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消防安全工程 第8部分:开口气流的计算要求 GB/T31593.8-2015

来源:发布时间:2018/7/24

前言


中华人民共和国国家标准
消防安全工程 第8部分:开口气流的计算要求
Fire safety engineering——Part 8:Requirements governing algebraic equations for vent flow
(ISO 16737:2006,Fire safety engineering——Requirements governing algebraic equations—Vent flows,MOD)
GB/T 31593.8-2015
发布部门:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会
发布日期:2015年06月02日
实施日期:2015年08月01日

GB/T 31593《消防安全工程》分为以下九个部分:
——第1部分:计算方法的评估、验证和确认;
——第2部分:所需数据类型与信息;
——第3部分:火灾风险评估指南;
——第4部分:设定火灾场景和设定火灾的选择;
——第5部分:火羽流的计算要求;
——第6部分:烟气层的计算要求;
——第7部分:顶棚射流的计算要求;
——第8部分:开口气流的计算要求;
——第9部分:人员疏散评估指南。
本部分为GB/T 31593的第8部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用重新起草法修改采用ISO 16737:2006《消防安全工程 计算公式控制要求 开口气流》。
本部分与ISO 16737:2006相比在结构上有较多调整,附录A中列出了本部分与ISO 16737:2006的章条编号对照一览表。
本部分与ISO 16737:2006的技术性差异及其原因如下:
——关于规范性引用文件,本部分做了具有技术性差异的调整,以适应我国的技术条件,调整的情况集中反映在第2章“规范性引用文件”中,具体调整如下:
● 用GB/T 5907(所有部分)代替了ISO 13943(见第3章);
● 用修改采用国际标准的GB/T 31593.1代替了ISO/TR 13387-3(见5.1、7.3);
——将国际标准中的1.1~1.4改为列项(见第1章);
——将国际标准的附录A、附录B分别编排为本部分的附录B、附录C;
——将国际标准附录A中的术语和定义A.1.1~A.1.13调整到本部分的第3章,并删除了A.1.3(见3.1~3.12)。
为了方便使用和符合我国相关标准编写要求,本部分还做了下列编辑性修改:
——删除了国际标准的前言,重新起草了前言;
——修改了国际标准的引言,将其作为本部分的引言;
——将国际标准的“本国际标准”一词改为“本部分”;
——将国际标准中某些标点符号修改为符合汉语习惯的标点符号;
——将国际标准附录A中符号和缩略语的编排格式进行了调整;
——将国际标准附录B中附图的顺序进行了调整;
——增加了附录A(资料性附录),给出了本部分与国际标准的章条编号对照情况。
本部分由中华人民共和国公安部提出。
本部分由全国消防标准化技术委员会建筑消防安全工程分技术委员会(SAC/TC 113/SC 13)归口。
本部分起草单位:公安部天津消防研究所、公安部四川消防研究所、中国科学技术大学、中国建筑科学研究院
本部分主要起草人:毕少颖 姚松经 韩伟平 智会强 阚强 张玉贤 陆守香 胡忠日 张向阳 邓松华 郑巍 郭歌


引言


本部分所讨论的计算公式适用于设定火灾场景的量化分析,专业人员无须进行繁杂的数值计算,就能够依据这些公式快速判断初步消防安全设计是否需要调整以及如何调整,以满足预期的性能指标要求。这些公式在以下方面已经得到应用:
——测定火羽流传热,包括对流和辐射;
——预测顶棚射流特性以调节探测器的响应时间;
——计算通风口的排烟能力;
——分析分隔空间内的蓄烟和轰燃等火灾危害。
针对不同类型的开口气流,本部分的附录B和附录C分别给出了符合要求的计算公式示例。附录B给出了开口气流的一般信息和守恒关系,附录C给出了计算开口气流特性的具体公式及其计算示例。
GB/T 31593.1规定了运用数学公式进行火灾动力学计算的通用要求,本部分是这些通用要求的具体实践。如果采用数学模型计算火灾发展过程及其产生的后果,本部分所讨论的计算公式可用于对其结论进行校验。
本部分适合从事消防安全工程的专业人员使用,包括消防设计人员、消防救援人员、消防标准规范制定者、保险商、消防安全管理人员,标准使用者需要充分理解本部分给出的计算方法中相关参数的含义和应用条件。

