文丘里效应强化作用下的自然排烟装置

摘要

本发明公开了一种文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，包括设置在自然排烟口上方的盖板，所述盖板的底面上设有向下凸起并位于自然排烟口上方的文丘里强化导流面；所述文丘里强化导流面被任意水平面截得的廓线均为圆心位于同一条竖直直线上的圆形，且对于与所述文丘里强化导流面相交的任意两个水平面中，位于上方的水平面在所述文丘里强化导流面上截得的廓线的直径大于位于下方的水平面在所述文丘里强化导流面上截得的廓线的直径。本发明的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，能够解决环境风条件下的自然排烟效率，并避免自然排烟失效的问题，能够适应各个方向的环境风，在一定程度上强化环境风条件下的自然排烟。

说明书

技术领域

本发明属于排烟系统技术领域，具体的为一种文丘里效应强化作用下的自然排烟装置。

背景技术

自然排烟系统由于安装简便，成本节约，被广泛的应用于大空间公用建筑中。自然排烟的原理是借助室内外温差所引起的热压作用和室外风力所造成的风压作用从而形成室内烟气与室外空气的对流运动，自然排烟不需要电力，不仅能够节省能量，而且不受火灾所导致电力中断的影响，所以只要设计合理，在火灾中，其可靠性能够得到好的保证。

自然排烟窗以其操作便利、工艺简单、价格低廉等特点广泛应用于工业建筑、商业建筑和居民住宅。然而，自然排烟的原理决定了自然排烟窗应设置在建筑空间上部，为遮蔽风雨，绝大部分自然排烟口无法做到常开状态，大多由人力手动开启或消防联动开启。由人力开启的自然排烟窗，火灾发生时，需要人员走到窗前用手将窗户打开，可能会使得人员直接暴露于火灾威胁之中或者由于人为过失而未能按设计开启，不但效率低下，还有可能延误人员的最佳逃生时机；由消防联动开启的自然排烟窗，因需要设置较为复杂的联动控制及机械运动结构，开启过程复杂，其中某一环节失效即会导致开窗失败。自然排烟窗容易受到机械结构的限制，开启面积或开启角度常常受限，实际可用于自然排烟的有效面积远小于窗户自身的面积。

现有的自然排烟方式中，也有采用可熔材料制作的屋面采光排烟带，火灾发生时，采光窗在高温烟气作用下融化破碎，进行自然排烟。然而对于高大空间，当火源功率比较小时，达不到材料熔化所需要的温度，则排烟口有效开启面积会减小，烟气不能有效排出。

另外，上述自然排烟系统都容易受到外界环境风的影响，这是自然排烟系统普遍存在的不足之处。在一定条件下，外界环境风会降低自然排烟的效率甚至使自然排烟失效，使火灾烟气无法及时排出。在建筑通风中，避风天窗虽然能够在一定程度上削弱环境风的影响，但它不能适应外界环境风向的随机性。

另外，一些大空间建筑直接在建筑顶部设置排烟口用于自然排烟，排烟口上设置挡雨装置，如在排烟口上方加装风帽，火灾发生时无需人力或联动开启，有效面积较大。在屋顶的风管或排烟道末端加装风帽是一种比较通行的做法，风帽能够利用风压的作用加强通风，并能够防止雨水流入风道内。但火灾烟气负荷大，需要在有限的时间内尽可能多地排烟，以保证人员的正常疏散。现有技术中使用的风帽若用于火灾排烟，则存在较大的阻力，反而可能在一定程度上阻碍火灾烟气的排出。

综上可知，现有的自然排烟方式都有各自的优缺点，因此，亟需一种结构阻力不宜过大、无动力且能够适应各个方向的环境风的自然排烟装置，以实现环境风条件下强化自然排烟的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，能够解决环境风条件下的自然排烟效率，并避免自然排烟失效的问题，能够适应各个方向的环境风，在一定程度上强化环境风条件下的自然排烟。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，包括设置在自然排烟口上方的盖板，所述盖板的底面上设有向下凸起并位于自然排烟口上方的文丘里强化导流面；

所述文丘里强化导流面被任意水平面截得的廓线均为圆心位于同一条竖直直线上的圆形，且对于与所述文丘里强化导流面相交的任意两个水平面中，位于上方的水平面在所述文丘里强化导流面上截得的廓线的直径大于位于下方的水平面在所述文丘里强化导流面上截得的廓线的直径。

