Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Numerical Study on Improving Atrium Smoke Control Performance Using CO-Driven Non-Uniform Makeup Air Distribution

Document Type : Original Article

Authors
Milad Mehrpooya 1
Vahid Keikha Moqaddam 2
Najmeh Hajialigol 3
1 , Ferdowsi University of Mashhad
2 Ferdowsi University of Mashhad
3 Hamedan University of Technology
10.22034/jfnc.2026.561952.1448
Abstract
Atria in multi-story buildings become highly vulnerable zones during fire incidents due to stack effect and the rapid accumulation of toxic gases, particularly carbon monoxide (CO). Supplying fresh air as a complement to smoke exhaust systems is essential; however, uniformly distributing the supply airflow cannot address the nonuniform smoke accumulation pattern across different floors. In this study, smoke movement, temperature, smoke layer height, and CO concentration in a four-story atrium were numerically analyzed using the FDS simulation tool. The focus was placed on evaluating nonuniform fresh-air distribution delivered exclusively through wall-mounted inlets. The main objective was to propose a CO-based approach for determining the optimal airflow distribution among the floors. Results indicate that allocating approximately 50–65% of the total supply airflow to the upper floors significantly reduces CO concentration, increases smoke layer height, and maintains safe egress conditions for a longer duration. The proposed distribution strategy can serve as a practical framework for designing smoke management systems in atria and is applicable even in conventional buildings without the need for underfloor air supply systems. The primary contribution of this research lies in introducing a CO-driven decision-making method and providing a detailed analysis of smoke behavior under various airflow distribution scenarios.

Highlights

This study demonstrates that uniform makeup air distribution is not an effective strategy for smoke control in multi-story atria. Due to the dominant influence of buoyancy and stack effect, upper floors experience disproportionately higher levels of smoke and toxic gases, particularly CO.

A CO-concentration-based approach for allocating makeup air flow is proposed and validated through detailed numerical simulations. The results indicate that supplying approximately 55–60% of the total makeup air to the upper floors significantly enhances evacuation safety by reducing CO concentration, improving visibility, and maintaining stable thermal conditions.

The proposed methodology provides a practical and economical framework that can be integrated into existing smoke control design practices and standards. By focusing on toxic gas distribution rather than temperature alone, designers can achieve more reliable and performance-based smoke management in atrium buildings.

 

Keywords
Smoke management
atrium fire
fire safety
make-up air
numerical simulation
Subjects

نتایج این پژوهش نشان داد که توزیع یکنواخت دبی هوای جبرانی در آتریوم‌های چندطبقه نمی‌تواند پاسخگوی الگوی واقعی تجمع دود و گازهای سمی، به‌ویژه منوکسید کربن، باشد و در بسیاری از موارد منجر به افزایش خطر در طبقات بالایی می‌شود. شبیه‌سازی عددی انجام‌ شده با استفاده از نرم‌افزار FDS بیان کرد که شدت اثر دودکشی و حرکت قائم دود باعث می‌شود طبقه  چهارم بیشترین میزان آلودگی را تجربه کند و در نتیجه نیاز بیشتری به دبی هوای جبرانی داشته باشند. بر اساس تحلیل دقیق غلظت ‌CO، دما و شاخص دید، مشخص شد که اختصاص دبی هوای جبرانی به‌صورت هدفمند و متناسب با شدت آلودگی هر طبقه، عملکرد سیستم مدیریت دود را به شکل چشمگیری بهبود می‌دهد.

الگوی بهینه توزیع دبی که سناریو ب این پژوهش حاصل شد، نشان داد که تخصیص حدود ۵5 تا ۶0 درصد از دبی کل به طبقات سوم و چهارم می‌تواند بیشترین تأثیر را در کاهش غلظت  COو بهبود دید در مسیرهای تخلیه داشته باشد. این الگو علاوه بر کاهش سطح خطر، موجب تثبیت لایه‌بندی دود و جلوگیری از ایجاد جریان‌های آشفتگی ناخواسته در طبقات پایین شد. در مقابل، افزایش بیش از حد دبی در یک‌طبقه خاص باعث اختلال در ساختار جریان و بازگشت بخشی از دود به طبقات میانی می‌شد؛ بنابراین توزیع بهینه باید در محدوده‌ای کنترل‌شده انجام گیرد.

