用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統及使用方法

用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統及使用方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統及使用方法，該系統用鹽水在清水中的運動和擴散來模擬煙氣在空氣中的蔓延和熱量傳遞，該系統包括模擬室外自然補風環境的實驗清水箱、置于實驗清水箱中模擬高大建筑空間的模型、通過鹽水注入管與模型連接的鹽水高位水箱、通過模型清水注入管與模型連接的清水高位水箱、與鹽水高位水箱連接的儲鹽水箱、與清水高位水箱連接的儲清水箱、連接在模型下端的模型排水管、同時與模型排水管連接的太陽能蒸發濃縮器及排水箱。與現有技術相比，本發明的系統結構簡單，易于制造，可對不同的空間通風及排煙效果進行實驗模擬，且模擬準確度更高，排水可回收利用。
【專利說明】用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統及使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通風與防排煙領域，尤其是涉及一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統及使用方法，用于為高大空間通風及防排煙設計提供實驗依據。
【背景技術】
[0002]隨著建筑技術的進步與人民生活水平的提高，建筑物不斷向高、大、功能多樣化發展。現代建筑物為滿足日益增長的人民對于生活品質的追求，建筑物內不斷涌現各類中庭等高大空間，給建筑物的通風及防排煙帶來很大壓力。
[0003]現行《建筑設計防火規范》GB50016中對中庭等高大空間的機械排煙量的規定還只是停留在按照體積取換氣次數考慮；沒有考慮可能發生的火災的火源特性及高大空間本身的特點。
[0004]但是在例如商場、影院、體育場、廠房、交通樞紐站等大空間建筑中，人員密度較大，發生火災時，傷亡者中大多是由于吸入煙氣中毒所至或中毒后暈厥被火燒死。因此，為了保證火災中人員在煙氣曼延前有安全的疏散通道和足夠的疏散時間，需要了解煙氣的擴散過程、各種排煙方法對煙氣擴散規律的影響和煙氣擴散對室內氣流運動的影響，以便確定有效的控制火災煙氣擴散的方法和組織人員疏散的方式。
[0005]煙氣擴散及防排煙技術的研究與應用的途徑有全尺寸火災試驗、小尺寸模擬試驗和計算機數值模擬。其中，CFD模擬基于控制方程的抽象化和邊界條件簡化，在缺乏實驗驗證的情況下，往往難以確定計算結果的準確性。鹽水模擬試驗是一種真實直觀、節省費用的清潔環境的煙氣運動研究方法，屬于小尺度模擬試驗，其特點是不同介質的模擬，其基本思想是用鹽水在清水中的運動和擴散來模擬煙氣在空氣中的蔓延和熱量傳遞。
[0006]高大建筑中庭內高火源強度引發的熱煙氣，受到浮力作用，形成煙氣羽流和水平分層流；鹽水在清水中的運動，在重力作用下形成重力流，兩者運動的控制方程具有相似性。因此，可以采用縮尺模型試驗，使鹽水在重力驅動下的向下運動模擬煙氣有浮力驅動的向上運動，用鹽水和清水產生的密度差來模擬實際高大中庭內火災發生時的煙氣的運動和擴散過程，周圍的冷空氣環境由清水代替，鹽水向下運動遇到底面后的流動模擬煙氣到達中庭頂部后的流動。如果已知模型和實體建筑中相應變量的比例,就可以通過模型試驗來預測實際建筑內的溫度場合煙氣擴散過程。
[0007]鹽水模型試驗的基本理論可以用熱量和質量傳遞的比擬來概括，及空氣中熱分層浮力流動用清水中密度差流動來模擬。鹽水密度大于清水，熱源溫度高于環境空氣，只要兩者的控制方程一致，兩種運動就可能實現相似。高大中庭空間流動由火源散熱驅動煙羽流向上部擴散，并通過排煙風機排出；室外空氣通過補風風機和自然進風進入室內補充煙羽流的體積膨脹。鹽水模型試驗則將空間縮小到一定尺度，以高濃度鹽水緩慢注入到清水中來模擬火源。鹽水羽流密度大于清水，因而向下運動。
[0008]中庭火災的煙氣擴散實質上是下部火源驅動下的自然對流，可采用以下特征量:
(I)特征高度為空間高度Hm和Hf ； (2)特征速度(根據火源和鹽源浮力通量驅動)為Um =(Bm/Hm):
[0009]
3 和 uf = (Bf/Hf)1/3 ； (3)特征時間為 Hm/um 和 Hf/uf。
經過無因次化處理，建筑中庭煙氣擴散對流流動的控制方程(不可壓縮)為
【權利要求】
