不同气流方式对双层玻璃幕墙火灾特性的
数值模拟研究
牟俊惠，王海峰，宋艳**
作者简介：牟俊惠，（1986-），女，在读研究生，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究。
通信联系人：王海峰，（1979-），男，副教授，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究. E-mail: 295552203@qq.com
5 （中国矿业大学安全学院，江苏 徐州 221116）
摘要：采用数值模拟的方法进行双层玻璃火灾特性的预测，以天津某酒店实验为背景建模，
对双层玻璃幕墙的不同气流方式进行了数值模拟，得出火灾烟气在两种不同气流方式下的双
层玻璃幕墙热通道内的运动规律，比较两种气流方式对烟气流动的影响，得出方式2 在控制
烟气流动上最为有效。对于双层幕墙建筑防火具有参考价值。
10 关键词：双层玻璃幕墙；烟气流动；热通道；数值模拟
 0 引言
双层玻璃幕墙[1-3]具有的良好的环保同时节能的优良性能，得到了越来越广泛的应用。
但是随着玻璃幕墙的大量应用，其危害性也渐渐显露出来，如：玻璃幕墙的反射作用会
产生光污染，玻璃的吸热会产生热岛效应，以及其它的不安全隐患等[4]。此外，玻璃幕墙
30 在消防方面的隐患也凸显出来。双层玻璃幕墙建筑一般是一些高层建筑甚至超高层建，发生
火灾时，幕墙的夹层很容易形成烟气向上蔓延的拔火罐，加大火势的蔓延，同时幕墙玻璃也
给灭火带来困难。幕墙玻璃防火防烟的问题已成为消防安全和建筑防火设计的重要问题。
1 FDS 简介
FDS(Fire Dynamics Simulator) [5,6] 是由NIST(National Institute of Standards and
35 Technology，美国商务部标准和技术研究院)开发的，是一种计算流体动力学(CFD)模型，其
主要模拟对象是火灾中流体的运动。此计算机场模拟软件适用于因火灾引起的烟雾和热传输
规律的研究。
1.1 FDS 主要功能
1）首先是原始数据的录入，包含文件名、微元控制体的数量、模拟空间的范围、模拟
40 时间、点火器、热释放速率的变化规律、有无风机、喷淋设备、热探测器、门窗及其定条件
 开闭、室内可燃物、障碍物、需要输出的物理量等等的设置。
2）数值计算。通过数值求解得出各种需要的物理量。这部分花费时间最多。
3）结果输出。主要输出的结果有：Smokeview 运行所需数据文件；EXCEL 格式数据文
件（热释放速率随时间的变化表，燃料、O2、CO、CO2 等组分随时间的变化表，模拟空间
45 内任意位置的温度随时间的变化表等）；其他数据文件。
1.2 Smokeview 主要功能
1）燃烧过程的动态演示；2）流场的动态显示，包括温度、速度、压力、密度等；
3）温度、速度、密度等物理量的静态剖面图形显示；4）根据可燃物、障碍物的尺寸和
在房间内的位置输入相应数据；5）演示场景的旋转、缩放；6）不同格式图形的输出。
50 本文将运用FDS 进行烟气流动特性的模拟，预测双层玻璃幕墙建筑火灾发生时的烟气
扩散规律。模拟结果由图形显示软件Somkeview 来演示，可以更清晰的认识和了解双层玻
璃幕墙火灾时烟气流动规律从而做出有利的防火措施。
1.3 模型的理论基础
此模型是对火灾条件下的浮力驱动的低速流体的纳维-斯托克斯方程进行求解，这些方
55 程分别为质量、动量和能量守恒微分方程，差分方式为有限差分（对时间二次、对空间一次
或二次）其守恒方程如下表所示：
质量守恒方程：
u. .u
t
ρ
ρ ρ
∂
+ ∇ = − ∇
∂
r r
(1-1)
动量守恒方程：
u u H 1 ( )g f .
t
ω ρ ρ τ
ρ ∞
∂
∂ + × +∇ = ⎡⎣ − + +∇ ⎤⎦
r
r
60 (1-2)
能量守恒方程：
.
0
,
0
.1( . . . ''') (11 ) p l l l r
p l p
u k T c dT D Y q q dp
c T c T p dt
ρ
ρ ρ
∇ = ∇ ∇ −∇Σ∫ ∇ −∇ + + −
r r
(1-3)
组份方程：
( ) .
l . . '''
l l l l
Y
u Y Y u D Y m
t
ρ
ρ ρ ρ
∂
+ ∇ = − ∇⋅ +∇ ∇ +
∂
r r
65 (1-4)
式中，ρ 为密度，kg/m3；t 为时间，s；
ru
烟气流动速度，m/s， = ( , , )
r
u u x y z ，下标取
i、j、k 分别表示x、y、z 三个不同的坐标方向；ω 旋度算子，无量纲；ρ ∞ 大气环境密度，
kg/m3；g 为重力向量，m/s2；f 外力向量（除去重力），N；τ 可压缩流体黏性应力张量，无
量纲；Cp 为定压比热，kJ/kg.K；T 为温度，K； k 为导热系数，W/m.K；
r
r q 辐射热通量，
W/m2.K；p 为压力，Pa； l D 为组份l 扩散系数，m2/s； l Y 为组份l 的质量分数，％；
.
