高層建筑多因素作用下火災發(fā)展機理和煙氣控制研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市化發(fā)展進程也逐年加快，近年來，高層建筑的數(shù)量越來越多。與此同時，高層建筑中火災安全事故頻發(fā)，造成了災難性的破壞，伴隨著大量的人員傷亡以及財產(chǎn)損失，高層建筑的火災安全問題已經(jīng)引起了廣泛關注。研究高層建筑火災的發(fā)展規(guī)律以及防控措施對于消防設計具有及其重要的理論意義和應用價值。高層建筑內(nèi)有很多豎向通道，火災發(fā)生后成為熱煙氣的主要蔓延通道，造成火災危害區(qū)域擴大，導致了遠離著火樓層人員的窒息傷亡。此外，建筑物周圍環(huán)境中

2、經(jīng)常存在外界風，對火災的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，目前仍然缺乏相關研究。文中按照高層建筑火災發(fā)展的規(guī)律，采用理論分析、小尺寸實驗以及數(shù)值模擬等多種研究方法相結(jié)合，對高層建筑火源功率、煙囪效應、外界風等多因素作用下的火災發(fā)展機理和正壓送風措施對煙氣流動的控制展開研究，主要包括以下四個方面的內(nèi)容:
　　第一，通過小尺寸實驗研究了高層建筑火災初期階段煙囪效應對著火空間內(nèi)火羽流動態(tài)平衡的影響。實驗中發(fā)現(xiàn)，改變樓梯間內(nèi)窗口打開的位置以及火源功率均會

3、造成煙囪效應強度的變化，進而影響到著火空間底部開口處誘導氣流的流速。樓梯間內(nèi)窗口打開高度的改變引起中性面位置的變化，從中性面位置到樓梯間底部之間的壓強差則影響到煙囪效應的強度以及底部開口處誘導氣流的大小?；谀芰渴睾愣ɡ硪约皹翘蓍g內(nèi)的溫度分布規(guī)律，建立了底部開口處誘導氣流流速的預測關系式。著火空間底部開口處的誘導氣流影響了火源功率，進而對樓梯間內(nèi)的溫度分布產(chǎn)生影響，從而影響了煙囪效應強度，煙囪效應強度又直接影響到底部開口的誘導氣流流速的

4、變化。三者相互影響，并且形成動態(tài)平衡。通過對火羽流的受力分析以及對以上三者相互影響規(guī)律的轉(zhuǎn)化，得到了表達形式簡單的火焰傾斜角度預測關系式，并用前人的實驗數(shù)據(jù)驗證了其適用性。
　　第二，高層建筑室內(nèi)火災劇烈發(fā)展后，室內(nèi)空氣不足，未燃氣體及熱煙氣流出窗外形成溢流火，溢流火的發(fā)展將受到周圍環(huán)境中外界風的影響。外界風從窗口吹入時，外界風的水平慣性力與熱浮力的作用方向相反。通過小尺寸實驗研究了高層建筑室內(nèi)火災劇烈發(fā)展階段反向風對雙開口腔室燃

5、燒特性的影響。發(fā)現(xiàn)隨著外界風速增大，存在一個臨界風速，使腔室內(nèi)熱煙氣無法從窗口流出。分析了不同因素對臨界轉(zhuǎn)變風速的影響，實驗驗證了前人的理論模型，并為前人理論推導的臨界轉(zhuǎn)變風速預測關系式確定了合理的參數(shù)。此外，在雙開口腔室火災中，門口處會出現(xiàn)一個附加的補風區(qū)域。隨著外界風速增大，這一補風區(qū)域逐漸減小。通過對門口附加補風區(qū)域內(nèi)空氣運動過程的分析，提出了一個能夠反映進入腔室內(nèi)空氣質(zhì)量流量的特征長度。綜合考慮了外界風、門口補風、腔室熱反饋等因

6、素對燃燒質(zhì)量損失速率的影響，通過量綱分析，建立了燃燒質(zhì)量損失速率的預測關系式。
　　第三，高層建筑室內(nèi)火災劇烈發(fā)展形成溢流火后，環(huán)境中的外界風從門口吹入，或在腔室入口采取正壓送風措施控制煙氣運動，外界風的作用方向與熱浮力一致。通過小尺寸實驗研究了高層建筑室內(nèi)火災劇烈發(fā)展階段正向風對雙開口腔室火行為的影響。結(jié)果顯示，隨著外界風速增大，腔室門口的氣流會從雙向運動向單向運動轉(zhuǎn)變。當腔室門口氣流單向運動時，隨氣火流量增加或外界風速減小，腔

7、室內(nèi)的火焰會出現(xiàn)只向上風向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)、向上風向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)與向下風向偏斜并存的轉(zhuǎn)變;當腔室門口氣流雙向運動時，腔室內(nèi)出現(xiàn)向下風向偏斜的火焰。火焰從窗口流出后，會出現(xiàn)間歇性溢出的特征。結(jié)合腔室外側(cè)燃燒條件的分析，文中分析了窗口外側(cè)火焰間歇性特征的物理規(guī)律，建立了預測火焰出現(xiàn)概率的預測關系式。而且隨著外界風速增大，窗口外側(cè)依次呈現(xiàn)出溢流火焰形態(tài)、水平噴射火形態(tài)、無火焰三種類型?；趯Υ翱谔幓鹧娴氖芰Ψ治觯l(fā)現(xiàn)窗口處火羽流的Fr數(shù)可以作為火焰形態(tài)轉(zhuǎn)

8、變的臨界判據(jù)。進一步通過修正前人在無風情況下提出的特征參數(shù)，進而對窗口外側(cè)的火焰長度、最大溫度分布進行量綱分析，并建立了相應的預測關系式。最后通過對窗口外側(cè)火焰運動過程的受力分析，建立了不同形態(tài)火焰的運動軌跡方程。
　　第四，模擬研究了減少樓梯間內(nèi)靠近著火樓層送風口打開的數(shù)量對樓梯間防煙效果的影響。模擬結(jié)果顯示，對樓梯間進行正壓送風時，減少送風口打開的數(shù)量，能夠用更小的送風量阻擋相同火源功率的火災煙氣進入樓梯間。但是在加壓空氣無法

9、阻擋火災熱煙氣進入樓梯間的情況下，由于樓梯間內(nèi)著火樓層上方空間缺少加壓空氣，壓強較小，樓梯間內(nèi)熱煙氣更容易向上部樓層蔓延。此外，研究發(fā)現(xiàn)當正壓送風風機位于樓梯間頂部，樓梯間內(nèi)各送風口空氣質(zhì)量流量的非均勻分布，隨著送風口位置降低，送風口的風量越大。通過對送風管道內(nèi)流體運動過程的分析，基于能量守恒和質(zhì)量守恒定理，建立了預測各送風口的風量的關系式。在加壓風量進入樓梯間后，基于整個樓梯間及相鄰著火空間內(nèi)的壓差分析，建立了送風量與樓梯間著火樓層平