1 范围


GB/T 31593的本部分规定了开口气流特征值计算公式的应用方法要求,提供了与开口气流计算公式应用相关的下列通用要求:
a) 物理现象的描述;
b) 计算书;
c) 计算公式的局限性;
d) 计算公式的输入参数;
e) 计算公式的适用范围。
本部分适用于建设工程消防性能化设计和评估中开口气流的计算。

2 规范性引用文件


下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 5907(所有部分) 消防词汇
GB/T 31593.1 消防安全工程 第1部分:计算方法的评估、验证和确认(GB/T 31593.1-2015,ISO 16730:2008,MOD)
GB/T 31593.6 消防安全工程 第6部分:烟气层的计算要求(GB/T 31593.6-2015,ISO 16735:2006,MOD)

3 术语和定义


GB/T 5907界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
边界面 boundary
确定室内空间范围的表面。
3.2
基准 datum
评估静态压力分布时用作参考高度的高度。
3.3
流量系数 flow coefficient
表示通过开口(3.11)的实际流量和理论流量之间差异的经验系数。
3.4
静态压 hydrostatic pressure
与高度相关的气压梯度。
3.5
界面位置 interface position
烟气层高度
烟气层(3.9)相对于参考高度的高度。
注:参考高度通常为室内空间的最低边界面(3.1)高度。
3.6
中性面高度 neutral plane height
室内空间内部与外部压力相等处的高度。
3.7
压差 pressure difference
室内空间内外特定高度处的压力差。
3.8
烟气 smoke
物质高温分解或燃烧时产生的固体和液体微粒、气体,连同夹带和混入的部分空气形成的气流。
3.9
烟气层 smoke layer
热上层 hot upper layer
热气层 hot-gas layer
由火灾引发,在室内空间的最高边界面(3.1)下面形成或聚集,相对均匀的一定量的烟气(3.8)。
3.10
烟气层界面 smoke-layer interface
烟气层(3.9)与其下面无烟空气层之间的水平界面
3.11
开口 vent
在室内空间边界面(3.1)上,供空气和烟气(3.8)通过自然或机械方式流通的孔洞。
3.12
开口气流 vent flow
通过室内空间边界面(3.1)上开口(3.11)的烟气(3.8)或空气流。

4 物理现象的描述


4.1 在有开口的封闭空间中,火源造成的浮力流从开口中穿过是一种复杂的热物理现象,它的状态可能高瞬变,也可能接近稳态。开口气流可能涉及有焰燃烧的区域及未发生燃烧的区域,除了受浮力影响外,还会受到自然通风或机械通风的影响。
4.2 应用图表描述分析过程中用到的常见气流边界条件和其他火灾场景元素。
4.3 应明确识别需要计算的开口气流特性参数及其应用范围,包括由相关计算量推导出来的特征参数。
4.4 应明确识别具体计算公式适用的火灾场景元素(如两层的环境、均匀混和物等)。
4.5 由于不同的计算公式描述不同的开口气流特征(见4.3)或适用于不同的火灾场景(见4.4),当有多种方法可用于计算同一个给定量的值时,应明示其结果与选用的计算方法无关。

5 计算书


5.1 计算书的一般要求见GB/T 31593.1。
5.2 计算步骤应由一系列的计算公式表述。
5.3 每个计算公式应由独立的条款表述,其内容应包含公式输出的详细描述,以及该公式的解释性说明和限定条件。
5.4 应优先使用量关系式,应明确定义公式中的各变量及其适当的SI单位。
5.5 应酌情通过引用公认的手册、科技文献或通过推导等方法给出计算公式的科学依据。
5.6 应给出计算公式的应用实例,演示如何使用符合第4章要求的输入参数和具体计算过程。

