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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1.2.1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/mmmm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 min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,最后烟气逐渐向外蔓延并沉降。在360 s时,在该防护单元西南角的位138建筑科技2023 年 第 3 期评估与检测Assessment And Testing置,烟气已在角部形成较为明显的沉降,而在2部疏散楼梯前,因有正压送风的原因,该区域烟气仍未大范围沉降;随着烟气不断沉降,在840 s时,西南角位置的能见度较低,在同样位置进行观测,已较难看清西南角内的情况,与此同时,位于西北角的疏散通道口,能见度较高,依然可以看见位于疏散通道上的安全出口指示灯。在相同工况下选取模型 2同样位置的切片,在360 s及840 s时烟气未沉降至距地面2.0 m高度处。2.2现场试验与模拟结果对比分析通过现场试验与模拟结果,对温度、风速及烟气沉降情况（能见度）3方面进行如下分析。（1）温度：现场试验测得的温度比模型内输出的温度低50,两者温度差别较大,模型模拟结果未能真实反映现场情况,需重新对模型中的热释放率等参数进行调整。（2）风速：现场试验测得的风速比模型内输出的风速平均低0.8 m/s,两者温度差别较大,模型模拟结果未能真实反映现场情况,需重新对模型中的排烟量等参数进行调整,现场风机的风速未能达到设计排烟量的要求。（3）烟气沉降情况（能见度）：现场观测的烟气沉降情况较模型中的能见度更为不利,这是非常危险的,故计划对模型中的发烟率参数进行调整。3调整参数后模拟和现场试验结果对比分析通过初始条件模拟与现场试验结果的对比分析,综合现场实际测得的数据,对模型中的火灾增长时间（将快速火调整为中速火）、发烟率及排烟量这3项参数进行调整。经过多次调整参数后进行模拟,最终得到模拟结果与现场实验测得的数据近似,具体调整内容如表3所示。表3调整参数后烟气模拟参数设置表模型序号调整情况火灾规模/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/mmmm机械补风量/m3h-1单个补风口尺寸/mmmm1调整前0.3487.900.00840 00080040026 000 1 8001 8003调整后不变175.810.04320 000不变不变不变2调整前0.7126.130.00840 00080040026 000 1 8001 8004调整后不变252.260.04320 000不变不变不变根据表3调整后得到的模型3和模型4,从温度、风速及烟气沉降（能见度）3方面得出如下结论。（1）温度：现场试验采用酒精（95%无水乙醇）作为可燃物,将原快速火调整为中速火后,场内的温度整体较大幅度降低。（2）风速：试验现场实际的排烟量未达到设计的要求,工程质量普遍存在风管接缝不严、排烟路径过长等问题。理论上排烟量及补风量是守恒的,但因现场排烟量不足造成补风量不足,疏散通道口无法形成较强气流。当模型按照实际试验数据修改后,楼梯口风速降低至0.430.52 m/s范围内,接近现场的试验结果。（3）烟气沉降情况（能见度）：模型内设置的发烟率为0.008,较低,无法达到现场试验的烟气沉降情况。通过不断调整发烟率的输入参数并观察能见度发现,将发烟率提高至0.043时烟气沉降情况已远大于现场模拟的烟气沉降情况,距地面2 m高度处能见度低于10 m。4结语通过对地下低矮空间进行现场热烟试验,将测得的现场数据与数值模拟输出的数据进行对比分析后,对模型部分参数进行了调整,调整后使得模型模拟的结果更加接近真实情况,证明了采用数值模拟方式来表征低矮空间热烟试验具有可行性。本次研究得到如下结论。（1）现场热烟试验采用酒精（95%无水乙醇）作为可燃物,其火灾增长时间未达到快速火的要求,在数值模拟中将其调整为中速火后,其模拟结果更加接近实际情况。（2）在现场施工质量较好的情况下,可将排烟量的设计值作为数值模拟的参数进行输入,其模拟结果基本符合实际情况。