高层建筑楼梯间及电梯井火灾烟气运动与控制数值模拟

论文摘要

经济建设的迅速发展和城市建设步伐的加快,促进了高层建筑数量和规模的迅速扩大。在高层建筑的设计中,如果对防火设计缺乏考虑或考虑不周全,一旦发生火灾,会造成严重的人员伤亡事故和经济损失。随着高层建筑高度的增加和容纳人数的增多,利用楼梯疏散会产生耗用时间加长,易拥堵等诸多弊端,因此专家学者已开始对火灾初期利用电梯疏散人员的可行性进行研究。但是火灾发生后,作为人员逃生的竖向疏散通道如果遭受烟气侵害,不仅对人员的逃生不利,而且会加快烟气向其他楼层的蔓延。因此,研究楼梯间及电梯井中烟气运动规律及其控制具有重要的实际意义。楼梯间及电梯井烟气运动复杂多变,因此作为人员的逃生通道需要建立详细的物理量时空分布场模型,进行精确、可靠地数值模拟,确保精细地再现火灾现象,因此,本文选用目前国际上公认的最为可靠的模拟火灾产生的烟雾流动的计算流体动力学软件FDS进行模拟。本文在分析楼梯间及电梯井的烟气运动影响因素的基础上,结合烟囱效应机理和电梯运动活塞效应原理,建立了典型竖向疏散通道的物理模型,并进行数值模拟,得出烟气在楼梯间及电梯井中的运动特性。研究表明:由于烟囱效应的作用,电梯井中的烟气充填迅速,上升速度较快,最高可达3.3m/s;楼梯间的烟气由于受到楼梯的影响,运动状况较为复杂,上升较慢。不同室内外温差、火源位置、室外风等因素会对高层建筑中的压力分布,烟气运动速度产生不同程度的影响。电梯不同运行状态对烟气运动影响的动态数值模拟,是本文的创新之处,电梯运动使得前室与建筑空间之间的压力差呈现先升后降的趋势,电梯向下运动一定程度上可以减缓烟气的扩散,而电梯向上运动会加速烟气通过前室向其它楼层地扩散。通过分析机械加压送风系统的方式、送风量及影响因素,对机械加压送风系统的几种方式进行了计算机模拟。研究表明:仅对楼梯间或前室加压送风,会使得一部分烟气进入楼梯间和电梯井,并且烟气的运动会对机械加压送风效果产生影响,对人员疏散不利;对楼梯间和合用前室分别进行加压送风效果较好,能够满足疏散要求。本文的研究结论可以为高层建筑防火设计提供一定的技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.1.1 近几年国内外发生的较为典型的高层建筑火灾案例
• 1.1.2 火灾情况下利用电梯疏散人员的成功案例
• 1.1.3 研究的意义
• 1.2 高层建筑火灾特点
• 1.3 火灾烟气的危害
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 火灾模型综述
• 1.4.2 国内外高层建筑楼梯间及电梯井烟气运动与控制研究现状
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 高层建筑楼梯间和电梯井烟气运动及控制的研究基础
• 2.1 楼梯间及电梯井烟气运动特性
• 2.1.1 高温引起的烟气膨胀
• 2.1.2 烟囱效应的机理
• 2.1.3 电梯运动活塞效应
• 2.2 楼梯间及电梯井烟气控制
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 机械加压送风系统的优点
• 2.2.3 机械加压送风系统的方式及正压值的确定
• 2.2.4 机械加压送风系统的送风量
• 2.2.5 机械加压送风系统的影响因素
• 2.3 本章小结
• 第三章 场模型FDS 理论基础及Pyrosim 的介绍
• 3.1 火灾动态模拟器FDS 简介
• 3.2 FDS 理论基础
• 3.2.1 流体动力学模型
• 3.2.2 大涡模拟
• 3.2.3 燃烧模型
• 3.3 FDS 的边界条件及计算域
• 3.3.1 热边界条件
• 3.3.2 壁面速度
• 3.3.3 计算域
• 3.4 Pyrosim2010 介绍
• 3.5 本章小结
• 第四章 楼梯间及电梯井烟气运动与充填数值模拟研究
• 4.1 物理模型
• 4.1.1 建立典型竖向疏散通道物理模型
• 4.1.2 火灾场景
• 4.1.3 前提假设及边界条件设置
• 4.1.4 网格划分
• 4.2 计算机数值模拟
• 4.2.1 烟气在楼梯间及电梯井中的流动形式
• 4.2.2 烟气温度分布
• 4.2.3 烟气中一氧化碳的浓度分布
• 4.2.4 烟气中二氧化碳的浓度分布
• 4.2.5 烟气在竖向疏散通道中的压力分布
• 4.2.6 烟气流动速度
• 4.3 室内外温差对烟气运动的影响
• 4.4 着火源位置不同的对烟气运动的影响
• 4.4.1 着火源位置不同对烟气流动速度的影响
• 4.4.2 着火源位置不同对一氧化碳浓度百分比的影响
• 4.5 电梯不同运行状态对烟气运动的影响
• 4.5.1 电梯运动对烟气运动影响的效果
• 4.5.2 电梯运动对压力分布的影响
• 4.5.3 电梯运动对烟气运动速度的影响
• 4.6 室外风对烟气运动的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 高层建筑楼梯间及电梯井烟气控制模拟研究
• 5.1 模型设置及测点布置
• 5.2 不同加压送风方式数值模拟计算
• 5.2.1 仅对楼梯间进行加压送风
• 5.2.2 仅对合用前室进行加压送风
• 5.2.3 对楼梯间及合用前室分别进行加压送风
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录