6 计算公式的局限性


6.1 应给出直接应用计算公式计算输出参数的定量限制条件,并符合第4章所描述场景的要求。
6.2 应给出在更通用的计算方法中引用计算公式的注意事项,包括检查与计算方法中用到的其他关系式的一致性以及所采用的计算方案。例如,在由于某一烟气层流动而造成的开口气流区域内,区域模型计算中,使用开口气流计算公式得到的结果可能与使用烟气层计算公式得到的结果不一致,从而导致错误。

7 计算公式的输入参数


7.1 应明确识别计算公式中的输入参数,如热释放速率或几何尺寸。
7.2 应识别或明确提供输入参数的数据来源。
7.3 应按GB/T 31593.1的规定列出输入参数的有效范围。

8 计算公式的适用范围


8.1 应通过一组或多组测量数据确定公式的适用范围。这些数据应通过文件化的程序或标准(参见GB/T 6379)进行评估并达到一定的质量水平(如重复性、再现性)。
8.2 应按照计算方法的评估、确认和验证原则,通过与8.1测量数据的比对确定计算公式的适用范围。若计算公式应用于第4章给出的具体场景,应明确识别其潜在误差来源(如假设室内空间有一个或多个均匀气层)。

附录A (资料性附录)本部分与ISO 16737:2006的章条编号对照情况


表A.1给出了本部分与ISO 16737:2006的章条编号对照情况。

附录B (资料性附录)开口气流计算概述


B.1 符号
本附录所用的符号见表B.1。

B.2 公式组所描述的物理现象
B.2.1 计算方法概述
由于封闭空间及其相邻区域存在温差,导致两者之间出现压差,从而造成有气流从封闭空间的开口通过,本计算方法可以对这种气流进行计算。压差也可能是因为火灾气体的扩散、机械通风、自然通风或其他外力作用于封闭空间的边界面和开口造成的,但本部分不包括这些情况。在给定开口两侧的压差、封闭空间及其相邻空间的温度时,可应用孔板流量理论来计算质量流量。
封闭空间的烟气层界面高度、温度及其他特性都可以依照烟气层的能量守恒定律和质量守恒定律来计算。开口气流可以依照通过边界的气流的能量守恒和质量守恒来计算。烟气层的特性参数计算见GB/T 31593.6。
B.2.2 所需计算的开口气流特征值
由公式可计算质量流量、焓及化学产物的流量。
B.3 计算书
B.3.1 概述
在应用伯努利方程的基础上,可根据孔板流量理论计算通过开口的流量。开口气流的计算方法是在图B.1的条件下建立的。对垂直和水平的开口,气流都可以是单一方向或两个方向。对水平开口,只在压差很小的特殊情况下才会产生双向气流。本部分提供的公式适用于通过垂直开口的双向气流和通过水平开口的单向气流。

B.3.2 孔板流量——开口部分压力均匀分布
如果压差是由于自然通风或机械通风引起的,则通过开口的流量(kg·s-1)用式(B.1)计算:

其中△pij=pi-pj,假设通过开口的压差在整个开口区域内是均匀的,如图B.2所示。
B.3.3 静压差
封闭空间i内垂直温度曲线Ti(z)如图B.3所示时,封闭空间最低边界面以上的高度z处的密度ρi(kg·m-3)用式(B.2)计算:

注:推导式(B.2)时,假设烟气是与空气性质相同的理想气体。另外,在大多数应用情况下,压力的绝对值接近标准大气压。
封闭空间i内的静压pi(z)(Pa)可利用式(B.3)由高度上的密度积分求得:

封闭空间i和j之间的静压差△pij(z)(Pa)用式(B.4)计算:

