CN103440810B - 用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统及使用方法，该系统用盐水在清水中的运动和扩散来模拟烟气在空气中的蔓延和热量传递，该系统包括模拟室外自然补风环境的实验清水箱、置于实验清水箱中模拟高大建筑空间的模型、通过盐水注入管与模型连接的盐水高位水箱、通过模型清水注入管与模型连接的清水高位水箱、与盐水高位水箱连接的储盐水箱、与清水高位水箱连接的储清水箱、连接在模型下端的模型排水管、同时与模型排水管连接的太阳能蒸发浓缩器及排水箱。与现有技术相比，本发明的系统结构简单，易于制造，可对不同的空间通风及排烟效果进行实验模拟，且模拟准确度更高，排水可回收利用。

Description

用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统及使用方法

技术领域

本发明涉及通风与防排烟领域，尤其是涉及一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统及使用方法，用于为高大空间通风及防排烟设计提供实验依据。

背景技术

随着建筑技术的进步与人民生活水平的提高，建筑物不断向高、大、功能多样化发展。现代建筑物为满足日益增长的人民对于生活品质的追求，建筑物内不断涌现各类中庭等高大空间，给建筑物的通风及防排烟带来很大压力。

现行《建筑设计防火规范》GB50016中对中庭等高大空间的机械排烟量的规定还只是停留在按照体积取换气次数考虑；没有考虑可能发生的火灾的火源特性及高大空间本身的特点。

但是在例如商场、影院、体育场、厂房、交通枢纽站等大空间建筑中，人员密度较大，发生火灾时，伤亡者中大多是由于吸入烟气中毒所至或中毒后晕厥被火烧死。因此，为了保证火灾中人员在烟气曼延前有安全的疏散通道和足够的疏散时间，需要了解烟气的扩散过程、各种排烟方法对烟气扩散规律的影响和烟气扩散对室内气流运动的影响，以便确定有效的控制火灾烟气扩散的方法和组织人员疏散的方式。

烟气扩散及防排烟技术的研究与应用的途径有全尺寸火灾试验、小尺寸模拟试验和计算机数值模拟。其中，CFD模拟基于控制方程的抽象化和边界条件简化，在缺乏实验验证的情况下，往往难以确定计算结果的准确性。盐水模拟试验是一种真实直观、节省费用的清洁环境的烟气运动研究方法，属于小尺度模拟试验，其特点是不同介质的模拟，其基本思想是用盐水在清水中的运动和扩散来模拟烟气在空气中的蔓延和热量传递。

高大建筑中庭内高火源强度引发的热烟气，受到浮力作用，形成烟气羽流和水平分层流；盐水在清水中的运动，在重力作用下形成重力流，两者运动的控制方程具有相似性。因此，可以采用缩尺模型试验，使盐水在重力驱动下的向下运动模拟烟气有浮力驱动的向上运动，用盐水和清水产生的密度差来模拟实际高大中庭内火灾发生时的烟气的运动和扩散过程，周围的冷空气环境由清水代替，盐水向下运动遇到底面后的流动模拟烟气到达中庭顶部后的流动。如果已知模型和实体建筑中相应变量的比例，就可以通过模型试验来预测实际建筑内的温度场合烟气扩散过程。

盐水模型试验的基本理论可以用热量和质量传递的比拟来概括，及空气中热分层浮力流动用清水中密度差流动来模拟。盐水密度大于清水，热源温度高于环境空气，只要两者的控制方程一致，两种运动就可能实现相似。高大中庭空间流动由火源散热驱动烟羽流向上部扩散，并通过排烟风机排出；室外空气通过补风风机和自然进风进入室内补充烟羽流的体积膨胀。盐水模型试验则将空间缩小到一定尺度，以高浓度盐水缓慢注入到清水中来模拟火源。盐水羽流密度大于清水，因而向下运动。

中庭火灾的烟气扩散实质上是下部火源驱动下的自然对流，可采用以下特征量：(1)特征高度为空间高度H_m和H_f；(2)特征速度(根据火源和盐源浮力通量驱动)为u_m＝(B_m/H_m)^1/3和u_f＝(B_f/H_f)^1/3；(3)特征时间为H_m/u_m和H_f/u_f。

