GB T 31593.6-2015 消防安全工程 第6部分 烟气层的计算要求.pdf

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1、ICS 13.220.01 C 80 中华人民共和国国家标准GB/T 31593.6-2015 消防安全工程第6部分:烟气层的计算要求Fire safety engineering-Part 6: Requirements governing algebraic equations for smoke layers (ISO 16735: 2006 , Fire safety engineering Requirements governing algebraic equations一Smoke layers,MOD) 2015-06-02发布2015-08-01实施队飞巾JfFrL如013

2、+一一) ( C.4 ) 飞p.A n+3 , H2/3J 注2为了计算界面位置，必须设定烟密度.在实际应用中，对大体积室内空间初期的蓄烟过程取P.=1.0会得到保守的结果(见参考文献5).在稍后的蓄烟过程中，具有明显的热膨胀.在这种情况下，由参考文献6和4给出的下列公式适用于f型火(即Q= at圃).其中z, A v915、z (X) = H I -f-;-=一l1- T.lTa J u2/3 X =0.0268亏叫1-x) 1/3t的A的(1-)的A =0.754一寸古c:._ . J r:. H1川(1-x) 3/5 烟气层温度T.由武(C.9)计算得出。C.3.2.3 烟气层温度.(

3、C.5 ) .( C.6 ) .( C.7 ) 计算烟气层的姐度见式(C.8门，使得火释放的热量对体积为A(H-z)的烟气层加热。此时，可忽略室内空间界面的热量吸收。126S) I Yz一一烟气层沮度，单位为摄氏度(C)3-COz浓度zY3一一COz浓度，单位为千克每千克(kg/kg)，4一一烟气层及32.2C点。圄C.2在室内空间的曹烟过程中，界面高度、烟气层温度和CO2浓度的计算结果11 GB/T 31593.6-2015 C.3.3 通过机械排气系统进行烟气控制的稳态C.3.3.1 公式适用的过程如图C.3所示，在烟气控制状态下，烟通过机械排气系统排放.烟气层的性质通过产烟和排烟达到平衡

4、的准稳态进行计算。假设室内空间边界面在较低的部分具有足够的开口能使空气容易流动并且公式中的热择放速率为常数，式(C.3)给出了火羽流的质量流速。把体积流速作为试验设计参数，排烟的质量流速用式(C.18)计算z2 :t: 几_- Po 说明21一一吸入空气，2 排气系统.固C.3通过机械排气系统进行烟气控制的质量守恒m. =p. V. .( C.18 ) 计算界面高度，使排烟的质量流速等于火羽流的质量流速。m.二二mp( C.19 ) C.3.3.2 界面位置计算界面位置，使火羽流的质量流速等于排烟的质量流速。z= 二Llus.( C.20 ) 注g为了计算界面位置，需要知道烟气层的密度(也就是

5、温度).可以通过适当推测获得，或者综合下面提供的公式进行计算.C.3.3.3 烟气层密度烟气层密度由下式计算z353 p. - T. .( C.21 ) 注z对大多数工程计算，烟气层近似为理想气体.烟气层的温度由下条的公式计算.C.3.3.4 烟气层温度计算烟气层温度，使烟气层的热流量等于排放和室内空间表面吸收的热量损失之和。12 Ts=Q+TOHH-. . .( C.22 ) cpmp +h叫lAwallGB/T 31593.6-2015 C.3.3.5 有效传热系数有效传热系数的计算取决于室内空间边界面的建筑材料。传热既可近似为厚壁热行为(近似为半无限体)也可近似为薄壁热行为(近似薄材料稳