B.3.4 一般流量公式——气流通过有压差的开口
通过开口的压差在开口区域内不均匀时,可运用孔板流量理论来计算开口各部分通过的气流,如图B.3所示。假设用式(B.4)计算静压差,则封闭空间之间的质量流量(kg·s-1)和(kg·s-1)分别用式(B.5)和(B.6)计算:

附录C (资料性附录)满足附录B要求的开口气流计算公式


C.1 符号
在本附录中,除了使用表B.1中的符号外,还要用到表C.1的符号。
C.2 公式组所描述的物理现象
C.2.1 概述
这些计算方法可以计算通过开口的烟气的质量流量。其他计算方法如果得到证实并确认了应用的条件范围,也可以使用。
C.2.2 使用公式的火灾场景元素
这些公式适用于由火灾引起的浮力造成的开口气流,不考虑动态压力作用,如风的影响。计算开口气流条件的方法可按照两种温度分布建立:一种是均匀温度曲线,一种是两层温度曲线。
C.2.3 要计算的开口的特性
公式给出了通过开口的烟气和空气的质量流量。
C.2.4 公式提供的开口气流条件
公式给出了在特定条件下通过垂直和水平开口的烟气的流量。
C.2.5 公式的自身一致性
公式具有自身一致性。
C.2.6 公式应用的标准及其他文件

C.3 计算书
C.3.1 通过两个温度相等的均衡封闭空间之间的开口的流量
如图C.1所示,由于火灾引起开口两侧产生压差△pij时,流量(kg·s-1)用式(C.1)和式(C.2)计算:
△pij=pi-pj …………………………………(C.2)
焓和化学物质流量用式(C.3)和式(C.4)通过质量流量计算:
注:焓和化学物质流量在后面的条款中不再重复,但式(C.3)和式(C.4)适用于本附录所有情况。

C.3.2 通过两个温度不同的均衡封闭空间之间的垂直开口的流量——一般情况
C.3.2.1 概述
如图C.2所示,将流动方式按照与中性面的位置关系进行分类。当中性面低于开口下沿时,气流为从封闭空间i到j的单向流。当中性面位于开口高度范围内时,气流为双向流。当中性面高于开口上沿时,气流为从封闭空间j到i的单向流(见参考文献[2]、[3])。中性面高度zn用式(C.5)计算。流量(kg·s-1)和(kg·s-1)用式(C.8)和式(C.9)计算。计算结果在图C.3中以无量纲形式给出。

C.3.2.2 中性面的位置
中性面的位置zn(m)用式(C.5)、式(C.6)、式(C.7)计算:

C.3.2.3 质量流量
Ti>Tj(ρi<ρj)时用式(C.8)和式(C.9)计算质量流量(kg·s-1)和(kg·s-1):

C.3.2.4 计算示例
C.3.2.4.1 计算条件
计算通过0.9m宽、2.0m高的门的流量。假定Ti为80℃(353K)、Tj为20℃(293K),在较低的边界面高度上,封闭空间j内的压力比封闭空间i内的压力高2Pa[△pij(0)=-2Pa),如图C.4所示。

C.3.2.4.2 两封闭空间的烟气密度
用式(C.6)和式(C.7)计算两封闭空间的烟气密度ρi(kg·m-3)和ρj(kg·m-3),见式(C.12)、式(C.13):

C.3.2.4.3 中性面高度
用式(C.5)计算中性面高度zn(m),见式(C.14):

C.3.2.4.4 质量流量
因为中性面高度zn比门的高度Hu低,故为双向流。用式(C.8)和式(C.9)计算流入和流出封闭空间j的质量流量(kg·s-1)和(kg·s-1),见式(C.15)、式(C.16):

在一般情况下,可由图C.3给出图解。
C.3.3 通过两个温度不同的均衡封闭空间之间的垂直开口的流量——一个封闭空间有单一开口的特殊情况
C.3.3.1 概述
如果封闭空间只有一个开口,如图C.5所示,流出封闭空间的质量流量等于流入的质量流量。作为C.3.2的特殊情况,中性面高度zn可以满足封闭空间i的质量平衡。

