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    多驅(qū)動(dòng)力作用下高層建筑火災(zāi)煙氣輸運(yùn)規(guī)律研究現(xiàn)狀

    2014-12-09 02:45:40李昌厚李思成
    火災(zāi)科學(xué) 2014年4期
    關(guān)鍵詞:豎井風(fēng)壓浮力

    李昌厚,陳 穎,李思成

    (中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院,河北 廊坊,065000)

    0 引言

    隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,高層和超高層建筑得到了迅速發(fā)展,這類建筑在給人們帶來便利和舒適的同時(shí),也隱藏著很多火災(zāi)隱患[1]。資料表明,當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),火災(zāi)煙氣是造成人員大量傷亡的主要原因[2]。建筑中導(dǎo)致煙氣蔓延的驅(qū)動(dòng)力主要有熱浮力、熱壓(煙囪效應(yīng))、膨脹力、室外風(fēng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和電梯的活塞效應(yīng)等[3-5],火災(zāi)煙氣在上述驅(qū)動(dòng)力的作用下從著火房間蔓延至建筑內(nèi)的其它部位。其中,煙氣從著火房間經(jīng)由疏散走廊進(jìn)入樓梯間并向建筑上部蔓延是煙氣蔓延的主要途徑,而疏散走廊和樓梯間作為建筑內(nèi)人員疏散的重要途徑,一旦被煙氣侵入,會(huì)嚴(yán)重影響建筑內(nèi)人員的安全疏散,同時(shí)也會(huì)增加消防救援工作的難度[6]。研究表明,煙氣進(jìn)入疏散走廊后,走廊遠(yuǎn)端煙氣中毒性成分的濃度仍然可以達(dá)到致命濃度[7]。因此控制煙氣在建筑內(nèi)蔓延擴(kuò)散,可以有效減少火災(zāi)煙氣造成的人員傷亡。

    高層建筑由于高度高,在豎向通道中由溫差和高度共同引起的煙囪效應(yīng)會(huì)更加顯著,對(duì)火災(zāi)發(fā)生后的煙氣流動(dòng)產(chǎn)生更大的影響[5],同時(shí)建筑高度和熱壓作用的大小也會(huì)對(duì)疏散走廊中煙氣的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響[8]。另外,研究表明,室外風(fēng)風(fēng)速隨高度的增加成指數(shù)增長(zhǎng)[9],因此室外風(fēng)作用于高層建筑形成的風(fēng)壓分布更明顯,且當(dāng)某高層建筑周圍有其它高層建筑時(shí),流經(jīng)該建筑的風(fēng)速會(huì)更大[10]。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生轟燃后,火災(zāi)高溫會(huì)誘發(fā)外窗玻璃等脆性材料破裂[11],導(dǎo)致室外風(fēng)灌入著火房間,使煙氣在建筑內(nèi)的輸運(yùn)過程變得更加復(fù)雜而難以控制。同時(shí),高溫引起的熱浮力也是驅(qū)使火災(zāi)煙氣從著火房間蔓延至相鄰空間的重要驅(qū)動(dòng)力[5]。

    綜上,由于高層建筑特殊的高度及結(jié)構(gòu)功能特性,其熱壓和室外風(fēng)壓的作用較一般建筑會(huì)更明顯,對(duì)建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響也更顯著,加之熱浮力引起煙氣在水平與豎直方向上的蔓延,因此有必要對(duì)熱壓、室外風(fēng)壓及熱浮力作用下建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行研究,從而為高層建筑煙氣優(yōu)化控制提供理論基礎(chǔ)。

    1 熱浮力作用下火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)

    當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,著火房間內(nèi)的可燃物燃燒生成大量高溫?zé)煔?,由于熱煙氣密度小于周圍空氣,二者的密度差產(chǎn)生熱浮力,驅(qū)動(dòng)煙氣向上流動(dòng),并在到達(dá)頂棚后形成頂棚射流,當(dāng)熱煙氣層越過著火房間房門的上緣時(shí),煙氣便會(huì)進(jìn)入走廊,并向走廊遠(yuǎn)端流動(dòng)[12]。著火房間內(nèi)的熱煙氣與相鄰空間內(nèi)的冷空氣之間的密度差產(chǎn)生的熱浮力大小可表示為[13]:

    式中,△Pb為熱浮力產(chǎn)生的壓差,Pa;h為測(cè)點(diǎn)高度,m;HN為著火房間的中性面高度,m;ρa(bǔ)為周圍空氣的密度,kg/m3;ρg為熱煙氣的密度,kg/m3;g 為重力加速度,m/s2。

    由理想氣體狀態(tài)方程和公式1可得,熱浮力的大小與室內(nèi)外溫差有關(guān),當(dāng)疏散走廊與著火房間的溫差增大時(shí),熱浮力作用對(duì)煙氣的驅(qū)動(dòng)的效果將更顯著。

    熱浮力引起的煙氣流動(dòng)主要是垂直流動(dòng)和水平流動(dòng),其中垂直流動(dòng)主要發(fā)生在建筑的豎井結(jié)構(gòu)中,而水平流動(dòng)通常是指煙羽撞擊頂棚后形成的頂棚射流。單純熱浮力作用下,煙氣在豎井中的流動(dòng)會(huì)使豎井內(nèi)溫度升高,導(dǎo)致豎井與相鄰?fù)饨绛h(huán)境的溫差增大,煙囪效應(yīng)逐漸增強(qiáng),豎井內(nèi)煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力由單純的熱浮力作用變?yōu)闊岣×蜔焽栊?yīng)共同作用[14],且煙囪效應(yīng)逐漸成為主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力,熱浮力的作用可基本忽略。

    驅(qū)使火災(zāi)煙氣由著火房間進(jìn)入疏散走廊的驅(qū)動(dòng)力除了熱浮力外還有膨脹力,Chow 和Gao[13]對(duì)兩驅(qū)動(dòng)力的相對(duì)大小進(jìn)行了研究,并提出無量綱數(shù)B來確定二者的相對(duì)大小,B 的計(jì)算公式如下:式中,Gr為格拉曉夫數(shù),Re為雷諾數(shù)。又Gr =

    式中,g 為重力加速度,m/s2;△ρ 為室內(nèi)外氣體的密度差,kg/m3;澆 為平均密度,kg/m3;為房間開口的特征直徑(通常取長(zhǎng)度或?qū)挾鹊钠骄担?,m;v為運(yùn)動(dòng)黏度;△P 為著火房間與室外環(huán)境的壓差,Pa。得到:

    當(dāng)B<0.1時(shí),膨脹力作用占主導(dǎo)地位,熱浮力引起的煙氣流動(dòng)可以忽略;當(dāng)B>10 時(shí),熱浮力是導(dǎo)致煙氣流出著火房間的主要驅(qū)動(dòng)力。

    火災(zāi)煙氣進(jìn)入疏散走廊后,煙氣在熱浮力驅(qū)動(dòng)下水平流動(dòng),其流動(dòng)速度的大小關(guān)系到人員在走廊中疏散的可用疏散時(shí)間。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就熱浮力驅(qū)動(dòng)下走廊中煙氣的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量研究。其中,Hinkley[15]推導(dǎo)出熱浮力作用下疏散走廊中煙氣單向流動(dòng)的速度衰減公式,計(jì)算公式如下:

    式中,g 為重力加速度,m/s2;Q 為火源的熱釋放速率,kw;T 為距火源某一水平距離處的煙氣溫度,K;cp為煙氣的比熱;ρ0為周圍空氣的密度,kg/m3;T0為周圍環(huán)境溫度,K;W 為疏散走廊寬度,m。

    Kim[16]利用激光片光源觀察煙氣在一條11.83m×2.83m×2.3m 的走廊中的運(yùn)動(dòng),并將煙氣流動(dòng)速度的測(cè)量結(jié)果與用Hinkley公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)公式計(jì)算的結(jié)果較實(shí)際測(cè)量結(jié)果大20%左右。He[17]在研究了Kim 的實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)Kim 實(shí)驗(yàn)中煙氣在走廊中是雙向流動(dòng),而Hinkley的公式假設(shè)走廊中的煙氣是單向流動(dòng),因此公式的計(jì)算結(jié)果偏大。He假設(shè)煙氣進(jìn)入走廊后變成兩股對(duì)稱的煙流,并提出Hinkley的改進(jìn)公式:

