實驗室核心區(qū)域火災最佳通風口選擇仿真

王 冰,蔣永清

(1. 吉林建筑科技學院市政與環(huán)境工程學院,吉林 長春 130114;2. 哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院,黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引言

實驗室是實驗教學和科學技術的研究基地,存有各式化學藥品和易燃易爆試劑,且數(shù)量大、使用品種多、存放位置廣,涉及復雜,實驗人員經(jīng)常接觸。同時在實驗室還有許多氣瓶和加熱儀器等特殊設備。有些實驗還需要高溫、高壓、真空、低溫與高電壓等環(huán)境,所以實驗室發(fā)生火災具有特殊性質(zhì),且火災危害性極大。實驗室內(nèi)除了有實驗設備,還包括計算機、儀器儀表以及相關電器等,重點實驗室還不停地更新引進大量貴重精密儀器與先進儀表,價值連城,還存有許多珍貴的科研數(shù)據(jù),是科研人員多年的成果,若一旦引起火災,損失巨大。

實驗室建筑整體基礎消防設施設備儲備,除了有感應煙霧報警系統(tǒng)、消防標志設施、實驗室內(nèi)外消防栓等,還應該配備通風排煙系統(tǒng)[1]、消防廣播設計、走廊緊急灑水設施和滅火毯等。必不可少的消防器械配備干粉滅火器,依據(jù)實驗室特征和性質(zhì)還應準備沙土、二氧化碳氣體和泡沫滅火器等用具。實驗室發(fā)生火災時,很有可能會產(chǎn)生大直徑煙霧顆粒,影響逃生視線,能完全遮蔽視覺,大大降低了火災區(qū)域和消防逃生通道能見度。若被困人員對所處實驗室內(nèi)部環(huán)境不熟知,在可見度較低的煙氣中很可能出現(xiàn)膽怯心理,從而失去判斷能力,采取錯誤的逃生方式?；诖吮疚奶岢鰧嶒炇液诵膮^(qū)域火災最佳通風口選擇仿真。通過發(fā)生火災時產(chǎn)生羽流運動[2],探究在內(nèi)外因素影響下,羽流中的卷吸速率[3]和煙氣傾角,煙氣所運動的方向。通口風選擇位置為頂部和側壁,進行分析后,得出頂部通口風位置最佳,保障通風量,讓可燃試劑不能達到燃燒爆炸極點。

2 火災羽流運動分析

當實驗室發(fā)生火災時,會產(chǎn)生相對應羽流運動,假設羽流不受環(huán)境氣流和實驗室墻壁影響,軸對稱羽流可以看作是一個倒錐,火勢不斷加大,導致羽流上升,從而持續(xù)卷吸膨脹,羽流斷面越高,橫截面越大。如果在相同斷面高度的溫度和垂直速度分量不變情況下,可以將理想模型劃分為兩種,分別為點源、面源模型[4]。

1)點源模型是將實際火源假設為一個單一的點熱源。

羽流橫截面半徑

b=1.2az

(1)

羽流速度

(2)

羽流質(zhì)量卷吸率

(3)

2)面源模型常被描述為一個圓面形式的熱源,計算過程中需要將虛點源代入至模型下方,得出:

羽流橫截面半徑

b=1.2a(z+z0)

(4)

羽流速度

(5)

羽流質(zhì)量卷吸率

(6)

式中,將z0用來描述虛點源到火源截面距離,R用來描述火源圓形截面處羽流升高幅度,uf表述為當前火源截面直徑。

表達式

(7)

火焰羽流煙氣產(chǎn)生量依據(jù)火焰高度表達為

(8)

對于產(chǎn)生炭黑燃料,其對流熱釋放與總熱釋放率數(shù)值[5]相差較大,但干凈燃料不產(chǎn)生炭黑如乙醇、甲烷等對流熱釋放率可以等于總熱釋放率,即羽流的平均溫度表示為

(9)

通過式(8)和式(9)得出火焰羽流平均溫度

(10)

根據(jù)煙氣羽流最高溫度上升和平均溫度上升的線性關系[6]α,可將火焰煙氣最高溫度表示為

(11)

