1. 简介

BRE指南排烟排热通风设计方法（Morgan等人，1999 年）总结了BRE消防研究站（英国）提供给中庭和其他建筑设计师的建议。BRE文件的附录D比较了应用于多层购物商场的不同火灾溢出羽流计算方法。

 

BRE指南的目的是为中庭和其他建筑物的排烟排热通风系统 (SHEVS) 设计提供实用指南。它既反映了当前的知识，又借鉴了作者在许多烟雾控制应用中为监管目的所需的设计功能方面的经验。附件D提供了大面积储烟仓的示例计算，其中自由羽流从溢出边缘上升。

 

FDS是NIST（美国）开发的火灾动力学模拟器。它是火灾驱动流体流动的计算流体动力学 (CFD) 模型。该软件以数值方式求解适用于低速热驱动流的Navier-Stokes方程形式，关键是火灾产生的烟雾和热量传输。

 

在本文中，我们将火灾动力学模拟器 (FDS) 结果与 BRE附录D中的计算结果进行了比较。

 

2. 附录D计算

示例计算代表了多层购物商场中典型商店的火灾。火灾发生在一家商店内，烟雾从商店中排出，并被引导到一段溢出边缘。自由羽流从溢出边缘上升到天花板。几何图形的详细信息如下：

• 商店宽度=10 m，无下立面。
• 为简化起见，层高=5 m。
• 对流热通量=5000 kW，来自3 m x 3 m的火灾。
• 烟雾被直接引导到10米长的溢出边缘。
• 溢出边缘没有下挡板。

 

 

图 1. 理想化的购物商场（来自BRE附录D）

 

相应的FDS模型如下图2所示。尺寸与计算中指定的尺寸相同。商店两侧的烟幕在溢出边缘下方延伸2米。问题的边界是开放的，除了地板、天花板、商店后墙和阳台。这与图1中假设的自由羽流的烟雾模式一致。总放热率为7692.3 kW，辐射率为35%，对流放热率为5000kW。火灾的特征火灾直径（D*）为2.2 m。网格尺寸为0.2 m，约等于D*/10，该尺寸应能给出合理的结果。

 

 

图 2. 购物商场火灾的FDS模型。

 

3. 示例计算与FDS结果的比较

我们现在将继续执行附件D计算的每个步骤，并将计算结果与FDS结果进行比较。FDS结果的概览如图3所示。

 

 

图 3. FDS 结果显示 t=101s时的烟羽。

 

3.1.计算1：溢流边缘的质量流速

 

按照附件D中的程序，我们首先计算从商店到溢出边缘的烟雾的质量流量。使用BRE公式5.7：

 

BRE公式 5.7

 

 

M_w是通过垂直开口的烟气的质量流量（千克/秒）

 

C_e是夹带系数（对于小房间）0.34 kg/sec-m5/2

 

ρ是火的周长（米）

 

W是开口的宽度（米）

 

h是开口顶部离地面的高度（m）

 

C_d是开口的流量系数（1.0没有下降）

 

笔记：

等式中的数字2是各种参数组合的结果，是有量纲的。

 

计算结果为29.2kg/s的质量流速。FDS结果给出36.3 kg/s，比计算值大25%。

 

3.2. 计算 2：溢流边缘的烟层厚度

 

我们使用BRE方程5.11计算溢出边缘的烟层厚度：

 

BRE公式 5.11

 

 

D_B是阳台下流动烟层厚度(m)

 

C_d是开口的流量系数（1.0没有下降）

 

M_B是阳台下的质量流量，在第3.1节中计算（千克/秒）

 

T_l是气层的质量加权平均绝对温度（K）

 

θ_l是气层中高于环境温度的温升 (K)

 

W_B是阳台通道宽度（米）

 

T₀是绝对环境温度（K）

 

计算结果层厚为1.19 m。FDS结果给出了阳台边缘中间的层厚度1.63 m，比计算值大37%。

 

 

3.3.计算3：溢流羽流中的携带流

 

BRE文件在附录E中提供了一种方法，但也注意到，使用Thomas方法（方程6.5）和Poreh方法（方程6.6）进行更简单的计算ρ会得到相同的结果，因此我们使用Thomas/Poreh法。首先使用BRE方程6.6和6.4进行计算ρ：

 

BRE公式6.6：Poreh方法

 

 

BRE公式6.4

 

 

 

C_e是夹带系数（自由羽流为0.44），

ρ₀是环境空气的密度 (kg/m3 ),

L是溢出边缘的长度（m），

Q_w是对流热通量 (kW)。

知道ρ后，我们使用BRE方程6.5计算羽流中的质量流速：

 

BRE公式6.5：Thomas方法

 

 

M₁是高度处烟雾气体的质量流量（kg/s），

ρ是高处暖气体的密度（kg/m3），

c是空气的比热（kJ/kg-K），

h_b是热羽流在空隙边缘下方的高度（m），以及

∆是热羽流在空隙边缘上方的上升高度（m）。

 

计算结果为层深为1.19 m。FDS结果给出了阳台边缘中间的层深度1.63 m，比计算值大37%。

 

h是开口顶部离地面的高度（m），

 

图 4显示了羽流中 Thomas/Poreh 计算（在BRE中描述）和FDS结果的比较。商场天花板高度为15 m，店铺阳台高度为5 m，所以阳台边缘到天花板的距离为10 m。Thomas/Poreh计算不考虑天花板高度，而FDS计算包括天花板处的热气层。该层影响天花板下方约2-3m处的流动，如图 5中的速度矢量所示。

 

 

图 4. 使用 Thomas/Poreh计算和FDS结果（时间平均）比较羽流中的流动夹带。

 

图5显示了100秒时FDS计算的速度矢量的模型切片。你可以看到阳台和购物商场天花板上的层的形成。请注意，FDS解决方案是动态的，并且随时间变化。这是一个典型的结果。

 

 

图 5. FDS结果在100秒时的速度矢量切片。

 

 

4.总结

 

BRE文档中描述的计算与FDS之间的相关性很令人满意。BRE计算适用于一系列实验数据，而不是针对此特定问题的准确结果。希望本教程让您对BRE计算和FDS更有信心。