C.3.3.2 中性面的位置
中性面的高度zn用式(C.17)计算:

C.3.3.3 质量流量
质量流量(kg·s-1)和(kg·s-1)用式(C.18)和式(C.19)计算:

注1:因为质量流量是一样的,只计算式(C.18)和式(C.19)中任一个即可。
注2:如果封闭空间的温度Ti超过300℃,则系数相当稳定,可推导出式(C.20)(见参考文献[4])。

C.3.4 通过两个温度不同的均衡封闭空间之间的水平开口的流量——一个封闭空间有一个开口的特殊情况
如图C.6所示,若△pij≥△pflood,则通过水平开口的流量(kg·s-1)可以用式(C.21)来计算,该方法与计算通过相同温度封闭空间的垂直开口的流量的方法类似。

应该注意,因为流体中存在微小的压差,如果该压差太小,就会产生双向流。出现双向流的临界条件△pflood尚在研究阶段。Yamada(见参考文献[5])和Cooper(见参考文献[6])提供了示例公式。目前尚未建立双向流情况下的流量公式。
C.3.5 两层环境——通过两个封闭空间之间的垂直开口的流量
C.3.5.1 概述
在一个两层环境中,通过开口的流量非常复杂。如图C.7所示,通过开口的流量分三部分进行计算。下部两侧均与空气层相连。中部两侧分别与烟气层和空气层相连。上部两侧与烟气层相连。应用C.3.1和C.3.2中的概念计算各部分的质量流量。

C.3.5.2 下部的质量流量
参见图C.7,连接两个温度不同的均衡封闭空间的垂直开口下部[0<z<min(zi,zj)]的流量用C.3.2中的公式计算。对式(C.5)~式(C.11)的计算,应按式(C.22)~式(C.24)内容进行替换后计算。

Ti=Ta,i …………………………………(C.22)

Tj=Ta,j …………………………………(C.23)

Hu=min(zi,zj) …………………………………(C.24)

C.3.5.3 中部的质量流量
与下部相似,中部的流量也可对式(C.5)~式(C.11)按照式(C.25)~式(C.28)内容替换后计算。

C.3.5.4 上部的质量流量
与前两部分相似,上部的流量也可对式(C.5)~式(C.11)按照式(C.30)、式(C.31)进行替换后,再行计算。

Ti=Ts,i …………………………………(C.30)
Tj=Ts,j …………………………………(C.31)
用式(C.32)、式(C.33)替换Hu:

Hvent-max(zi,zj) ………………………………(C.32)

H1=0 ………………………………(C.33)

用式(C.34)代替△pij(0):

C.3.5.5 计算示例
C.3.5.5.1 计算条件
如图C.8所示,在两个封闭空间的上部形成了烟气层。在封闭空间i和j内的界面高度分别为0.8m和1.6m,烟气层温度分别为80℃(353K)和40℃(313K),空气层温度分别为30℃(303K)和20℃(293K)。假定封闭空间j的压力比封闭空间i的压力大1Pa(△pij=-1Pa)。计算各个部分的质量流量。

C.3.5.5.2 下部的质量流量
这种情况时下部的范围为0<z<zi(zj=0.8m)。由式(C.5)得到的这部分的中性面高度zn(m)用式(C.35)计算:

在这种情况下,中性面高度zn大于这部分的高度zi。这样流体为从封闭空间j到i的单向流。由式(C.9)的最后一个公式推导出计算(kg·m-1)的式(C.36):

C.3.5.5.3 中部的质量流量
这种情况时中部的范围为zi<z<zj,其中zi和zj分别为0.8m和1.6m。参考平面移至中部的底部,参考高度表示为高出底面的距离,用式(C.27)和式(C.28)计算参考高度Hu(m),见式(C.37)、式(C.38):

Hu=abs(zi-zj)=abs(0.8-1.6)=0.8 …………………………………(C.37)

H1=0 …………………………………(C.38)

