1.常州华瀚建筑设计有限公司 江苏常州 213000；2.东华大学 上海 200000
摘要：单室火灾中，采用机械排烟时，为了防止烟气层被吸穿，需要控制排烟口之间的间距。利用FDS软件，对房间机械排烟两个排烟口进行研究，采用室内温度参数观测排烟口吸穿时，排烟口的间距，得到排烟口最小间距。对不同排烟风量下排烟工况进行研究，得出不同排烟风量下的排烟口防止吸穿的临界间距，并利用合理的推导公式，对数据进行拟合，最终得出可以指导设计施工的排烟口最小间距的计算公式。
关键词：FDS；机械排烟；排烟口吸穿现象；排烟口最小间距
火灾受到人们的广泛关注，其直接损失约为地震的五倍，而其发生的频度居各类灾难之首。根据统计，火灾中80%以上的人员伤亡都是由烟气造成的，火灾烟气是可燃物热解燃烧产生的多种气体、液滴及固体小颗粒组成的混合物，根据燃烧材料的不同，烟气成分也不相同，但常规含有CO、CO2等有毒气体，还含有减弱光线的微粒型悬浮物。因此降低烟气对人员产生的危害，保证在人员撤离到安全区域前，烟气仍处于对人员造成危害的最小高度以上，这是暖通专业的主要内容。机械排烟由于受外界影响较小，不像自然排烟会受到自然条件（如室外风速、风压、风向）的影响，能够保证有稳定的排烟量，具有可靠性高、排烟迅速等优点，所以现在很多自然条件较差的厂房、多层、高层建筑均采用机械排烟系统。
1 排烟口吸穿现象
可燃物发生明焰燃烧后，燃烧产生的高温烟气，其密度比常温气体低的多，因而具有较大的浮力，烟气向上提升并向外膨胀，同时空气层会向内卷吸，从而使得烟气扩大。可燃物上方的烟羽流在上升碰到顶棚后，热烟气由垂直流动改为水平流动，并沿顶棚向四周蔓延，并迅速充满全室。此时顶棚上设置的感烟式火灾探测器被触发，在15s内联动开启相应防烟分区内的排烟口、排烟风机，排烟口开始排烟。随着排烟的进行，当排烟风量较小时，排烟口下的烟气层不会被吸穿，排烟口烟气层厚度处于相对稳定的状态。而当排烟风量较大时，排烟口下的烟气层被吸穿，排烟口下方无明显烟气层存在，此时排烟口卷吸大量空气，使得排烟效率大大降低。
.png)
如上图所示，当排烟口风量正常时，排烟口仅仅能吸取储烟仓内的烟气，烟气层仅在排烟口处略微向上凹陷，对冷空气不造成影响，此时烟气层厚度稳定，整个烟气层均一性良好。随着排烟量的增大，烟气层出现小部分吸穿，周围烟气向凹坑补充的同时卷吸部分下层冷空气，这一阶段称为过渡阶段。存在一个临界点，超过该临界点时，排烟主体气流对周围空气的扰动非常明显，将烟层以下的冷空气搅扰并夹带到主体气流中，烟气层完全吸穿，称为完全吸穿阶段，风量越大，夹带的冷空气就越多，冷空气作为排烟工况下的无效气体，占用部分排烟口面积，使得排烟口排烟效率降低，排烟系统的可靠性和经济性变差。
2 试验建立
在设计工作中，对于较高较大的房间，排烟口的布置均有很大的布置空间，不会有很大的局限性。常常在较扁平的空间中，受制于最小清晰高度的影响，烟气层厚度不能太厚，比较容易出现排烟口吸穿的现象。在较小的房间中，由于吊顶造型、空调设备的影响，排烟口间距不能布置太大，排烟口之间会互相影响，所以本文研究对象选择层高较小、房间面积不大的空间。
本文利用FDS软件，采用一个16.0m×7.0m×3.6m的会议室作为研究模型，会议室内布置有会议桌和座椅，外墙设置有一个1.8m×1.0m的外窗作为自然补风口，顶棚上设置有排烟口，火源设置在办公桌上，火源离地高度1.0m，地面设置有木地板，室内设置一个1.2m×1.0m的疏散门，具体布置如下图：
.png)
为了研究两个排烟口的互相影响，需要在保证风量不变的情况下，改变排烟口之间的间距，找到吸穿排烟口时的间距，从而得到每个排烟风量下的，排烟口之间的最小允许间距。试验参数设计如下表：
单个风口排烟量 5.00m/s 5.14m/s 5.28m/s 5.42m/s 5.56m/s 5.69m/s 5.83m/s
间距0.2m √ √ √ √ √ √ √
间距0.5m √ √ √ √ √ √ √
间距0.8m √ √ √ √ √ √ √
间距1.1m √ √ √ √ √ √ √
间距1.4m √ √ √ √ √ √ √
间距1.7m √ √ √ √ √ √ √
间距2.0m √ √ √ √ √ √ √
共进行49组试验，并记录排烟口下的温度、CO2浓度参数的变化。
3 排烟风量20000m3/h时，排烟口防止吸穿的临界间距
以下选取单风口排烟量为20000m3/h作为分析，其他风量下的温度变化类似，得出最小排烟口间距的过程类似，不做累述。
下图为排烟口间距为1.1m时，室内烟气层稳定后，排烟口下方的温度分布图。
.png)