进一步，过所述竖直直线的任意平面在所述文丘里强化导流面上截得的曲线为圆弧线或抛物线或双曲线或半椭圆线。

进一步，所述文丘里强化导流面的四周边缘与所述盖板的底面之间平滑过渡。

进一步，所述盖板的四周边缘设有滴水线。

进一步，还包括用于安装在自然排烟口上的底座，所述底座上与自然排烟口对应设有用于烟气通过的通孔，且所述底座与所述盖板之间设有用于支撑所述盖板的立柱。

进一步，所述竖直直线与所述通孔的轴线共线；所述盖板、文丘里强化导流面、底座和立柱均采用耐火材料制成。

进一步，所述通孔的四周设有挡水坎。

进一步，所述挡水坎背向所述通孔轴线的外侧面为与所述通孔轴线的距离沿着竖直向下的方向逐渐增大的斜面。

进一步，所述底座与所述盖板之间形成用于风流通过的过流间隙，且所述底座与所述盖板的四周设有用于将风流汇聚到所述过流间隙的汇聚口。

进一步，所述汇聚口的宽度沿着朝向所述文丘里强化导流面向内的方向逐渐减小，且所述汇聚口的最小宽度等于所述底座与所述盖板之间的间距。

本发明的原理如下：

由于本发明自然排烟装置的四周都是开放的空间，且盖板设置在自然排烟口上方，在排烟工况下还会受到强浮力的烟气影响，因此环境风流经本发明的自然排烟装置并不是受限流动；上方文丘里强化导流面与下方的自然排烟口的上端面之间形成的空间可近似看作文丘里管；当外界环境风流经本发明自然排烟装置时，由于文丘里强化导流面的作用，导致上方文丘里强化导流面与下方的自然排烟口的上端面之间的空间减小，风流流通的过流断面减小，产生了类似于文丘里效应的现象（由于是非限制流，不是普遍意义上的文丘里效应），因而环境风流速增加。

设文丘里强化导流面外的压强和风流流速分别为和，文丘里强化导流面最低位置处的压强和风流流速为和，和分别为文丘里强化导流面外侧边缘与文丘里强化导流面最低位置处距离基准面的高度，近似认为，根据伯努利方程，得，为重力加速度，为环境空气的密度，由于，可知，即在文丘里强化导流面下方也即自然排烟口的上方在风流的作用下形成负压，使自然排烟口的内外两侧形成的压差增大，而自然排烟口处的内外压差正是烟气排出室外的驱动力，因此本发明能够增强自然排烟的效果，增强自然排烟的可靠性。

本发明的有益效果为：

本发明的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，通过在盖板的底面上设置文丘里强化导流面，由于文丘里效应，可在自然排烟口上方形成负压，如此，自然排烟口的内外两侧压差增大，有利于烟气排出，烟气由自然排烟口排出后，在文丘里强化导流面的导流作用下被排至外界环境中，并具有以下优点：

1）能够适应不同的环境风向，防止环境风条件下自然排烟时的烟气倒灌，增强环境风条件下的自然排烟能力，增强自然排烟的安全性，有助于人员疏散与救援；

2）不依赖主动控制系统，可靠性高；

3）能够防止雨水从屋顶排烟口处进入室内，不会对室内环境带来负面影响；

4）火灾发生时可及时有效地排出大量烟气，平时兼做通风使用，可强化自然通风；

5）结构简单，易于实现，安装使用方便。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明文丘里效应强化作用下的自然排烟装置实施例1的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本实施例文丘里效应强化作用下的自然排烟装置的主要结构参数示意图；

图4为环境风条件下安装本实施例自然排烟装置后的自然排烟口上方速度矢量图；

图5为环境风条件下安装本实施例自然排烟装置后的自然排烟口上方压力分布图；

图6为环境风条件下安装本实施例自然排烟装置后的自然排烟口上方温度分布图；

图7为本发明文丘里效应强化作用下的自然排烟装置实施例2的结构示意图。

附图标记说明：1-盖板；2-文丘里强化导流面；3-底座；4-通孔；5-立柱；6-挡水坎；7-滴水线；8-汇聚口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，为本发明文丘里效应强化作用下的自然排烟装置实施例1的结构示意图。本实施例的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，包括设置在自然排烟口上方的盖板1，盖板1的底面上设有向下凸起并位于自然排烟口上方的文丘里强化导流面2。本实施例的文丘里强化导流面2被任意水平面截得的廓线均为圆心位于同一条竖直直线上的圆形，且对于与文丘里强化导流面2相交的任意两个水平面中，位于上方的水平面在文丘里强化导流面2上截得的廓线的直径大于位于下方的水平面在文丘里强化导流面2上截得的廓线的直径。即竖直直线即为文丘里强化导流面2的轴线，且文丘里强化导流面2表面光滑，能够有效减小的风流的阻力作用。