نوآوری اصلی این تحقیق در ارائة یک رویکرد مبتنی بر غلظت CO برای تعیین نسبت دبی هوای جبرانی است، رویکردی که می‌تواند مبنای طراحی سیستم‌های هوارسانی مکانیکی در آتریوم‌ها قرار گیرد و به‌عنوان روش مکمل در کنار استانداردهای موجود مورداستفاده مهندسان قرار گیرد. از آنجا که مدل ارائه‌ شده تنها بر ورودی‌های دیواری تکیه دارد، می‌تواند بدون نیاز به سامانه‌های پیچیده و پرهزینه، در ساختمان‌های معمولی نیز قابل‌اجرا باشد. در مجموع، نتایج این پژوهش می‌تواند به‌عنوان یک چارچوب طراحی قابل‌اعتماد در پروژه‌های مدیریت دود مورد استفاده قرار گیرد و زمینه را برای تحقیقات آینده در زمینه بهینه‌سازی پویا و هوشمند توزیع دبی هوای جبرانی فراهم سازد.

 

[1]  H. Hu, H. Li, Z. Qi, J. Shi, and J. Ji, “Full-scale experiments on smoke movement in a two-story detached house with two horizontal openings at the lower-floor ceiling,” J. Build. Eng., vol. 91, p. 109564, 2024.doi:10.1016/j.jobe.2024.109564
[2]  M. Fu, R. Liu, and Y. Zhang, “Why do people make risky decisions during a fire evacuation? Study on the effect of smoke level, individual risk preference, and neighbor behavior,” Saf. Sci., vol. 140, p. 105245, 2021.doi:10.1016/j.ssci.2021.105245
[3]  D. A. Purser, “Effects of pre‐fire age and health status on vulnerability to incapacitation and death from exposure to carbon monoxide and smoke irritants in Rosepark fire incident victims,” Fire Mater., vol. 41, no. 5, pp. 555–569, 2017.
[4]  J. H. Klote, J. A. Milke, P. G. Turnbull, A. Kashef, and M. J. Ferreira, “Handbook of smoke control engineering,” 2012.
[5]  W. Węgrzyński and G. Krajewski, “Influence of wind on natural smoke and heat exhaust system performance in fire conditions,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol. 164, pp. 44–53, 2017.doi: 10.1016/j.jweia.2017.01.014
[6]  W. Lei, Y. Qi, A. Li, and S. Mei, “Effects of makeup air on atrium smoke conditions: a review,” Indoor Built Environ., vol. 32, no. 1, pp. 66–84, 2023.
[7]  C. Pongratz, J. A. Milke, and A. Trouve, “A CFD Study to Identify Methods to Increase Maximum Velocity of Makeup Air for Atrium Smoke Control.,” ASHRAE Trans., vol. 122, no. 2, 2016.
[8]  A. Rafinazari and G. Hadjisophocleous, “A study of the effect of make-up air velocity on the smoke layer height with symmetric openings in atrium fires,” Fire Technol., vol. 54, no. 1, pp. 229–253, 2018.
[9]  C. Gutierrez-Montes, E. Sanmiguel-Rojas, M. A. Burgos, and A. Viedma, “On the fluid dynamics of the make-up inlet air and the prediction of anomalous fire dynamics in a large-scale facility,” Fire Saf. J., vol. 51, pp. 27–41, 2012.doi: 10.1016/j.firesaf.2012.02.007
[10]         J. S. Roh, H. S. Ryou, W. H. Park, and Y. J. Jang, “CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 24, no. 4, pp. 447–453, 2009.doi: 10.1016/j.tust.2008.12.003
[11]         M. Krol, “Review of smoke management in atrium,” Archit. Civ. Eng. Environ., vol. 4, no. 3, pp. 121–127, 2011.
[12]         Y. Alarie, “Toxicity of fire smoke,” Crit. Rev. Toxicol., vol. 32, no. 4, pp. 259–289, 2002.
[13]         S. A. Kebriyaee, M. Moghiman, and H. Niazmand, “Numerical study of the effect of ambient air temperature and relative humidity on diesel pool fire,” Fuel Combust., vol. 17, no. 2, pp. 57–76, 2024.
[14]         S . A. Kebriyaee, M. Moghiman, and H. Niazmand, “Numerical study on the effects of ambient air temperature and relative humidity on diesel pool fire,” Fuel and Combustion, vol. 17, no. 2, pp. 57–76, 2024, doi: 10.22034/jfnc.2024.463133.1398.
[15]         W. Lei, Z. Zhang, Z. Zheng, C. Tai, L. Zhang, and S. Zhao, “Scaled experiment and numerical study on the effect of a novel makeup air system on smoke control in atrium fires,” J. Build. Eng., vol. 95, p. 110237, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110237.