下表为20000m3/h排烟风量，排烟口下方各测点的排烟口间距—温度曲线，其中横坐标为排烟口间距，纵坐标为每个测点的温度Ti与房间内最大温度Tmax的比值。
.png)
从图可以看出，随着风口间距的减少，排烟口下方的温度逐渐下降，不同高度之间的温差逐渐减小，并越来越接近环境温度。当排烟口间距小于等于1.1m后，排烟口下方的温度趋于一个定值，结合温度分布图可以确定，当风口间距小于1.1m时，排烟口出现吸穿现象。可以确定，每个排烟口排烟风量为20000m3/h时，为了防止发生吸穿现象，排烟口间距必须大于1.1m。
4 不同排烟风量时，排烟口防止吸穿的临界间距
根据上段的讨论，采用同样的分析方法，以下为不同排烟风量，排烟口下方各测点的风口间距-温度曲线。
.png)
根据同样的分析，可以得出每个排烟风量下，排烟口出现吸穿现象的临界排烟风口间距：
.png)
5 排烟口防止吸穿的临界间距公式推导
青岛绿城建筑设计有限公司的刘成[17]通过研究，给出一种研究思路，具体介绍如下：利用圆形/矩形（a/b≥0.2）有法兰边的前面无障碍的局部排风罩，罩口速度场计算公式：
.png)
刘成总工假定“控制点的吸入速率衰减为排烟口平均流速的1/100”时，可以忽略彼此间的相互影响和干扰，但是刘成认为假定“控制点的吸入速率衰减为排烟口平均流速的1/100”作为判定条件是否合适需要进一步论证。
利用前面的模拟结果可以看出，当排烟口之间互相接近时，排烟口互相之间会出现影响，但是该影响并不会立即导致排烟口出现吸穿现象，而是需要进一步调小风口之间的间距才会出现吸穿现象。所以刘成的计算前提是排烟口之间互相无干扰，所以他的假定具有一定的局限性，但是他的研究思路可以借鉴。对上式进行变形可得：
.png)
但是火灾烟气是一个高温气体，该公式并没有考虑烟气层高温导致的密度差从而引起的浮力对排烟系统的影响。对上式采用引入温度对其的影响因子，考虑采用
.png)
作为烟气层平均温度对其的影响，计算公式改为
.png)
对表中的参数，应用上式进行曲线拟合可以得到参数E和B的取值。由于参数较多，采用1stopt软件对该数据进行拟合。
试验数据和拟合数据
.png)
试验结果对公式的拟合
.png)
根据以上拟合的数据结果，E=v0/vx=879.4，当排烟口互相影响并导致吸穿时，控制点的流速约为排烟口流速的0.00113，可以看出该结果比刘成总工的猜想要求高了很多。
根据以上拟合的数据结果，B=-0.011，可以看出温度越高，排烟口吸穿间距越小，越不容易出现吸穿现象。烟气层温度越高，烟气由于浮力产生的向上的流动越迅速，排烟口处的烟气被吸走后，其他区域的烟气越容易补充上去，排烟口越不容易被吸穿。
根据以上拟合的数据结果，式5.5可以确定为：
.png)
式5.6
式5.6考虑了排烟口对烟气层产生的压差影响，同时考虑了烟气层平均温度产生的密度差的影响，可以用来计算排烟口防止吸穿现象的最小间距。设计工作中可以采用该公式作为计算依据，在条件允许时，应使得排烟口间距尽量大于该计算值，保证排烟口的正常工作，给人员疏散创造良好的疏散条件。
结语
本文主要通过数值模拟方法，利用专业火灾模拟软件FDS对单室火灾机械排烟模式下，排烟口吸穿现象与排烟口间距的关系进行研究，建立多个排烟口试验模型，通过固定单个排烟口计算风量，调整排烟口间距，观测排烟口下的温度的变化情况，找出该排烟风量下，出现吸穿现象的排烟口间距。利用同样的研究方式，可以得出不同排烟量下的风口间距。
通过对试验数据的处理，以及排烟口排烟的物理过程的理解，建立排烟口互相影响导致烟气层吸穿的物理公式雏形，利用试验数据对该公式进行曲线拟合，得出合理的计算公式，实际工程中可以采用该公式计算排烟口之间的间距。利用该公式，可以计算不同设计环境中，排烟口的最小间距，防止排烟口出现吸穿烟气层现象。
参考文献：
[1]黄玉彪. 走廊—典型毗邻建筑内热烟气流动机制及智能排烟控制方法研究[D]. 中国科学技术大学，2019.
[2]严治军. 建筑物火灾烟气流动性状解析[J]. 重庆建筑大学学报，1995（2）：23-30.
[3]朱国庆，程远平，陈亮，等. 建筑防烟分区合理挡烟垂壁高度探讨[J]. 消防科学与技术，2003（2）：107-109.
[4]许小磊，何嘉鹏，周汝，等. 排烟口布置方式对高层建筑火灾排烟效果的影响[J]. 中国安全生产科学技术，2009，5（5）：18-22.
[5]张梅红，赵伟. 扁平空间排烟口朝向对排烟效果的影响[J]. 消防科学与技术，2011，30（3）：211-213.
[6]刘成. 单个排烟口最大允许排烟量问题探究[J]. 暖通空调，2020，50（1）：82-85，102.