6、态下的温度分布。子J￥h D4月机4月.( C.23 ) hwal1 = D . a11 注g特征时间t.通常取1000 S. C.3.3.6 特定化学物的浓度计算特定化学物的浓度，使其产出速率等于排放速率。y=! +yo ( C.24 ) m. C.3.3.7 计算示倒火源位于图C.3所示的室内空间中心，相关计算参数为z一一室内空间底面面积A为100m2 (10 mX 10 m) ; 一一室内空间高度H为8m，火源的热释放速率Q为300kW; 一一火源的热辐射份数z为0.333; 一一火源直径D为1.0m; 机械排气的体积流速v.为4m3/sJ 一一室内空间边界面由100mm厚的提凝土板制成

7、s一一混凝土的导热系数取k=0.001 5 kW /(m .酌，热容量cv=2026 kJ/(m3 K) J 一一空气的参考温度T。为20C (293白，相对应的参考密度p。为1.205kg/m3。界面位置与温度的公式相关联，采用选代法求解。计算出界面位置与温度后，可以直接计算物质的浓度。1) 假设界面高度是室内空间高度的50%，即=z=号=4.02) 由式(C.3)计算界面高度的火羽流质量流速z( C.25 ) mp = 0.076(1-x) 1/3Q1/3Z/3 = 0.076 X (1-0.333) 1/3 X 3001/3 X 45/3 = 4.48 .( C.26 ) 3) 由式(C

8、.23)计算有效热传导系数z假设室内空间边界面具有厚壁热行为，即z45:叫骂65X 1 000 =0吵。因此，有效热传导系数为2叫4JF=竿JO。可0264) 由式(巳22)计算烟气层温度z、，nt nd c ，、. . . . . . . . . . ( C.28 ) A叫I= 100 + 40 X (8一的=260、zJn3 nL c r飞. . . . . . . . . . . . 13 GB/T 31593.6-2015 300 T.二_:_Q-:-.- + To = _ _ . . . ._ O _._. . _ + 20 =37.4 .(C.30) c pmp +hwallAwa

9、ll _ u 1.0 X 4.48十0.049X 260 5) 由式(C.21)计算烟密度z353 353 一一一一一一一=1.137 p.一于:一37.4+ 273 的由式(C.18)计算机械排气系统的质量流速z.( C.31 ) m. =p.v. = 1. 137 X 4.0 =4.55 .( C.32 ) 7) 由式(C.20)校正界面高度，以使火羽流的质量流速等于排放的质量流速zz = rm.|州455，1的1 = 1 _ _. ,_ :_ 1.1 _ _ -. _11;1 =4.04.(C.33) .076(1-x)川Q叫LO.076X (1一0.333)川X300叮的重复步骤2)-

10、7)，直到火羽流的质量流速与排放的质量流速一致。此例中，经过3次迭代，得出以下满意结果zz =4.04 (m) .( C.34 ) .( C.35 ) T. =37.4 CC) mp =m. = 4.45 (kg/ s) 、-Jno qa c r、. . . . . . . . . 的为了满足火羽流式(C.3)，平均火焰高度必须小于界面高度。此例中，依据GB/T31593.5-2015 的附录B进行计算，结果符合要求。L = -1.02D + 0.235Q2/5 = -1.02 X 1.0 + 0.235 X 3002/5 = 1.28 4.04 . . ( C.37 ) 10) 将巳知值带人

11、式(C.24)计算物质浓度。在通风良好的条件下，二氧化联的产率1=7.61X 10-5 kg/k1. Q . _. (7.61 X 10-5) X 300 y=:L三+yo ,. .- :四_. - +0.0003 =0.00532 m. .( C.38 ) C.3.4 水平开口稳态下的烟气控制C.3.4.1 公式适用的过程烟气由国C.4所示的自然开口排放。假设新鲜空气可流入室内空间底部，通过准稳态下热量和质量平衡来计算烟气层特性。质量流速的平衡曲式(C.39)给出Em. =mp =m. .( C.39 ) 在这个公式中，假设热释放速率始终为常量。火羽流的质量流速在式(C.3)中给出，通过开口