發(fā)生火災時,因為火點周圍有限制物體,會影響羽流的運動和質(zhì)量卷吸速率產(chǎn)生變化。

上述說明的羽流是在密封環(huán)境、沒有橫向風的前提下計算得出的,現(xiàn)實環(huán)境中實驗室發(fā)生火災都有防范措施和排煙系統(tǒng)。橫向風對火源羽流作用最大,現(xiàn)場的煙氣層活動也具有規(guī)律性。風力影響羽流質(zhì)點運動[7],致使火源羽流發(fā)生總體歪斜,質(zhì)量流率改變。通過修正羽流質(zhì)量卷吸距離,取得傾斜羽流質(zhì)量流率,熱值kJ/kg用ΔH表示。

羽流轉(zhuǎn)角表達式

(12)

(13)

浮升力表示

(14)

采用此方法得到的數(shù)學表達式,雖然推導過程相對簡單,然而與現(xiàn)實發(fā)生火災時羽流傾斜角變化有所不同。實際上在羽流逐漸升高過程中會趨于水平狀態(tài),受橫向風影響傾斜角變小。分析可能出現(xiàn)的因素是由于火源燃燒產(chǎn)生煙氣,煙氣才剛脫離火焰,溫度和浮升力高,質(zhì)點受力方向豎直向上;羽流上升不斷卷吸空氣變大,煙氣溫度與浮升力都呈下降趨勢,質(zhì)點合力變?yōu)榉稚⒘?煙氣傾角θ也慢慢減小。

圖1 理想羽流偏轉(zhuǎn)

實驗室發(fā)生火災是在一個限制空間中,但羽流也會因橫向風產(chǎn)生偏離[8]。對有通風口的實驗室進行一系列的火災仿真,依據(jù)對通風口高度和溫度等數(shù)值進行計算,在外部風進入前提下,分析偏角和卷吸速度,結果證明雖在限制房間內(nèi),但羽流在橫向風的影響中,質(zhì)量流率波動幅度也強,說明外界風對實驗室內(nèi)羽流影響大。實驗室內(nèi)部空間發(fā)生火災后,熱煙氣在室內(nèi)上方堆積,室內(nèi)外存在較大溫差。當通風口高度達到一定理想位置時,煙氣從通風口排出,同時經(jīng)過換氣新鮮的空氣從通風口處進入。因此通風口高度影響實驗室內(nèi)外煙氣的交換。

3 基于煙氣排放和燃料熱釋放影響的最佳通風口選擇

火災發(fā)展初期,因?qū)嶒炇覂?nèi)物質(zhì)的特殊性,可以控制火勢生長,火勢功率不大,實驗室內(nèi)大多數(shù)氧氣在燃燒時被耗費,形成熱煙氣,隨煙氣上升會卷走實驗室的冷空氣,會使煙氣溫度下降。火源羽流接觸到頂部后,煙氣即刻下沉至低部位,煙氣和實驗室下方較清新的空氣摻在一起,實驗室中的氧含量下降,出現(xiàn)一段時間的熱釋放速率降低。

火災熱釋放速率大小通常情況下是室內(nèi)可燃物自身燃值主導的,但是在實驗室內(nèi)通風口會影響燃燒物熱釋放速率,排煙過程中,通風口也會對室內(nèi)進行供應氧氣。因為火災前期熱釋放速率較小,實驗室內(nèi)部空氣能夠支持燃燒;但是當火勢燒起來,空間內(nèi)氧含量耗費速度加快,這時起主要作用的就是室內(nèi)通風。

當通風口位于實驗室頂部排煙時,煙氣質(zhì)量分數(shù)值[9]比側壁值大。發(fā)生火災時產(chǎn)生的熱煙氣,由于受熱浮力影響,導致煙氣在實驗室內(nèi)上方濃度比下方高,則頂部通風口排出較高濃度的煙氣。通風口在側壁時,上邊緣距離頂部近排出煙氣濃度高,下邊緣離頂部遠,則排出煙氣濃度低。通過排出熱煙氣室內(nèi)溫度下降,冷空氣進入火源熱釋放速率降低。

