竖向结构用于多层建筑复合通风与火灾排烟的无量纲模型研究

作     者：李萍 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阳东

授予年度：2016年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：复合通风 火灾排烟 无量纲模型 数值模拟 小尺寸实验 

摘      要：在现代社会中,建筑的大型化使竖向结构较为常见,例如,中庭、楼梯以及烟囱等,这些结构会驱动空气流动以及烟气蔓延。竖向结构通过热压的积累可以提高建筑自身的通风能力,进而改善建筑室内空气质量,同时竖向结构的内部热压也提高了建筑火灾时的排烟能力。所以,竖向结构用于多层建筑通风与火灾排烟凭借其节能、经济、系统简单并具有一定兼容性的优点引起国内外学者的重视。目前国内外学者对竖向结构用于建筑通风做了大量研究,但大多是关于利用竖井纯热压通风模式或者是仅针对单层建筑的竖井热压通风模式。而在竖向结构用于多层建筑通风方面的研究较少,尤其是在多层建筑中,当竖井高度有限时,若所有楼层纯粹利用热压通风,上部楼层可能会出现被下部楼层污风回灌的现象,针对此现象的理论分析方法还不完善。除此之外,当高大建筑中发生火灾时,室内外温差较大,竖向结构内部可以形成烟囱效应。所以若将竖向结构用于建筑通风模式兼顾火灾排烟模式可以实现风机与竖井积累热压构成的复合动力排烟,提高建筑自身的排烟能力并减小风机所需静压力,而且不需要额外的动力设备,可以利用通风风机替代排烟风机。所以复合动力排烟相比于传统机械排烟模式更经济、简单、易操作。因此,本文基于能量守恒、质量守恒基本原理,对竖向结构用于多层建筑复合通风以及火灾排烟无量纲模型进行了深入研究。首先对多层建筑利用竖向结构复合通风无量纲模型进行理论分析,提出无量纲参数—需求通风性能指标 λ,然后基于通风基本理论,得到各层房间的开口大小、中性层高度、自然通风层数三个重要设计参数。同理,提出竖向结构用于多层建筑复合排烟无量纲模型的排烟性能指标 λ,并分析得到复合动力排烟模式下的理论设计参数。其次,基于需求通风性能指标 λ,分析得出本文所提复合通风模式、其他两种低能耗通风模式(置换通风和利用竖井纯热压通风)以及机械通风模式的适用范围,为目标建筑选择合理的通风模式提供了依据。在火灾工况下,同样基于建筑排烟性能指标 λ,提出室内高差形成的热压排烟、利用竖井纯热压排烟、复合动力排烟以及纯机械排烟模式的适用范围。分析得到的各通风模式与排烟模式适用范围,为多层建筑综合选定最优的建筑通风与排烟模式奠定了理论基础。最后,通过对全机械通风与复合通风的能耗比(COP)分析,将本文提出的通风方案的能耗节省率进行量化,从而找到建筑结构参数最优化设计方法。在火灾工况下,对竖向结构用于多层建筑复合动力排烟模式与传统机械排烟模式的所需风机功率进行了对比分析,发现复合动力排烟模式提高了建筑自身排烟能力,减小了风机所需静压力,从而可能节省排烟风机的初投资。本文中采用CFD软件,以及三种不同的湍流模型,模拟验证目标建筑计算域内的流场分布,并将竖井中垂线温度分布、房间出风口质量流量、竖井中垂线压力分布的模拟监测结果与理论模型分析值进行对比,得出本文所提复合通风模式具有较高的准确性与可靠性。最后在相似理论分析基础上,利用小尺寸的盐水实验验证本文所提出的复合通风与排烟工况下的流场分布,从而进一步验证理论分析的正确性以及本文所提模型的合理性。