12、的质量流速按照GB/T31593.8计算。14 说明21一一底画面积A;a一一-A明b一一-A.C.3.4.2 界面位置圄C.4水平开口烟气控制期间的质量守恒采用式(C.20)计算界面位置。注s排放的质量流速由式(C.40)计算。C.3.4.3 烟气层密度采用式(C.2D计算烟气层密度。C.3.4.4 烟气层温度采用式(C.22)计算烟气层温度。C.3.4.5 有效传热系撤采用式(C.23)计算有效传热系数。C.3.4.6 通过水平开口排姻的质量流速排烟的质量流速由开口流速的常规公式计算。GB/T 31593.6-2015 口口me =CoA.en./年.(Po - P.) g (H - z)

13、 - t:.pJ . . . . . ( C.40 ) C.3.4.7 地板面的压差地板面的压差由适用于较低开口流速的常规公式计算。t:.=土(_ m_ p ) Z r 2po飞CoA阳/( C.41 ) C.3.4.8 化学铀的浓度采用式(C.24)计算化学物的浓度Y.15 GB/T 31593.6-2015 C.3.4.9 计算举例火源位于图C.4所示的室内空间内，相关计算参数为z一一室内空间地板面积A为100mZ(10 mX10 m);室内空间高度H为8m; 一一水平开口的面和、A. ，为2mZ, 一一较低的进气开口面积Ao阳为4mZ; 一一火源的热带放速率Q为300kW; 一一火掘的热

14、辐射份数z为0.333;一一COZ的产率为市为7.51X10-5kg/kJ; 一一燃料直径D为1.0m; 一一参考温度T。为20C(293白。室内空间界面由等同于示例C.3.3.7的混凝土制成。界面位置与温度的公式相关联，采用选代法求解。计算出界面位置与温度后，可以直接计算物质的浓度。1) 假设界面高度是室内空间高度的50%，即zH 8.0 . _ z =-一=-_-=4.U 2 2 -. 2) 由式(C.3)计算界面高度的火羽流质量流速z.( C.42 ) mp = 0.076 (1 - x) 1/3 QI/S Z/3 = 0.076 X (1一0.333)1/3 X 3001/3 X 4.

15、05/3 = 4.48 .( C.43 ) 3) 采用和C.3.3.7的3)相同的步骤由式(C.23)计算有效热传导系数zh walJ =0.049 . ( C.44 ) 的由式(C.22)计算烟气层温度zA_u = 100 + 40 X (8 - 4.0) - 2.0 =258 ( C.45 ) Tm=Q+To=+20=373 .( C.46 ) 300 c pmp + hwal1Awall - u 1.0 X 4.48 + 0.049 X 258 日由式(C.21)计算烟密度z353 353 p.二于;=否玉宇否3= 1.137 ( C.47 ) 6) 由式(C.41)计算参考高度的压差:

16、1 I m蝇飞Z1 I 4.48口=I一I=一一一一一XI一一一:-:I = 1.06 r 2po飞CoA呻阳I2 X 1.205 飞0.7X 4.01 .( C.48 ) 7) 由式(C.40)计算通过水平开口的质量流速zme = CoA,.j2p. (Po -P.) g(H -z)-6.乒= 0.7 X 2.0 X;2 X 1.四7X (1.205 -1.137) X 9.8 X (8.0 -4.0)一1.丽丁=2.68 .( C.49 ) 8) 由式(C.20)校正界面高度，以使火羽流的质量流速等于排放的质量流速zz= r(m.十mp)/l呐.68+4.481，汗，JUSI = I _

17、_ :- _:/:. I =3.50( C.50 ) .076 (1-x)呐。1/3J LO.076 X (1 - 0.333) If3 X 3001月注s为了数值的稳定性，在迭代计算中，式(C.20)中的排放质量流速m.由(m.十mp)/2代替.收敛后，依然保持质量平衡me= m尸这一变更对最终结果没有影响.的重复步骤2)肘，直到火羽流的质量流速与排放的质量流速一致，即mp=m. 。此例中，经过4次选代，得出以下满意结果zz =3.35 (m) T. = 37.4 (C) GB/T 31593.6-2015 .( C.51 ) .( C.52 ) m. =mp =m. =3.34 (kg/s

