隔热的边界条件设置见表1。
[0073]
表1计算边界条件
[0074][0075]qw
为热流密度，w
·
m-2
；λ为导热系数，w/(m
·
k)。
[0076]
图2为火源上方距离火源最近的楼层中喷嘴喷射射流模型示意图。
[0077]
步骤3.确定无量纲方程
[0078]
以雷诺数re来确定火源上方距离火源最近的楼层中单排喷射射流中的流速，以格拉晓夫数gr表征火灾热源产生的热浮力对烟气的作用。
[0079][0080][0081]
其中：v1为喷嘴喷射射流的速度；d1为喷嘴高度，火源上方距离火源最近的楼层中喷嘴上部至底部面的距离；β为热膨胀系数；δt＝t
h-tc：th和tc分别为竖井内最高温度(火源最高温度)和竖井内最低温度；h1＝d1。
[0082]
选取火源上方距离火源最近的楼层中喷嘴第一排喷嘴的高度d1为特征长度，合成速度标尺为特征速度：
[0083]
公式3δv＝v1其中：合成温度标尺为特征温度δt＝t
h-tc。使用特征参数进行无量纲化，得公式4：
[0084]
(x,y,z)＝(x,y,z)/d1[0085]
(u,v,w)＝(u,v,w)/δv
[0086]
p＝p/(ρδv2)
[0087]
θ＝(t-tc)/δt
[0088]
k＝k/δv2[0089]
e＝ε/(δv3/d1)
[0090]vtn
＝v
t
/(d1δv)
[0091][0092]
其中：(x,y,z)表示笛卡尔坐标，(u,v,w)是x、y和z方向上的速度分量，p，θ， k，e，v
tn
表示无量纲量。p为压强；k是无量纲湍动能，e是无量纲耗散率，v
tn
是无量纲湍流粘度(v
t
单位：n
·
s/m2)，v
tn
＝(re c
μ
k2)/e，c
μ
为模型常数；gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。
[0093]
将公式4带入流动模型中的质量、能量、动量方程即可得到无量纲方程：
[0094]
无量纲质量守恒方程，公式5：
[0095][0096]
无量纲动量守恒方程：
[0097]
x方向，公式6：
[0098][0099]
y方向(垂直方向)，公式7：
[0100][0101]
z方向，公式8：
[0102][0103]
无量纲能量守恒方程，公式9：
[0104][0105]
无量纲湍动能k方程，公式10：
[0106][0107]
无量湍流耗散率ε方程，公式11：
[0108][0109]
其中：
[0110]
pr：prandtl数(普朗特数)常数0.85
[0111]
σ
t
：常数0.9-1.0
[0112]
αk：湍动能k对应的prandtl数常数1.39
[0113]
α
ε
：耗散率ε对应的prandtl数常数1.39
[0114]c1ε
：常数1.42
[0115]c2ε
：常数1.68
[0116]
步骤4.确定无量纲边界条件，无量纲化边界条件具体见表2。
[0117]
表2无量纲化边界条件
[0118][0119]
步骤5：根据步骤3的无量纲化方程和步骤4确定的无量纲化边界条件可以看出，影响计算结果的为烟气物理属性、温度、喷射速度以及竖井尺寸(可由竖井尺寸确定喷嘴位置楼层)(可变物理量)，则该问题中控制参数为pr(与烟气瞬时物理属性有关)、gr、re和 ar(通道高宽比ar＝d1/w)，由于烟气的pr除临界点附近外，几乎与温度及压力无关，可将其看为常数，则在研究中仅考虑gr和re对流动与传热的影响，可通过改变喷射速度控制 re，改变喷嘴高度、温度控制gr，改变喷嘴高度控制竖井通道高宽比ar＝d1/w。
[0120]
步骤6：以步骤5选取的竖井通道高宽比ar作为变量，改变喷嘴喷出的介质的速度，使用ansys软件设置多种竖井火灾模型工况。模拟矩形竖井通道内单排喷射射流时的速度分布，获得射流方向和竖直方向的流函数图及喷嘴局部速度矢量图，所述的模型工况中还包含火源位置(即a)、固定火源功率q以及固定的矩形竖井通道的尺寸。
[0121]