用式(C.29)计算中部底部的压差△pij(Pa),见式(C.39):

用式(C.5)计算中部底部以上的中性面高度zn(m),见式(C.40):

因为0<zn<abs(zi-zj),所以为双向流。用式(C.8)和式(C.9)中的第二个公式计算流量(kg·s-1)和(kg·s-1),见式(C.41)、式(C.42):

C.3.5.5.4 上部的质量流量
这种情况时上部的范围是zj<z<Hvent,其中zj和Hvent分别为1.6m和2.0m。参考高度Hu(m)移至上部的底部,用式(C.32)和式(C.33)计算,结果见式(C.43)、式(C.44):

Hu=Hvent-max(zi,zj)=2.0-1.6=0.4 …………………………………(C.43)

H1=0 …………………………………(C.44)

用式(C.34)计算上部的底部压差△pij(Pa),结果见式(C.45):

注:式(C.45)中的前两项已经由式(C.39)计算得到。
用式(C.5)计算高出下部底部的中性面高度zn(m),结果见式(C.46):

因为zn<0,所以为单向流。用式(C.8)的第一个公式计算流量(kg·s-1),结果见式(C.47):

C.3.5.5.5 封闭空间之间的总质量流量
通过开口的总质量流量(kg·s-1)和(kg·s-1)由三个部分的流量相加得到,计算结果见式(C.48)、式(C.49):

注:如果忽略空气和烟气界面上的混合情况,中部的质量流量等于进入封闭空间j烟气层的流量。与此相似,等于进入封闭空间i中的空气层的流量。
C.4 计算公式的依据
人们已经对涉及防火分区火灾定量预测的开口气流进行了分析研究。早期的研究包括Kawagoe(见参考文献[4])在Sekine建议基础上所做的火灾温度的完全展开流预测。Prahl等人(见参考文献[7])和Rockett(见参考文献[8])对两层环境进行了进一步的研究。对于这些早期研究,流量公式是从基础的流体理论推导而来的。在20世纪80年代,Steckler等人(见参考文献[9]、[10])、Quintiere等人(见参考文献[11])和Nakaya等人(见参考文献[12])进行了直接的实体测量。这些测量确定了流量系数在0.68~0.73的范围之内,一般取0.7。Beyler对前期研究进行了归纳(见参考文献[13])。
C.5 计算公式的局限性
C.5.1 烟气层的一致性
公式假设与开口相邻的封闭空间的温度是均匀的或是两层形式的,如果不能满足这个假设条件,就应使用附录B中的一般流量公式。
C.5.2 动态压力
计算时不考虑由自然通风或机械通风引起的动态压力作用。如需考虑,应仔细分析动态压力的分布情况。
C.6 计算公式的输出参数
公式计算结果为通过开口的质量流量(kg·s-1)。存在双向流时,也可以求得中性面的位置。
C.7 计算公式的输入参数
C.7.1 通过开口的压差
参数△pij定义为参考高度上的压差,参考高度通常取最低的边界高度。
C.7.2 开口附近的封闭空间的温度分布情况
开口附近的温度分布应该是均匀的或两层的。在均匀的情况下,应说明每个封闭空间的温度。在两层的情况下,应说明界面位置、烟气层温度和空气层温度。
C.8 计算公式的适用范围
公式的适用范围可以通过Steckler等人(见参考文献[9])、Nakaya等人(见参考文献[12])以及其他研究人员的研究成果来确定。Steckler在一个2.8m见方、2.13m高的房间内进行试验。开口宽度为0.74m,高度在0.46m~1.38m之间。火灾的热释放速率在31.6kW~158kW之间。封闭空间的最高温度不超过250℃。Nakaya的试验对应的是更大一些的房间,长3.55m,宽3.45m,高2.12m。开口高度为1.6m或1.7m。开口宽度在0.29m~0.89m之间。封闭空间的温度范围可以从双层情况下的50℃到充分混合情况下最高可达1000℃。


参考文献


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