1.一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，用于模擬不同火災強度下、不同排煙風量的排煙效果，其特征在于，該系統包括:實驗清水箱(5):模擬室外自然補風環境；模型(6):置于實驗清水箱(5)中，模擬高大建筑空間；鹽水高位水箱(3):通過鹽水注入管(4)與模型(6)連接；清水高位水箱(14):通過模型清水注入管(16)與模型(6)連接，同時與實驗清水箱(5)之間通過清水箱清水注入管(15)連接；儲鹽水箱(I):與鹽水高位水箱(3)連接，向鹽水高位水箱(3)泵入鹽水；儲清水箱(12):與清水高位水箱(14)連接，向清水高位水箱(14)泵入清水；模型排水管(7):連接在模型￠)的下端；太陽能蒸發濃縮器(9):進口端與模型排水管(7)連接，出口端與儲鹽水箱(I)連接；排水箱(11):與模型排水管(7)連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，其特征在于，所述的儲鹽水箱(I)與 鹽水高位水箱(3)之間通過鹽水提升管(18)連接，鹽水提升管(18)上設有第一鹽水泵(2);所述的儲清水箱(12)與清水高位水箱(14)之間通過清水提升管(19)連接，清水提升管(19)上設有清水泵(13)。
3.根據權利要求2所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，其特征在于，所述的鹽水注入管(4)、模型清水注入管(16)、模型排水管(7)、鹽水提升管(18)及清水提升管(19)上均設有流量調節閥，所述的鹽水注入管(4)、模型清水注入管(16)、模型排水管(7)及清水箱清水注入管(15)上設有流量計(8)。
4.根據權利要求1所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，其特征在于，所述的實驗清水箱(5)、鹽水儲水箱(I)及清水儲水箱(12)的底端均設有排污泄水閥(22)。
5.根據權利要求1所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，其特征在于，所述的鹽水高位水箱(3)與儲鹽水箱(I)之間設有第一溢流管(20)，所述的清水高位水箱(14)與儲清水箱(12)之間設有第二溢流管(21)。
6.根據權利要求1所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，其特征在于，所述的鹽水注入管(4)上設有能使鹽水以高湍流、低速度注入模型￠)內部的鹽水注入□。
7.根據權利要求1所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統，其特征在于，所述的模型排水管(7)上設有密度計(17)，模型排水管(7)位于密度計(17)之后的管路分別與太陽能蒸發濃縮器(9)及排水箱(11)連接，且太陽能蒸發濃縮器(9)及排水箱(11)的入口端分別設有開關閥。
8.—種如權利要求1?7任一所述的用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統的使用方法，其特征在于，該方法用鹽水在清水中的運動和擴散來模擬煙氣在空氣中的蔓延和熱量傳遞，具體包括以下步驟:(1)通過調節鹽水注入管(4)的流量控制鹽源強度，即模擬不同火災強度；(2)通過調節模型排水管(7)的流量進行排水控制，模擬不同排煙風量下的排煙效果；(3)通過調節模型清水注入管(16)的流量進行補水控制，模擬排煙補風效果；(4)通過改變鹽水種類、配比及密度，以及不同的排水方式，進行不同的鹽水試驗，以模擬不同火源強度的煙氣擴散特性及排煙效果；(5)當模型排水管(7)內的含鹽濃度與儲鹽水箱(I)的含鹽濃度之比大于20%時，開啟太陽能蒸發濃縮器(9)入口端的開關閥，模型排水管(7)的排水流入太陽能蒸發濃縮器(9)中，經濃縮達到儲鹽水箱(I)的含鹽濃度后輸送至儲鹽水箱(I)中，當模型排水管(7)內的含鹽濃度與儲鹽水箱⑴的含鹽濃度之比小于20%時，開啟排水箱(11)入口端的開關閥，模型排水管(7)的排水流入排水箱(11)中收集。
9.根據權利要求8所述的一種用于建筑通風排煙實驗的鹽水實驗模擬系統的使用方法，其特征在于，當火災源強度位于O?2MW之間時，鹽水試驗用鹽為NaCl，鹽溶液密度的范圍為O?1300kg/m3 ;當火災源強度位于2?IOMW之間時，鹽水試驗用鹽為CaCl2，鹽溶液的密度大于1300 kg/m3。
【文檔編號】G09B25/00GK103440810SQ201310410416
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】張智力, 朱鳴, 王健, 高軍, 羅平 申請人:同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 同濟大學