70 ml''' 单
位体积l 组分的生成速率，kg/s·m3；∇H 燃烧热，W，
2 / 2 / ρ ∞ H=u +p% ，将压力项分解
为： 0 ∞ p=p −p gz+p% ，式中第一项为环境压力，第二项为静压项，第三项为流动引起的
 压力扰动项，由于火灾中烟气为低速运动，可以认为是低马赫数流动(Rehm 和Baum，1978
年)，即可以将状态方程中的压力项写成：
1 0 ( ) = ρ Σ l l
l
75 p t TR Y M (1-5)
场模拟还必须建立各分过程的理论模型：湍流流动模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型、
炭黑模型，再加上辅助关系就可以建立场模拟的封闭方程组了。场模拟的理论对各种不同的
火灾过程都是成立的。
1.4 模型的建立
80 模型以天津某酒店客房实体实验为背景而建立为保证数值模型的准确性，在建立模型
时，予以考虑了两个方面，首先是对网格的划分，网格的独立性分析不仅与计算结果的准确
性直接相关，同时也关系到到计算结果的合理性[7]，再就是对边界的处理。
本文采用多种网格划分方法，在火源附近及幕墙间区域网格尺寸为0.1m 0.1m 0.1m，其
他区域的网格尺寸为0.2m 0.2m 0.2m。为了更好的观察和研究室内及幕墙通道内的烟气运动
85 情况，模型设置为两层的楼房，上下共有六个房间，每个房间有一个门作为出口，对应实体
实验，在双层玻璃幕墙顶部放置了障碍挡板，幕墙两侧下部均有1.5m 高的开口作为进风口。
窗口外墙为双层的玻璃幕墙， CFD 模型图如图1-1 所示。
图1-1 玻璃幕墙楼房正视图
90 Figure 1-1 Face figure of glass curtain wall buildings
2 不同气流方式对火灾特性的影响
因为气流组织方式不同，相同的实验模型，幕墙开口的位置不同。为此，模拟时根据不
同的开口位置进行了模拟，在模拟前，设置一层内幕墙为打开状态，目的是在同一时间保证
95 窗口敞开，以更好的比较烟气在不同气流方式下在热通道内的运动规律。首先在实验模型的
基础上构建气流方式不同时的FDS 模型，见图2-1。通过截取同一时间的图片比较不同的现
象或者同一现象所用的时间进行比较，得出哪种幕墙构造方式中烟气的蔓延速度相对快，排
烟用时较少，同时对着火房间以上楼层影响也相对较小。
 100 正视图 侧视图
图2-1 场景2 模型正视图和侧视图
Figure 2-1 the front view and side view in scene 2 model
数值模拟的对象是在基础模型上改变之后的双层玻璃幕墙，根据开口位置的不同可以模
105 拟三种气流组织形式，其示意图见图2-2。我们取其中的两种方式进行模拟对比。
图2-2 总的开口及位置示意图
Figure 2-2 sketcher map of total open and position
110 2.1 气流方式1 计算结果及分析
此气流方式在每个楼层都设有进风口和出风口，幕墙的每个楼层底部进风口进入，沿着
内幕墙
外幕墙
火源
 通道从每层的上部出风口排出，中间没有楼板或者防火板。在几何模型上的体现是每层楼有
进风口和出风口，楼顶设出风口。幕墙间烟气运动模拟结果见图2-3(a)～图2-3(f)所示：
(a) 烟气6s 时进115 入热通道 (b)烟气8s 时在热通道内的运动
(a) smoke enter the hot channel at 6s (b) smoke move in the hot channel at 8s
(c) 烟气12s 时在热通道内的运动 (d) 烟气20s 时在热通道20s 内的运动
120 (c) smoke move in the hot channel at 12s (d) smoke move in the hot channel at 20s
 (e)烟气30s 时在热通道内运动 (f)烟气42s 时在热通道内运动
(e) smoke move in the hot channel at 30s (f) smoke move in the hot channel at 42s
图2-3 场景3 火灾时烟气在热通道的运动规律
Figure 2-3 rule of Smoke spreading into 125 the curtain wall in Scene 3
从图2-3 可以看出，烟气在火源的上方快速聚积。方式1 中，侧幕墙每层有进、出风口，
但由于试验环境采用无风条件，模拟时遵循试验真实条件，因此对热通道内竖井通风模式影
响不大。方式1 的幕墙热通道内形成通风排烟竖井，在此竖井中由于建筑物内空气温度高于
130 室外温度，产生浮力，使得气流上升，有利于烟气排出幕墙内。发生火灾时，由于室内温度
大幅度上升远远高于室外空气温度，室内外存在温差，同样形成“烟囱效应”，成为排烟的
一种动力。
图2-3 中的(d)图片显示了烟气从幕墙侧开口蔓延出幕墙的情况，从图中看出，只有很少
量的烟气通过侧开口，由于本文着火房间在最中间，烟气从着火房间溢出后，沿着热通道竖
135 直向上扩散。出现这样的现象与自然排烟受排烟口和进风口之间的高度差大小影响有关。排
烟口与进风口之间的高度差越大，热压作用与高度差成正比增大，自然排烟效果就越好。因
此，提高排烟口的位置和降低进风口的位置都可以加大两者之间的高度差，对促进自然排烟
都是有效的。反映到方式1 中，一层侧开口位置低于二层侧开口高度，其自然排烟效果不如
二层侧开口排烟效果好，更不如顶端开口排烟效果好。
140 方式1 在8s 时烟气扩散到楼层顶端，12s 时烟气达到顶层并向周扩散，说明方式1 中烟
气的扩散速度较快。从图2-3 (d)～2-3 (f)，可以看到，烟气流出现不同方向的漩涡现象。图
2-3 (d)中表现出逆时针方向的漩涡，图2-3 (f)则表现出顺时针方向的漩涡，这是由于侧幕墙
打开，其密度大于热烟气的密度，形成下降气流，冷空气下降气流与热烟气上升气流形成漩
涡。
145 在双层幕墙的内、外侧共设置了18 个热电偶，幕墙热电偶探测器测得的温度示意图如
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