经过无因次化处理，建筑中庭烟气扩散对流流动的控制方程(不可压缩)为：

$\left.\begin{array}{c}\frac{\∂U_j}{\∂X_j}=0\\ \frac{\∂U_i}{\∂t}+\frac{\∂\left(U_i{U}_j\right)}{\∂X_j}=-\frac{\∂P}{\∂X_i}+\frac{\∂}{\∂X_j}\[\frac{1}{\mathrm{Re}}(\frac{\∂U_i}{\∂X_j}+\frac{\∂U_j}{\∂X_i})+k_i\mathrm{\Θ}/{\mathrm{Fr}}^2\]\\ \frac{\∂\mathrm{\Θ}}{\∂t}+\frac{\∂U_j\mathrm{\Θ}}{\∂X_j}=\frac{1}{Pe}\frac{\∂}{\∂X_j}\left(\frac{\∂\mathrm{\Θ}}{\∂X_j}\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中，k_i＝(0,1,0)；Θ＝ΔT/T₀；

而盐水密度差对流运动的控制方程为(不可压缩)：

$\left.\begin{array}{c}\frac{\∂U_j}{\∂X_j}=0\\ \frac{\∂U_i}{\∂t}+\frac{\∂\left(U_i{U}_j\right)}{\∂X_j}=-\frac{\∂P}{\∂X_i}+\frac{\∂}{\∂X_j}\[\frac{1}{\mathrm{Re}}(\frac{\∂U_i}{\∂X_j}+\frac{\∂U_j}{\∂X_i})+k_{i}C/{\mathrm{Fr}}^2\]\\ \frac{\∂C}{\∂t}+\frac{\∂\left(U_{j}C\right)}{\∂X_j}=\frac{1}{Pe}\frac{\∂}{\∂X_j}\left(\frac{\∂C}{\∂X_j}\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中，C＝Δρ/ρ₀

显然，烟气中的能量传递和清水中盐浓度传递过程是可以类比的。因为质量守恒方程、动量守恒方程以及Θ和C守恒方形式分别相同，两个运动方程组(1)和(2)是可以相似的。

依照相似理论建立模型，保证缩尺模型和原建筑空间具有相同的准则数(Fr，Re)的前提下进行实验的办法具有不需依赖经验理论、可靠性高的优点。在模型试验中由于空气的粘滞系数为水的15倍。在保证实验结果的准确性的前提下，盐水实验能做到较小的体积，从而带来易于测量，实验结果直观的好处。同时通过改变盐源强度及盐水箱中排水的控制方式，可以达到针对不同火源强度下、不同排烟风量的作用效果。

按照火源强度不同，排烟量设计不同，盐水模拟实验中排水中含盐量也是很惊人的。对于火灾源强度在2MW以上，实验耗盐量在1kg/s(3.6t/h)以上，源强度达到10MW时，实验耗盐量超过4kg/s(14.4t/h)。无论从环保还是节省实验费用角度出发，都应该对实验排水进行集中处理或者回收。太阳能蒸发浓缩是利用一定装置收集太阳能光热，使得含盐溶液水分蒸发，从而达到浓缩的目的。通过相关流量控制，使排水经太阳能蒸发浓缩装置蒸发浓缩达到储盐水箱浓度后，再输送至储盐水箱。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、模拟准确度高的用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统及使用方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，用于模拟不同火灾强度下、不同排烟风量的排烟效果，该系统包括：

实验清水箱：模拟室外自然补风环境；

模型：置于实验清水箱中，模拟高大建筑空间；

盐水高位水箱：通过盐水注入管与模型连接；

清水高位水箱：通过模型清水注入管与模型连接，同时与实验清水箱之间通过清水箱清水注入管连接；

储盐水箱：与盐水高位水箱连接，向盐水高位水箱泵入盐水；

储清水箱：与清水高位水箱连接，向清水高位水箱泵入清水；

模型排水管：连接在模型的下端；

太阳能蒸发浓缩器：进口端与模型排水管连接，出口端与储盐水箱连接；

排水箱：与模型排水管连接。

所述的储盐水箱与盐水高位水箱之间通过盐水提升管连接，盐水提升管上设有第一盐水泵；所述的储清水箱与清水高位水箱之间通过清水提升管连接，清水提升管上设有清水泵。

所述的盐水注入管、模型清水注入管、模型排水管、盐水提升管及清水提升管上均设有流量调节阀，所述的盐水注入管、模型清水注入管、模型排水管及清水箱清水注入管上设有流量计。