进一步，过竖直直线的任意平面在文丘里强化导流面2上截得的曲线为圆弧线或抛物线或双曲线或半椭圆线。本实施例过竖直直线的任意平面在文丘里强化导流面2上截得的曲线为圆弧线，即本实施例的文丘里强化导流面2为小于等于一半的球面。

进一步，文丘里强化导流面2的四周边缘与盖板1的底面之间平滑过渡，能够有效减小对风流的阻力。

进一步，本实施例文丘里效应强化作用下的自然排烟装置还包括用于安装在自然排烟口上的底座3，底座3上与自然排烟口对应设有用于烟气通过的通孔4，且底座3与盖板1之间设有用于支撑盖板1的立柱5。本实施例的竖直直线与通孔的轴线共线。本实施例的盖板1、文丘里强化导流面2、底座3和立柱5均采用耐火材料制成，以满足火灾排烟时的要求。

进一步，本实施例的盖板1的四周边缘设有滴水线7，本实施例的通孔4的四周设有挡水坎6，防止雨水通过通孔4进入到自然排烟口内。本实施例的挡水坎6背向通孔4轴线的外侧面为与通孔4轴线的距离沿着竖直向下的方向逐渐增大的斜面，能够有效减小对风流的阻力作用。

本实施例的原理为：由于本实施例自然排烟装置的四周都是开放的空间，且盖板1设置在自然排烟口上方，在排烟工况下还会受到强浮力的烟气影响，因此环境风流经本实施例的自然排烟装置并不是受限流动；上方文丘里强化导流面2与下方的底座3顶面之间形成的空间可近似看作文丘里管；当外界环境风流经本实施例自然排烟装置时，由于文丘里强化导流面2的作用，导致上方文丘里强化导流面2与下方的底座3顶面之间的空间减小，风流流通的过流断面减小，产生了类似于文丘里效应的现象（由于是非限制流，不是普遍意义上的文丘里效应），因而环境风流速增加。

设文丘里强化导流面2外的压强和风流流速分别为和，文丘里强化导流面2最低位置处的压强和风流流速为和，和分别为文丘里强化导流面外侧边缘与文丘里强化导流面最低位置处距离基准面的高度，近似认为，根据伯努利方程，得，为重力加速度，为环境空气的密度，由于，可知，即在文丘里强化导流面2下方也即自然排烟口的上方在风流的作用下形成负压，使自然排烟口的内外两侧形成的压差增大，而自然排烟口处的内外压差正是烟气排出室外的驱动力，因此本发明能够增强自然排烟的效果，增强自然排烟的可靠性。

如图3所示，为本实施例文丘里效应强化作用下的自然排烟装置的主要结构参数示意图。本实施例中，自然排烟口的当量直径D=1m，优化后的结构参数为R=1.7，r=1.5，d=1.5，即优化的无量纲结构参数为R/D=1.7，r/D=1.5，d/D=1.5。

如图4所示，为环境风条件下安装本实施例自然排烟装置后的自然排烟口上方速度矢量图。图4中的切面为过文丘里强化导流面2轴线的竖直平面在文丘里强化导流面2上截得的纵断面。借助计算流体力学（CFD）模拟软件FLUENT模拟计算获得自然排烟口上方的流场结构，可知在本实施例的自然排烟装置的作用下，环境风在文丘里强化导流面2下方形成了较强的一维流动，过流断面的减小使该处的环境风速有一定程度的增加。

如图5所示，为环境风条件下安装本实施例自然排烟装置后的自然排烟口上方压力分布图。图5中的切面为过文丘里强化导流面2轴线的竖直平面在文丘里强化导流面2上截得的纵断面。借助计算流体力学（CFD）模拟软件FLUENT模拟计算获得自然排烟口上方的压力分布情况，可知在本实施例的自然排烟装置的作用下，环境风的流动在文丘里强化导流面2下方形成了一定程度的负压，使得自然排烟口内外压差增大，这将有利于烟气的排出。

如图6所示，为环境风条件下安装本实施例自然排烟装置后的自然排烟口上方温度分布图。图6中的切面为过文丘里强化导流面2轴线的竖直平面在文丘里强化导流面2上截得的纵断面。借助计算流体力学（CFD）模拟软件FLUENT模拟计算获得自然排烟口上方的温度分布情况，可知在外界环境风的作用下，经自然排烟口排出的烟气倾斜，向斜上方流动，即本实施例的自然排烟装置的文丘里强化导流面2未对自然排烟口排出的烟气形成阻挡，可以很好地起到强化排烟的作用。