18、) . . .( C.53 ) 10) 为了满足火羽流式(C.3)，火焰高度必须小于界面高度。此例中，火焰的平均高度为1.28m. 与C.3.3.7的的相同。11) 将上述7)中的结果带人式(C.24)计算物质浓度z说. ,. (7.61 X 10 ) X 300 Y=.1.三+YO = ,. ._-:. ,- +0.0003 =0.007 16 u 3.34 m. C.3.5 垂直开口稳态下的烟气控制C.3.5.1 公式适用的过程.( C.54 ) 在烟气控制状态，烟气通过图C.5所示的垂直开口排放。假设新鲜空气从开口的下部流人，而烟气从开口的上部流出，烟气层的特性通过准稳态下烟/热的产生和

19、排放/流出速率的平衡进行计算。在该公式中，假设热释放速率始终为常量。式(C.3)给出了火羽流的质量流速，通过开口的质量流速按照GB/T 31593.8计算。说明=1一一底画面袄A，2一一开口宽度B.C.3.5.2 界面位置圄C.5垂直开口烟气控翻期间的质量守恒采用式(C.20)计算界面位置。口E注s该公式中，界面位置的计算是隐含的，它要满足稳态的质量平衡me= mp = ma ，详见本条下面的示例.C.3.5.3 烟气层密度采用式(C.21)计算烟气层密度。C.3.5.4 烟气层温度采用式(C.22)计算烟气层温度。17 GB/T 31593.6-2015 C.3.5.5 有效传热系数采用式(

20、C.23)计算有效传热系数。C.3.5.6 开口下部水平方向上的压羞计算开口下部水平方向上的压差，使物质排出速率me等于火羽流的质量流速mp。13 (p. - P.) g . 1的.p = (P. - P.) g (H u -ZI)一卜mp I .( C.55 ) L 2 CoB /2p: .PJ C.3.5.7 通过开口下部的空气质量流速将式(C.55)计算出的压差带人，计算通过开口下部的空气质量流速。r A , 3/2 九=阳同-H1)币五十;CDBJ2仰.- p.) g l(o. :.) Jl J L(肌-P.) g J ( C.56 ) C.3.5.8 特定化学物浓度采用式(C.24)

21、计算特定化学物浓度。C.3.5.9 计算步骤和末倒火源位于图C.5所示的室内空间内，该空间具有垂直开口，相关计算参数为z一一一室内空间地板面积A为100m2; 一一垂直开口的高度为5m，在地板上方1m处(H1=1 m , Hu=6 m); 一一开口宽度B为4m; 火源的热释放速率Q为300kW, 一一火源的热辐射份数X为0.333;一一COz的产率q为7.51X 10-5 kg/kJ; 一一火源直径D为1.0m. 室内空间界面由等同于示例C.3.3.7的混凝土制成。界面位置与温度的公式相关联，采用迭代法求解。计算出界面位置与温度后，可以直接计算物质的浓度。1) 假设界面高度的下限ZI是整个开口

22、高度的1/3:H u - HI . 6.0 -1.0 zl=H1+一一了一:=1.0+一一一一一=2.67. .( C.57 ) 3 -. 3 2) 由式(C.3)计算界面高度的火羽流质量流速zmp = 0.076 (1 - x) 1/3 Q1/3 z/3 = 0.076 X (1一0.333)1/3 X 3001/3 X 2.675/3 = 2.28.( C.58 ) 3) 采用和C.3.3.7的3)相同的步骤由式(C.23)计算有效热传导系数Ehwal1 =0.049 、-Fn3 Fhu c r飞. . . . . . . . 的由式(C.22)计算烟气层温度EAwall = 100 +

