地下停车场中预设排烟与匹配水喷雾布置对局部烟气与热响应的数值评估

《Fire》：Numerical Evaluation of Local Smoke and Thermal Responses to Prescribed Smoke Extraction and Matched Water-Spray Arrangements in an Underground Parking Garage

　　

电动汽车（EV）火灾可迅速影响地下停车场的烟气与热状况。在本研究中，研究人员筛选了15个PyroSim/FDS算例，但定量分析仅限于四个预设排烟算例和一个基线匹配的双装置喷雾对。使用特征火灾直径、几何分辨率和计算成本标准选择了0.30 m生产网格。一个匹配的0.20/0.30/0.50 m检查产生了非单调的固定点响应；未建立网格独立性。使用270–300秒平均值和10 m能见度参考的首次向下穿越比较了排烟算例。在相同的名义流出量10 m³/s下，两个5 m/s表面比一个10 m/s表面产生了更低的M1气体温度和一氧化碳（CO）以及更高的能见度。将第二个喷雾装置重新定位到车辆下方使τ = 120–150秒平均M4底部区域气体温度从776.5 °C降低到103.4 °C，而M1能见度保持在约0.22 m。由于模型缺少物理补风路径且未再现相应实验，这些发现仅限于局部预设边界比较。相关实验支持所代表的机制，但结果并未验证绝对点值。模拟未证明电池熄灭、维持可居性或规范合规性。

**论文解读：地下停车场预设排烟与匹配水喷雾对局部烟气与热响应的数值评估**

**研究背景与问题**
电动汽车（EV）火灾在封闭地下停车场中可迅速恶化烟气与热环境，因其受限的顶棚高度、自然通风不足、密集车辆排列及内部障碍物，导致烟气与热量积聚。现有研究已关注锂离子电池热失控、热释放率（HRR）峰值、有毒气体排放及水基灭火效果，但缺乏在统一全尺寸模型下，将预设排烟配置（如数量、分布、面速度）与匹配水喷雾布局（上部与下部）进行基线控制对比的定量分析。为此，本研究旨在回答两个特定问题：（1）预设高层面排烟面的数量、分布及面速度如何影响局部烟气与气体温度响应；（2）将第二个喷雾装置从车辆上方移至下方，如何改变局部气体温度与烟气指示。

**研究内容与结论**
研究人员使用PyroSim 2024 和 Fire Dynamics Simulator (FDS) 6.9.1 构建了一个理想化的全尺寸单层地下停车场模型（60 m × 40 m × 4.5 m），并设置7 MW工程设计火灾（基于全尺寸电池电动汽车（BEV）测试的HRR范围），采用快速增长t²火灾曲线。共筛选15个算例，但定量分析仅限4个预设排烟算例（无排烟、一个10 m/s面、两个5 m/s面、两个10 m/s面）和一个基线匹配的双装置喷雾对（两个上部喷雾 vs. 上-下布局）。主要结论包括：在相同名义排烟量10 m³/s下，两个5 m/s表面比一个10 m/s表面产生更低的M1（近火点）气体温度（267.6 °C vs. 359.5 °C）和CO浓度（2786.8 ppm vs. 4095.6 ppm），并提高能见度（0.391 m vs. 0.295 m）；将第二个喷雾装置从车辆上方移至下方（z=0.20 m，向上喷射）后，M4底部区域（火源下方0.10 m）的气体温度在τ=120–150 s均值从776.5 °C降至103.4 °C（降幅86.7%），但M1能见度未改善（约0.22 m）。该研究发表在《Fire》期刊，其意义在于为排烟配置与水喷雾布局的局部效应提供了基线数值比较，但强调模型缺乏物理补风路径，结果仅适用于预设边界条件，不能直接用于标准验证或工程合规性判断。

**关键技术方法**
主要关键技术包括：（1）基于特征火灾直径（D*）选择0.30 m生产网格，兼顾几何分辨率与计算成本，但未建立网格独立性（0.20/0.30/0.50 m匹配检查显示非单调响应）；（2）采用大涡模拟（LES）求解热驱动浮力流动，使用单步聚氨酯类替代燃料反应（C_6.3H_7.1O_2.1N_1.0），设定CO产率0.14 kg/kg、碳烟产率0.10 kg/kg、辐射分数0.35；（3）预设高层面排烟面（z=4.0 m，水平面，面积1.0 m×1.0 m）作为边界条件，无物理风道或风机动压平衡；（4）水喷雾由K系数、驱动压力、锥角及单分散500 μm液滴控制，两个装置均使用K=80、1.0 bar、30°锥角，总名义流量约160 L/min，基于气体温度阈值（68 °C）激活；（5）设置固定监测点M1-M5，测量气体温度、CO摩尔分数及能见度，统计采用270–300 s均值（排烟）或τ=120–150 s均值（喷雾）。