本实施例的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，通过在盖板的底面上设置文丘里强化导流面，由于文丘里效应，可在自然排烟口上方形成负压，如此，自然排烟口的内外两侧压差增大，有利于烟气排出，烟气由自然排烟口排出后，在文丘里强化导流面的导流作用下被排至外界环境中，并具有以下优点：

1）能够适应不同的环境风向，防止环境风条件下自然排烟时的烟气倒灌，增强环境风条件下的自然排烟能力，增强自然排烟的安全性，有助于人员疏散与救援；

2）不依赖主动控制系统，可靠性高；

3）能够防止雨水从屋顶排烟口处进入室内，不会对室内环境带来负面影响；

4）火灾发生时可及时有效地排出大量烟气，平时兼做通风使用，可强化自然通风；

5）结构简单，易于实现，安装使用方便。

实施例2

如图7所示，为本发明文丘里效应强化作用下的自然排烟装置实施例2的结构示意图。本实施例的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，包括设置在自然排烟口上方的盖板1，盖板1的底面上设有向下凸起并位于自然排烟口上方的文丘里强化导流面2。本实施例的文丘里强化导流面2被任意水平面截得的廓线均为圆心位于同一条竖直直线上的圆形，且对于与文丘里强化导流面2相交的任意两个水平面中，位于上方的水平面在文丘里强化导流面2上截得的廓线的直径大于位于下方的水平面在文丘里强化导流面2上截得的廓线的直径。即竖直直线即为文丘里强化导流面2的轴线，且文丘里强化导流面2表面光滑，能够有效减小的风流的阻力作用。

进一步，过竖直直线的任意平面在文丘里强化导流面2上截得的曲线为圆弧线或抛物线或双曲线或半椭圆线。本实施例过竖直直线的任意平面在文丘里强化导流面2上截得的曲线为抛物线。

进一步，文丘里强化导流面2的四周边缘与盖板1的底面之间平滑过渡，能够有效减小对风流的阻力。

进一步，本实施例文丘里效应强化作用下的自然排烟装置还包括用于安装在自然排烟口上的底座3，底座3上与自然排烟口对应设有用于烟气通过的通孔4，且底座3与盖板1之间设有用于支撑盖板1的立柱5。本实施例的竖直直线与通孔的轴线共线。本实施例的盖板1、文丘里强化导流面2、底座3和立柱5均采用耐火材料制成，以满足火灾排烟时的要求。

进一步，本实施例的盖板1的四周边缘设有滴水线7，本实施例的通孔4的四周设有挡水坎6，防止雨水通过通孔4进入到自然排烟口内。本实施例的挡水坎6背向通孔4轴线的外侧面为与通孔4轴线的距离沿着竖直向下的方向逐渐增大的斜面，能够有效减小对风流的阻力作用。

进一步，底座3与盖板1之间形成用于风流通过的过流间隙，且底座3与盖板1的四周设有用于将风流汇聚到过流间隙的汇聚口8。本实施例的汇聚口8的宽度沿着朝向文丘里强化导流面2的向内的方向逐渐减小，且汇聚口的最小宽度等于底座3与盖板1之间的间距。通过设置汇聚口8，能够有效增强底座3与盖板1之间的风流流量和风流流速，进一步提高自然排烟口内外两侧的压差，提高烟气排出效率。

本实施例的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置的原理与实施例1相同，不再一一累述。

本实施例的文丘里效应强化作用下的自然排烟装置，通过在盖板的底面上设置文丘里强化导流面，由于文丘里效应，可在自然排烟口上方形成负压，如此，自然排烟口的内外两侧压差增大，有利于烟气排出，烟气由自然排烟口排出后，在文丘里强化导流面的导流作用下被排至外界环境中，并具有以下优点：

1）能够适应不同的环境风向，防止环境风条件下自然排烟时的烟气倒灌，增强环境风条件下的自然排烟能力，增强自然排烟的安全性，有助于人员疏散与救援；

2）不依赖主动控制系统，可靠性高；

3）能够防止雨水从屋顶排烟口处进入室内，不会对室内环境带来负面影响；

4）火灾发生时可及时有效地排出大量烟气，平时兼做通风使用，可强化自然通风；

5）结构简单，易于实现，安装使用方便。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。