23、40 X (8 - 2.67) - 4 X (6 - 2.67) = 300 300 Ta=Q十To=._ -:-: _._._+20=37.7 .( C.60 ) cpmp +h响llAwaII - u 1.0 X 2.28十0.049X 300 5) 由式(C.21)计算烟密度z18 GB/T 31593.6-2015 p. =彗=d韦3= 1. 136 6) 由式巳55)计算开口下部水平方向上的压差z13 p. - p.) g . 1 2/3 A=P.-P.)g(HU-%I)-I-一，:-mp I L t: GnB;2队Jr 3 (l205 - 1136) X 9 . 8 _1的= (1

24、.205 - 1136) X 9.8 X (-2.6一|X2.叫=1邱.(C.62 ) L 2 0.7Xx./2灭11露J7) 由式(C.56)计算通过开口下部的空气质量流速z ( C.61 ) 凡=1一H.)哺布E肌+3卡弘C叫D=0.7 X 4.0 X (2.7 -1.0) X以1.205X 1.58十307r 1.58 13/2 4.0;2X 1.20SX(1.205- 1.136)X9.8 X I ,. _ :._. _ _1 =17.6.( C.63) L(1.205 -1.136) X 9.8J 的计算质量流速的误差zmerror.l =mp - m. = 2.28一17.6=一1

25、5.3的火羽流的质量流速应等于空气的质量流速，为了得到正确的结果，将界面高度取上限%2重复步骤2)-8)的计算。初算时%2取开口高度的2/3t2 %2 =HI +一(Hu- H1)=1.0+ (6.0 1. 0) = 4.,33 ( C.64 ) 3 采用上述界面高度，计算出以下结果zmp =5.13 (kg/s) T ,. =37.8 CC) . .( C.65 ) . ( C.66 ) p. = 1. 136 Ckg/m3) . . . ( C.67 ) A二-0.022(Pa) . .,. .( C.68 ) 这个假设的界面高度过高，致使压差为负值。这种情况下，没有空气进入室内空间zm.

26、 =0.0 .( C.69 ) 注s对质量达到平衡的稳态，这柿情况是不存在的.在迭代的过程中，当压差为负值时，m.取零值，以满足质量平衡.质量流速的误差为zm叩.，.2=mp -m. =5.13 -0.0=5.13 10) 在界面高度两次取值之间插人以下估算新值2、，nu n, -C ，、. . merro言1_ _ -15.3 %3 =%1一 _.v.: (%2 - %.) =2.67一咱肉, 咽-、X (4.33 - 2.67) m error,3 - merror.l =3.92 注g计算步骤如图C.6的虚线所示.11) 重复步骤2).的，计算%3值下质量流速的误差z.( C.71 )

27、m.no川=-1.61.( C.72 ) 12) 由于merror.3为负值，将式(C.71)中的%.值换成町，重复步骤2).11).直到merror.3足够小。在迭代过程中，如果meuo，.3为正值，则用%3代替引进行计算。此例中，共进行了7次迭代才GB/T 31593.6-2015 得出如下所示的收敢值2z =4.19 (m) T. =37.8 (C) m. =mp =m. =4.85 (kg/s) 注2如图C.6所示，最终结果为mp(z)和m.(z)的交差点开圆.( C.73 ) .( C.74 ) .( C.75 ) 13) 为了满足火羽流式(C.3)，火焰高度必须小于界面高度，此例中

28、，火焰的平均高度为1.28m , 与C.3.3.7的9)相同。14) 将步骤12)中计算结果带入式(C.24)，计算物质浓度zQ ，. (7.61 X 10-5) X 300 Y=.:L三+yo = ,. .-_. -_ ., - +0.0003 =0.0050 4.85 m. Y 25 20 16 10 5 。说明2X一一界面高度z，单位为米(m)，Y一一质量流速，单位为千克每秒(kg/s); 1一一计算结果，a -menor,l ; b一一-m回回，2. -, - -3 -2 g 哩，、，咱圄C.6垂直开口的烟气控制圄解结果C.4 计算公式的依据( C.76 ) 8 X 公式基于附录B给出