（3）Pyrosim建模时默认的发烟率数值为0.008,但其模拟结果无法与现场试验的烟气沉降现象相匹配,将发烟率设定值提高至0.0260.043更符合实际情况且会略偏向保守（安全）。（4）因本项目的研究经费有限,现场热烟测试的工况较少,尚无法对Pyrosim建模需设置的所有参数进行比对研究,笔者将在后续工作中进一步优化试验平台和研究方案,并将研究成果用于指导热烟试验前期的方案优化过程。参考文献：1 薛岗,郭大刚,智会强,等.热烟试验方法的研究J.消防科学与技术,2006(4):466-468.（下转第 142 页）142建筑科技2023 年 第 3 期评估与检测Assessment And Testing下4点结论。（1）本次实验中进行了2个系列浓度的标准曲线。标准系列浓度为0100 g/L时,标准曲线相关系数r为0.999 7;标准系列浓度为050 g/L时,r为0.999 3;标准曲线相关系数均达到0.999以上。（2）本次实验分别用2个系列浓度计算检出限。标准系列浓度为0100 g/L时,检出限为0.001 mg/L;标准系列浓度为050 g/L时,检出限为0.000 8 mg/L;发现标准系列窄时,检出限更小。总之,连续流动分析方法检出限在0.001 mg/L以下,虽然相比传统手工方法的检出限0.000 3 mg/L偏高,但能够满足GB 38382002地表水环境质量标准规定的挥发酚的标准限值。（3）连续流动分析方法对于批号为200361和200355的环境标准样品的测试,测试结果均在标准值的扩展不确定度范围内。（4）对地表水样品进行加标测试,测试结果显示,连续流动分析法和传统手工法测定的样品加标回收率分别为92%106%和90%102%,结果无显著性差异。由于现阶段该类仪器价格较贵,前期成本投入较大,对于第三方实验室经营尚存在一定挑战。如果未来期望在环境检测行业中大规模普及,需要完成以下2个任务。（1）连续流动分析仪测定水中挥发酚的检测标准正式发布。（2）可以通过仪器设备的大规模使用降低生产成本,从而降低销售价格,但是这方面的不确定性较强。因此进行该类仪器的国产化研发和制造可能是更好的途径,一方面带动国产仪器的发展壮大,另一方面提高该类检测的工作效率、降低环境风险,从而促进环境监测中的环境保护。4结语本文采用连续流动分析法测定地表水中的挥发酚,并对实验原理、实验过程、结论与讨论进行了详细描述。结果表明,连续流动分析法是一种快速、准确、可靠、环保的测量方法,适用于地表水中挥发酚的测定。参考文献：1 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（第四版增补版）M.北京:中国环境出版社,2019.2 席彦凯,戚浩强,吴军新,等.连续流动分析仪对地表水中挥发酚的测定J.科技创新导报,2015(27):114-116.3 陈伟胜,叶林安,金余娣,等.流动注射分析法测定地表水中硫化物、挥发酚和氰化物的实验研究J.绿色科技,2022,24(24):167-171.4 韩冬青,史晓珑,云杰.SKALARSAN+连续流动分析仪测定水体中的挥发酚J.内蒙古石油化工,2013,39(2):14-15.5 夏文盛.SKALAR连续流动分析仪测定地表水中的挥发酚J.环境与展,2020,32(1):172-173.收稿日期：2023-04-25作者简介：马霞,本科,工程师,主要从事环境中水、土、气检测研究,现供职于上海市环境监测技术装备有限公司。通信地址：上海市闵行区申旺路519号12号楼4层。2 周祥.基于PyroSim模拟仿真下密闭空间火场排烟策略分析C/中国消防协会灭火救援技术专业委员会,中国人民警察大学救援指挥学院.2021年度灭火与应急救援技术学术研讨会论文集.出版者不详,2021:83-87.3 史聪灵,钟茂华,何理,等.地铁车站及隧道全尺寸火灾实验研究(1):实验设计J.中国安全生产科学技术,2012,8(6):22-28.4 史聪灵,钟茂华,汪良旗,等.地铁车站及隧道全尺寸火灾实验研究(2):区间隧道火灾J.中国安全生产科学技术,2012,8(8):28-34.5 史聪灵,钟茂华,汪良旗,等.地铁车站及隧道全尺寸火灾实验研究(3):车站隧道火灾J.中国安全生产科学技术,2013,9(3):26-33.收稿日期：2023-04-19作者简介：陈隆,本科,工程师,主要从事消防评估、特殊消防设计及消防检测工作,现供职于上海建科消防技术有限公司。通信地址：上海市闵行区申富路568号。（上接第 138 页）