所述的实验清水箱、储盐水箱及储清水箱的底端均设有排污泄水阀。

所述的盐水高位水箱与储盐水箱之间设有第一溢流管，所述的清水高位水箱与储清水箱之间设有第二溢流管。

所述的盐水注入管上设有能使盐水以高湍流、低速度注入模型内部的盐水注入口，该盐水注入口为均流突扩腔体。

所述的模型排水管上设有密度计，模型排水管位于密度计之后的管路分别与太阳能蒸发浓缩器及排水箱连接，且太阳能蒸发浓缩器及排水箱的入口端分别设有开关阀。

一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统的使用方法，该方法用盐水在清水中的运动和扩散来模拟烟气在空气中的蔓延和热量传递，具体包括以下步骤：

(1)通过调节盐水注入管的流量控制盐源强度，即模拟不同火灾强度；

(2)通过调节模型排水管的流量进行排水控制，模拟不同排烟风量下的排烟效果；

(3)通过调节模型清水注入管的流量进行补水控制，模拟排烟补风效果；

(4)通过改变盐水种类、配比及密度，以及不同的排水方式，进行不同的盐水试验，以模拟不同火源强度的烟气扩散特性及排烟效果；

(5)当模型排水管内的含盐浓度与储盐水箱的含盐浓度之比大于20％时，开启太阳能蒸发浓缩器入口端的开关阀，模型排水管的排水流入太阳能蒸发浓缩器中，经浓缩达到储盐水箱的含盐浓度后输送至储盐水箱中，当模型排水管内的含盐浓度与储盐水箱的含盐浓度之比小于20％时，开启排水箱入口端的开关阀，模型排水管的排水流入排水箱中收集。

当火灾源强度位于0～2MW之间时，盐水试验用盐为NaCl，盐溶液密度的范围为0～1300kg/m³；当火灾源强度位于2～10MW之间时，盐水试验用盐为CaCl₂，盐溶液的密度大于1300kg/m³。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明的系统结构简单，易于制造，实验清水箱中模拟高大建筑空间的模型可以更换，可对不同的空间通风及排烟效果进行实验模拟。

(2)本发明可以通过改变盐水种类、配比及密度，实现不同火源强度的烟气扩散特性及排烟效果的实验模拟。

(3)盐水注入口通过均流突扩腔体实现低速、高湍流的要求，贴近火源特性。

(4)本发明中，排水统一集中处理，避免造成环境污染，同时排水含盐浓度与盐水箱中浓度之比大于20％时，可以采用装置中的太阳能蒸发浓缩进行回用。

附图说明

图1为本发明的用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统的结构示意图。

图中：1为储盐水箱，2为第一盐水泵，3为盐水高位水箱，4为盐水注入管，5为实验清水箱，6为模型，7为模型排水管，8为流量计，9为太阳能蒸发浓缩器，10为第二盐水泵，11为排水箱，12为储清水箱，13为清水泵，14为清水高位水箱，15为清水箱清水注入管，16为模型清水注入管，17为密度计，18为盐水提升管，19为清水提升管，20为第一溢流管，21为第二溢流管，22为排污泄水阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，用于模拟不同火灾强度下、不同排烟风量的排烟效果，如图1所示，该系统包括模拟室外自然补风环境的实验清水箱5、模型6、盐水注入管4、模型清水注入管16、模型排水管7、盐水高位水箱3、清水高位水箱14、储盐水箱1、储清水箱12、太阳能蒸发浓缩器9及排水箱11；其中，模拟高大建筑空间的模型6置于实验清水箱5中；盐水注入管4连接在模型6的上端；模型清水注入管16连接在模型6的上端；模型排水管7连接在模型6的下端；盐水高位水箱3与盐水注入管4连接；清水高位水箱14与模型清水注入管16连接，同时与实验清水箱5之间通过清水箱清水注入管15连接；储盐水箱1与盐水高位水箱3连接；储清水箱12与清水高位水箱14连接；太阳能蒸发浓缩器9进口端与模型排水管7连接，出口端与储盐水箱1连接，且太阳能蒸发浓缩器9与储盐水箱1之间设有第二盐水泵10；排水箱11与模型排水管7连接。