通風口在實驗室側壁,開口處室內(nèi)外風力壓差較小,所以側壁排煙量少,受羽流影響實驗室內(nèi)上方有較厚熱煙氣,致使煙霧沉降[10],火勢被吞噬,實驗室內(nèi)易燃物品還沒完全進行燃燒,熱釋放速率逐漸下降。但側壁通風口位置較低,可以清楚地看見煙氣層與空氣的分界,實驗室內(nèi)上方煙氣層所含氧含量稀薄[11],而下方有充裕的氧含量。伴隨煙氣層逐漸下降覆蓋空氣,接觸火點周圍時,火勢被控制住,留下底部小火苗在燃燒。通風口又排出煙后,煙氣層隨之上升,火又燃起來,產(chǎn)生熱釋放。

由于微服務很難切得干凈,除了向外部提供以外，微服務之間難免會出現(xiàn)少量的調(diào)用關系，可將每次調(diào)用產(chǎn)生的相關信息寫入追蹤中心，通過追蹤中心提供的圖形化界面查看服務之間的調(diào)用軌跡和產(chǎn)生的調(diào)用延時，從而分析出服務調(diào)用產(chǎn)生的性能瓶頸。

在發(fā)生火災時,由于羽流的沖擊,火焰直達實驗室頂部,所以頂部通風口比側壁排出的煙氣濃度高。當通風口處于實驗室頂部時,火災發(fā)生產(chǎn)生較濃的煙氣,頂部通風口將濃煙氣排出。室外空氣從頂部進入實驗室,要想給下層氧氣,就必須先經(jīng)過上方煙氣層;在經(jīng)過上方熱煙層過程中,外部空氣和熱氣會混淆[12],下方的熱煙氣的溫度溫度下降,但由于混合煙氣層分界不清晰。經(jīng)過長時間燃燒,實驗室內(nèi)煙霧層一直維持沉降狀態(tài),火點附近氧含量小于當前燃料的氧氣值,導致火點熄滅。煙氣利用通風口排出過程中,煙霧層會升高,由于實驗室下層煙氣溫度較低,因此不會產(chǎn)生復燃。

可燃物燃燒過程中產(chǎn)生的熱釋放速率,原則上可以遵循式(15)計算。

Q=φ×m×ΔH

(15)

式中:燃燒熱釋放速率kW用Q來表示,可燃物燃燒速率kg/s用m來表示,效率因子[13]用φ表述。

因為實驗室中包含各種試劑,不確定可燃物的燃燒程度,采用式(15)計算出熱釋放速率值是不精確的,所以還需要運用經(jīng)驗公式估計。

在計算火災熱釋放速率時,需要想到通風口位置,估算火災的大小,如式(16)計算速率。

(16)

式中:通風口面積m2表示為A0,通風口高度表示為H0。

(17)

通過研究對式(17)進行校正,提出了式(18)

(18)

當火點周圍的氧含量降低,空燃比[15]到達不了1,那么物質(zhì)還沒有完全燃燒。通風口位置在頂部,煙氣厚度會有所降低,削弱了火勢吞噬程度,保持實驗室內(nèi)物質(zhì)燃燒情況一致,排放出較高煙氣濃度。

4 實驗室火災最佳通風口選擇仿真

模擬實驗所設房間尺寸為5.3m×4.2m×3.6m,使用可燃物為甲烷,將起火點設定在實驗室中心位置的實驗臺。本次模擬主要是了解通風口頂部和側壁對煙氣層溫度、高度和煙氣層內(nèi)二氧化碳、一氧化碳濃度及氧氣含量的影響,從而選擇火災通風口最佳位置。

實驗室內(nèi)部和外部起始溫度均設置為22攝氏度,大氣條件定為初始環(huán)境,環(huán)境大氣壓值1.01*105Pa。為了將實驗室內(nèi)可燃物點燃,在可燃物處設置了點火源,火源尺寸為0.4m×0.9m,火源功率為2MW。實驗中虛線為側壁通風口,實線為頂部通風口?；馂哪M時間控制在16分鐘。