计算例：矩形竖井通道高20m，宽3.1m，长6.6m(约六层楼高度)，为了让流体充分发展，将火源面设置在楼层高度a＝5m处，火源功率q设置为15kw，设置火源为稳态火，在模拟过程中放热速率恒定。喷嘴设置在最接近火源面楼层的竖井二楼高度处(约6.6m)， 10个一排均布在竖井宽度方向，喷嘴尺寸高度(y方向)为0.01m。通道入口与出口温度为外界环境温度设置为25℃，通道入口气流流速2m/s，通道出口为压力出口-100pa，其他不加热壁面为绝热壁面。
[0122]
根据图3(a)～3(e)的流函数图发现，将喷嘴喷出的介质的速度换算为re后，当喷嘴喷射水雾时会在喷嘴上方形成一个大的涡旋，喷射水雾下方的流场在re不同时产生差异。re较小时，浮升力引起的上升气流作用大于喷射水雾产生的惯性力，喷射水雾喷到矩形竖井通道内壁上的位置会高于喷嘴的高度，增加re会使喷射水雾喷到竖井壁面上的位置降低；当re 增加到临界值时，在壁面处对应喷嘴高度附近，喷射水雾产生的惯性力和上升热气流达到平衡，喷射水雾产生的惯性力会抑制烟气上升气流的上升并在此处形成一个小的涡旋；当re 大于临界值时，喷射产生的惯性力作用大于上升气流，喷射惯性力出现向下的逆向流动，同理根据图4(a)～4(e)可见，温度分布存在相同规律。水雾气流由喷嘴高度下降，抑制烟气上升的同时，并到达火源位置进行降温活动。
[0123]
在ansys软件设置多种竖井火灾模型工况，基于ar的改变，继而改变喷嘴喷射水雾射流的速度和雷诺数re，通过ansys模拟软件进行数据模拟计算获得单排喷嘴喷射射流时的速度分布、射流方向和竖直方向的流函数图及喷嘴局部速度矢量图，当喷嘴喷出的射流水雾喷到矩形竖井通道内壁上的位置不高于喷嘴的高度时，喷嘴水平界面处热浮力与射流
水雾的惯性力处于平衡状态，提取各工况中喷嘴水平界面处的平均速度，得到所述平衡状态时re 的临界值，和对应的gr。
[0124]
步骤:7：在前人如“mei d,xing f,wen m,et al.numerical simulation of mixed convectionheat transfer of galvanized steel sheets in the vertical alloying furnace[j].applied thermalengineering,2016,93:500-508”和“相梦如.超临界压力co2对流传热数值研究[d].北京:中国科学院大学,2018.”的研究中浮力参数的形式主要为gr/re和gr/re2，故以宽高比ar与临界值对应的浮力参数gr/re或gr/re2的关系进行拟合。
[0125]
使用拟合软件以ar为x轴分别对gr/re和gr/re2进行拟合，根据其数据点分布样式选择合适的模型进行拟合。通过图5(a)～5(b)可发现ar与gr/re的拟合效果较好，则得到拟合函数：gr/re＝a1 b1ar：a1与b1为拟合常数。
[0126]
改变火源位置，按步骤1～步骤7重新获得ar与gr/re的关系，根据ar与gr/re的关系得到最接近火源高度顶层的喷嘴最小的喷射速度。
[0127]
实施例2
[0128]
一种高层建筑竖井内抑烟降温的水雾喷射装置，高层建筑竖井中每层楼安装有实施例1 中的单排水雾喷射喷嘴，喷嘴通过管道、泵与水源连通，相邻楼层的单排水雾喷射喷嘴之间的竖井壁面设置有连通竖井内外的狭缝，高层建筑竖井各楼层之间还安装有火灾传感器，用于检测火源顶部和底部的位置以及火源功率，并传输给高层建筑内的工控机，工控机内存储有按实施例1所述的方法获得的不同火源功率和火源位置下的ar与gr/re的关系，工控机根据当前火源功率和火源位置和对应的ar与gr/re的关系查询到最接近火源高度顶层的喷嘴最小的喷射速度，然后控制泵将水以不小于最小喷射速度的速度，从最接近火源高度顶层的喷嘴喷出。
[0129]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。