**研究结果解读**
**3.1 数据缩减与比较规则**：定义了算术均值、首次向下穿越10 m能见度参考、相对变化率等统计方法，所有算例为确定性模拟，不进行t检验或推断统计。
**3.2 网格敏感性检查**：0.20/0.30/0.50 m三网格匹配检查显示M1、M5处的历史曲线非单调，绝对相对差异在4.1%–206.2%之间，未表现收敛趋势。0.30 m网格因折中分辨率与计算成本被选用，但所有点值视为网格敏感估计。
**3.3 对预设排烟的响应**：四个排烟算例中，M1能见度首次低于10 m的时间在17.72–20.89 s之间，所有情况均未维持10 m参考。在名义流量匹配对（10 m³/s）中，两个5 m/s表面相比一个10 m/s表面，M1气体温度降低25.6%、CO降低32.0%、能见度提高32.5%，表明排烟分布影响局部响应。
**3.4 喷雾算例质量筛选**：11个喷雾算例中仅Case 6（两上）和Case 7（上-下）在0–152.959 s内所有信道（喷雾状态、M1-M5气体温度、M1 CO、M1能见度）数值完全一致，被保留用于布局比较；其余9个单上装置算例因预激活历史不一致被排除。
**3.5 匹配水喷雾布局比较**：上-下布局相比两上布局，在τ=120–150 s内，M1气体温度降低9.0%（260.5→237.1 °C）、CO降低5.1%（4109.9→3898.6 ppm），M4底部区域气体温度降低86.7%（776.5→103.4 °C），M1能见度基本不变（0.215 vs. 0.216 m）。固定时间t=320–350 s分析显示相同M4趋势（83.0 vs. 764.8 °C），但M1响应恶化（上-下布局M1温度361.1 °C，高于两上布局的259.3 °C）。
**3.6 模型可信度、局限性与工程可行性**：模型验证路径缺失——既无直接匹配实验，也无法重建基准实验复现。外部文献（如Chen等全尺寸地下车库EV火灾实验）提供定性机制支持（水喷雾降低温度，但气体物种响应非均匀），但无法验证绝对点值。模型缺少物理补风路径，且未模拟水喷雾对HRR的反馈、HF毒性物种或燃油车对比。工程可行性方面，底部喷雾装置概念可行但需考虑冲击保护、排水、电气安全等，本研究仅显示局部气体温度效应。

**讨论与结论**
讨论部分强调：所有结论限于指定几何、边界、网格及监测点；排烟分析仅支持局部相对比较；喷雾结论仅基于匹配的基线对，不涉及压力、K值或锥角排序。结论部分翻译如下：
本研究筛选了15个PyroSim/FDS算例，仅对四个预设排烟算例和一个基线匹配的双装置喷雾对报告定量结论。主要结论包括：（1）在算例比较前，基于火灾直径、几何分辨率和计算成本标准选择了0.30 m生产网格；匹配的0.20/0.30/0.50 m输出是非单调的，因此所报告的差异是敏感性度量而非形式离散误差；未声称网格独立性、理查森外推或网格收敛指数（GCI）；（2）在近火点M1，所有四个预设排烟算例在17.7–20.9秒内穿越10 m能见度参考，增加名义流量并未产生均匀局部改善；对于名义流量匹配的10 m³/s对，两个5 m/s表面比一个10 m/s表面产生更低的M1气体温度和CO以及更高的能见度，表明排烟分布影响局部响应；（3）九个单上喷雾算例具有非相同的预激活历史，未用于推断压力、K值、锥角、装置数量或最优效果；未应用事后校正；（4）在匹配双装置比较中，将第二个装置移至车辆下方使τ=120–150 s平均M4底部区域气体温度从776.5 °C降至103.4 °C（降幅86.7%）；相应的t=320–350 s均值为764.8 °C和83.0 °C。这是局部气体温度效应，非电池温度测量。M1能见度未恢复，固定时间M1烟气响应未均匀改善。该局部效应方向与近期全尺寸地下车库实验（比较顶部仅与顶部加底部细水雾布局）定性一致；（5）模型未从匹配实验重建，且无物理补风路径。两种特定算例验证路径均无法完成。本研究缺乏匹配的地下车库EV火灾实验平台和测量数据。已存档的数值模型无法修改，完整算例矩阵无法在可用计算条件下对已发表基准进行一致复现。因此，相关实验仅提供定性机制级佐证，未验证绝对点值或通风系统性能。未解决的请求（如新边界、物理子模型或验证数据）已作为局限性报告，而非由部分复现、不匹配比较或未经支持的回溯计算替代。研究结果仅适用于所述几何、边界处理、网格和监测位置，不建立电池包熄灭、维持可居性、规范合规性或通用最优解。