29、的通用的热租质量守恒定律。蓄烟过程的研究可迫溯到Turner等人(参见参考文献5J)对具有明显密度分界形成的室内空间所做的流体动力学基础研究。针对火灾初期蓄烟过程，Zukoski(参见参考文献6J、7J)提出了类似的具体公式。在Zukoski的理论研究之后，Mulholland G/T 31593.6-2015 等人(参见参考文献8J)进行了实验研究，验证了小的密度变化下的假设。Tanaka等人参见参考文献2J)的实验工作发现如果将小的密度变化带人计算，则测量数据具有很好的复现性。Delichatsios (参见参考文献3J、4J)JC.5 计算公式的局限性C.5.1 火羽流本部分的质量流速公

30、式与GB/T31593.5-2015中有关火源、火焰尺寸、边界、气流扰动等的限定条件相同。C.5.2 烟气层的均匀性公式的前提是烟气层具有均匀的特性。相对于平均值，如果烟气层特性具有重大变化，例如竖长、杆状的室内空间和长廊，则不推荐使用这些公式。C.6 公式的输出参数公式的输出参数为界面位置、烟气层温度和物质浓度.另外，公式还给出了有关火羽疏的质量流速和开口流量信息。C.7 计算公式的输入参撒C.7.1 火的棋辑雄速率参数Q是特定环境条件下火的实际热释放速率。该参数可通过热量计测量，即测量收集到的气体产物而确定氧气、二氧化碳和一氧化碳的生成速率F也可采用其他指定的方法测量。该参数通常可由设定火

31、灾场景中获得。C.7.2 热带放的辐射份数参数z取决于燃料的种类，典型的取值范围为0.3-0.4.更多的信息可参见GB/T31593.5一2015的B.6.2. C.7.3 室内空间边界面初期服收费鲁量份鼓参数A是计算蓄烟过程必需的。对于稳态下烟气控制(机械通风、屋顶或侧面开口的计算，可采用不同的方法计算室内空间的热量吸收。参数的值主要取决于室内空间边界面的建筑。对具有大的热惯性如混凝土结构)或轻型、非隔热的建筑物(如玻璃房)形成的室内空间，热量吸收可能是重要的。为了计算精确值，需要详细的室内空间的热辐射传导资料。在实际应用中，推荐取=0.C.7.4 机械排姻的效果在C.3.3中，假设机械排烟

32、系统只排出烟。然而，如果烟气层不十分厚，较低的空气层将被排烟系统排出(见参考文献口2J)，这种情况下，应根据夹带空气的比率而减小排放速率的值(参见参考文献13J)。21 GB/T 31593.6-2015 C.7.5 物质的产率参数q取决于燃料的种类和燃料/空气的比率。由于公式中假设火相对于室内空间比较小1J可取通风良好的值参见参考文献14J)。C.8 计算公式的适用范围日本建筑研究所的Tanaka和Yamana见参考文献2J在大尺寸的中庭对公式已经进行了一系列的比对实验。实验房间的地板面硕为720m2，室内净高为26.3m，热释放速率约为130kW.另外，Karlsson等人参见参考文献口5

33、J)与Hgglund等人参见参考文献口6J)对蓄烟过程的公式进行了比对，房间的尺寸为5.62mX5.62 m，净高6.15m(有效高度为5.95m)，采用煤油油盘火橱，热释放速率为186 kW。两个比对均证明公式具有适当的准确度。对多房间的烟扩散，可用一组相似的公式求解(参见参考文献口7J、18J、19J)。22 参考文献1J GB/T 6379C所有部分)，测量方法与结果的准确度GB/T 31593.6-2015 2J ISO/TR 13387-3: 1999 Fire safety engineering-Part 3: Assessment and verification of mat

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