储盐水箱1与盐水高位水箱3之间通过盐水提升管18连接，盐水提升管18上设有第一盐水泵2；储清水箱12与清水高位水箱14之间通过清水提升管19连接，清水提升管19上设有清水泵13。

盐水注入管4、模型清水注入管16、模型排水管7、盐水提升管18及清水提升管19上均设有流量调节阀，盐水注入管4、模型清水注入管16、模型排水管7及清水箱清水注入管15上设有流量计8。

实验清水箱5、储盐水箱1及储清水箱12的底端均设有排污泄水阀22。

盐水高位水箱3与储盐水箱1之间设有第一溢流管20，清水高位水箱14与储清水箱12之间设有第二溢流管21。

盐水注入管4上设有能使盐水以高湍流、低速度注入模型6内部的盐水注入口，该盐水注入口为均流突扩腔体。

模型排水管7上设有密度计17，模型排水管7位于密度计17之后的管路分别与太阳能蒸发浓缩器9及排水箱11连接，且太阳能蒸发浓缩器9及排水箱11的入口端分别设有开关阀。

一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统的使用方法，该方法用盐水在清水中的运动和扩散来模拟烟气在空气中的蔓延和热量传递，具体包括以下步骤：

(1)通过调节盐水注入管4的流量控制盐源强度，即模拟不同火灾强度；

(2)通过调节模型排水管7的流量进行排水控制，模拟不同排烟风量下的排烟效果；

(3)通过调节模型清水注入管16的流量进行补水控制，模拟排烟补风效果；

(4)通过改变盐水种类、配比及密度，以及不同的排水方式，进行不同的盐水试验，以模拟不同火源强度的烟气扩散特性及排烟效果；

(5)当模型排水管7内的含盐浓度与储盐水箱1的含盐浓度之比大于20％时，开启太阳能蒸发浓缩器9入口端的开关阀，模型排水管7的排水流入太阳能蒸发浓缩器9中，经浓缩达到储盐水箱1的含盐浓度后输送至储盐水箱1中，当模型排水管7内的含盐浓度与储盐水箱1的含盐浓度之比小于20％时，开启排水箱11入口端的开关阀，模型排水管7的排水流入排水箱11中收集。

当火灾源强度位于0～2MW之间时，盐水试验用盐为NaCl，盐溶液密度的范围为0～1300kg/m³；当火灾源强度位于2～10MW之间时，盐水试验用盐为CaCl₂，盐溶液的密度大于1300kg/m³。

实施例2

利用本发明中的盐水实验模拟系统，对上海中心高大中庭的火灾烟气扩散情况进行模拟。根据相似理论，采用Fr数相等，Re自模化的方式。经计算校核，设置模型几何比例尺为1:40。需要模拟的火灾强度工况分为(0.2MW，1MW,2.1MW.5MW.10MW)实验程序如下：

(1)根据需要模型几何比例尺、火灾强度，选择CaCl₂溶液作为盐溶液，溶液配比及密度按照火源强度分别确定；按照相关比例尺要求，调节设定好盐水注入流量、排水流量及补水流量；

(2)试运行相关管路系统，保证相关管口出水满足设计浓度及流量要求；

(3)按照图1所示，将按照比例尺定制好的中庭空间建筑物模型6倒置放入实验清水箱5中，按照火灾发生位置、排烟口位置、排烟补风位置在模型中的位置分别连接相应的盐水注入管4、模型排水管7、模型清水注入管16；

(4)按照模拟实验的时间比例尺及火灾模拟时间段，进行不同火灾强度下的响应时间的模拟。期间每隔5s对盐水实验箱进行拍照；

(5)当模型排水管7内的含盐浓度与储盐水箱1的含盐浓度之比大于20％时，开启太阳能蒸发浓缩器9入口端的开关阀，模型排水管7的排水流入太阳能蒸发浓缩器9中，经浓缩达到储盐水箱1的含盐浓度后输送至储盐水箱1中，当模型排水管7内的含盐浓度与储盐水箱1的含盐浓度之比小于20％时，开启排水箱11入口端的开关阀，模型排水管7的排水流入排水箱11中收集；