如圖2所示,為實驗室發(fā)生火災時的內(nèi)部煙氣層溫度變化曲線,可以看出,在火災發(fā)生前期,頂部和側壁通風口實驗室內(nèi)的煙氣溫度不相上下,經(jīng)過幾分鐘后頂部通風口實驗室溫度下降明顯,外部空氣進入,煙氣層吞噬火焰,溫度降低,排煙過程中煙氣層來回上下浮動,導致溫度高低起伏,但波動幅度不大。側壁通風口由于室內(nèi)外壓差相差微小,煙氣排放量少,熱煙氣隨著燃燒時間增加,溫度升高,側壁通風口在煙氣層覆蓋的作用下火勢降低,溫度下降,煙氣層上升后,火勢升高,溫度增加。

圖2 不同通風口位置下的煙氣層溫度變化

從圖3可以看出,當通風口在實驗室側壁時,煙氣層內(nèi)二氧化碳濃度排出慢,煙氣排放效果不明顯,實驗室內(nèi)二氧化碳濃度含量在3分鐘時,為最高濃度達到5.0%,通過側壁通風口排放,在16分鐘時,濃度降低為3.0%。位于頂部通風口,雖然在2分鐘時二氧化碳濃度就達到4.2%,但是排煙效果較好,氣體排出速度相對較快,達到理想效果。

圖3 不同通風口位置下二氧化碳變化

圖4所示為煙氣層中一氧化碳濃度含量,通風口位于側壁的情況下,在三分鐘濃度達最大,大約2210ppm。隨后煙氣層中一氧化碳濃度的趨勢變?yōu)榫徛档?。火災發(fā)生羽流達到實驗室頂部,煙氣層直沖頂部通風口,隨著排煙口將一氧化碳迅速排出,新鮮空氣進入使實驗室中氧氣含量增加出現(xiàn)短時間的熱釋放速度降低,一氧化碳濃度趨于持平后,熱能量又開始釋放,一氧化碳增加后,通風口繼續(xù)排放煙氣內(nèi)一氧化碳。

圖4 不同通風口位置下一氧化碳變化

圖5為頂部和側壁通風口下煙氣層內(nèi)氧氣變化,從圖中分析,位于側壁通風口氧氣濃度在火災前期燃燒由于羽流沖擊頂部,煙氣層飄向上方,下方氧氣較為充足,隨著煙氣層降低,氧含量下降,通過排煙口,進入新鮮空氣火源處再次燃燒,氧氣一直上下波動。當通風口位于頂部時,由于羽流需先達到頂部在排出,先燃燒實驗室內(nèi)部氧氣,新鮮空氣從通風口進入,氧氣含量增加,但火勢還在生長,氧含量又降低,煙氣排出,火勢下降,氧含量又增加。

圖5 不同通風口位置下的氧氣變化

從圖6中可以看出,發(fā)生火災時側壁和頂部通風口在燃燒初始階段,煙氣層高度都是上升狀態(tài),但在8分鐘時,側壁通風口室內(nèi)的煙氣層呈下降趨勢,而頂部通風口曲線在不斷起伏,分析是受排煙換氣影響,煙氣不停運動。由此可見側壁煙氣層高度低,下層煙霧較濃,排煙效果不好。頂部煙氣層位置較高,煙霧上升過程中同時被排出室外,繼而室內(nèi)濃度低,可見度高。

圖6 不同通風口位置下煙氣層高度

通過仿真可以分析出,位于實驗室頂部通風口比側壁通風口排煙效果更好,較快地降低實驗室內(nèi)有害氣體濃度,同時對室內(nèi)煙氣溫度降低和煙氣層升高有明顯優(yōu)勢,氧含量中雖前期不如側壁通風口,但后期效果較好,綜合分析對比后得出頂部通風口位置最佳。

5 結論

本文中通過分析發(fā)生火災時,在燃燒過程中火源羽流的運動,受限空間內(nèi)通風口的開啟,在橫向風作用下,羽流質(zhì)量卷吸速率波動大。研究通風口高度對室內(nèi)煙氣的排放和可燃物的熱釋放,得出實驗室頂部為最優(yōu)通風口,熱釋放速率降低,能夠快速降低煙氣濃度,室內(nèi)煙氣層溫度有明顯的下降。為了驗證本文選擇頂部通風口為實驗室核心區(qū)域發(fā)生火災時最優(yōu)位置,進行仿真。通過對煙氣層溫度、高度和氣體含量的分析,證明了實驗室頂部通風口最佳位置,能更好地減少人員傷亡和財物損失。