(6)实验期间，根据盐水注入流量及盐水高位水箱3储水量，定期开启第一盐水泵2；同理对清水高位水箱14也做类似处理。

Claims (8)

1.一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，用于模拟不同火灾强度下、不同排烟风量的排烟效果，其特征在于，该系统包括：

实验清水箱(5)：模拟室外自然补风环境；

模型(6)：置于实验清水箱(5)中，模拟高大建筑空间；

盐水高位水箱(3)：通过盐水注入管(4)与模型(6)连接；

清水高位水箱(14)：通过模型清水注入管(16)与模型(6)连接，同时与实验清水箱(5)之间通过清水箱清水注入管(15)连接；

储盐水箱(1)：与盐水高位水箱(3)连接，向盐水高位水箱(3)泵入盐水；

储清水箱(12)：与清水高位水箱(14)连接，向清水高位水箱(14)泵入清水；

模型排水管(7)：连接在模型(6)的下端；

太阳能蒸发浓缩器(9)：进口端与模型排水管(7)连接，出口端与储盐水箱(1)连接；

排水箱(11)：与模型排水管(7)连接；

所述的模型排水管(7)上设有密度计(17)，模型排水管(7)位于密度计(17)之后的管路分别与太阳能蒸发浓缩器(9)及排水箱(11)连接，且太阳能蒸发浓缩器(9)及排水箱(11)的入口端分别设有开关阀。

2.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，其特征在于，所述的储盐水箱(1)与盐水高位水箱(3)之间通过盐水提升管(18)连接，盐水提升管(18)上设有第一盐水泵(2)；所述的储清水箱(12)与清水高位水箱(14)之间通过清水提升管(19)连接，清水提升管(19)上设有清水泵(13)。

3.根据权利要求2所述的一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，其特征在于，所述的盐水注入管(4)、模型清水注入管(16)、模型排水管(7)、盐水提升管(18)及清水提升管(19)上均设有流量调节阀，所述的盐水注入管(4)、模型清水注入管(16)、模型排水管(7)及清水箱清水注入管(15)上设有流量计(8)。

4.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，其特征在于，所述的实验清水箱(5)、储盐水箱(1)及储清水箱(12)的底端均设有排污泄水阀(22)。

5.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，其特征在于，所述的盐水高位水箱(3)与储盐水箱(1)之间设有第一溢流管(20)，所述的清水高位水箱(14)与储清水箱(12)之间设有第二溢流管(21)。

6.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统，其特征在于，所述的盐水注入管(4)上设有能使盐水以高湍流、低速度注入模型(6)内部的盐水注入口。

7.一种如权利要求1～6任一所述的用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统的使用方法，其特征在于，该方法用盐水在清水中的运动和扩散来模拟烟气在空气中的蔓延和热量传递，具体包括以下步骤：

(1)通过调节盐水注入管(4)的流量控制盐源强度，即模拟不同火灾强度；

(2)通过调节模型排水管(7)的流量进行排水控制，模拟不同排烟风量下的排烟效果；

(3)通过调节模型清水注入管(16)的流量进行补水控制，模拟排烟补风效果；

(4)通过改变盐水种类、配比及密度，以及不同的排水方式，进行不同的盐水试验，以模拟不同火源强度的烟气扩散特性及排烟效果；

(5)当模型排水管(7)内的含盐浓度与储盐水箱(1)的含盐浓度之比大于20％时，开启太阳能蒸发浓缩器(9)入口端的开关阀，模型排水管(7)的排水流入太阳能蒸发浓缩器(9)中，经浓缩达到储盐水箱(1)的含盐浓度后输送至储盐水箱(1)中，当模型排水管(7)内的含盐浓度与储盐水箱(1)的含盐浓度之比小于20％时，开启排水箱(11)入口端的开关阀，模型排水管(7)的排水流入排水箱(11)中收集。

8.根据权利要求7所述的一种用于建筑通风排烟实验的盐水实验模拟系统的使用方法，其特征在于，当火灾源强度位于0～2MW之间时，盐水试验用盐为NaCl，盐溶液密度的范围为0～1300kg/m³；当火灾源强度位于2～10MW之间时，盐水试验用盐为CaCl₂，盐溶液的密度大于1300kg/m³。