    上式計(jì)算的煙氣流動(dòng)速度比Kim 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果小5%左右,表明公式(5)可以較好的預(yù)測(cè)走廊中雙向煙氣流動(dòng)的速度變化情況。

    由于區(qū)域模型不能很好地模擬走廊等特殊結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣的運(yùn)動(dòng)過程,Jones[18]將走廊中煙氣的流動(dòng)簡(jiǎn)化為二維流動(dòng)模型,并假設(shè)煙氣在流動(dòng)過程中密度不變,提出雙區(qū)域模型中計(jì)算煙氣水平流動(dòng)平均速度的簡(jiǎn)化公式,計(jì)算公式如下:

    式中,g 為重力加速度,m/s2;Q0為走廊煙氣的體積流率,m3/s;△ρ 為周圍空氣與煙氣的密度差,kg/m3;ρs為火災(zāi)煙氣的密度,kg/m3;B 為疏散走廊寬度,m。

    Jones在一長(zhǎng)40 m 的全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)公式(6)在實(shí)驗(yàn)的前期較實(shí)驗(yàn)結(jié)果大,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20s后,公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。但該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的煙氣溫度最高僅為69.7℃,與實(shí)際情況相差較大,且公式(6)在推導(dǎo)過程中忽略了煙氣的密度變化和兩區(qū)域間的質(zhì)量交換,因此不能很好地預(yù)測(cè)實(shí)際火災(zāi)中走廊煙氣的水平運(yùn)動(dòng)速度。

    CFAST 在模擬熱浮力驅(qū)動(dòng)下疏散走廊火災(zāi)煙氣流動(dòng)過程時(shí),將走廊分為上下兩個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度是一致的,這顯然不符合實(shí)際情況。對(duì)此,Bailey[19]等基于場(chǎng)模型提出了改善CFAST 的子模型,子模型中計(jì)算走廊中煙氣水平流動(dòng)速度和煙氣溫度變化的公式如下:

    式中,g為重力加速度,m/s2;d0為煙氣層厚度,m;△T為煙氣前端與環(huán)境空氣的溫差,K;Tamb為環(huán)境溫度,K;△T0為起始點(diǎn)煙氣與環(huán)境空氣的溫差,K;x為煙氣前端距起始點(diǎn)的水平距離,m。

    為驗(yàn)證該模型的可靠性,Bailey在一長(zhǎng)8.51m的走廊中進(jìn)行了火災(zāi)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該子模型的模擬結(jié)果吻合較好。但實(shí)驗(yàn)中所用的走廊長(zhǎng)度較短,而實(shí)際建筑中走廊的長(zhǎng)度一般都遠(yuǎn)大于8.51m,因此該子模型還需在較長(zhǎng)的走廊中進(jìn)行驗(yàn)證。

    Yang[20]認(rèn)為火災(zāi)煙氣從火源處上升撞擊頂棚后,由于與周圍冷空氣和墻壁發(fā)生了對(duì)流換熱,頂棚射流的熱釋放速率遠(yuǎn)小于火源的熱釋放速率,因此Hinkley的公式中應(yīng)用頂棚射流起點(diǎn)處的熱釋放速率來代替火源的熱釋放速率,計(jì)算公式如下:

    式中,Qcv為頂棚射流起點(diǎn)處的熱釋放速率,其大小可用公式(10)計(jì)算得到:

    式中,△T為頂棚射流的平均溫升,K;Vl為頂棚射流的體積流率,m3/s;ρa(bǔ)為周圍空氣的密度,kg/m3;Ta為周圍環(huán)境的溫度,K;cp為空氣的比定壓熱容;T為頂棚射流的溫度,K。

    Yang將上式計(jì)算的結(jié)果與其在一條66.0m×1.5m×1.3m 的走廊中觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果最大僅相差不足15%,說明公式(9)可以很好地預(yù)測(cè)走廊中煙氣的流動(dòng)速度。

    Hu[21]通過分析走廊中煙氣滿足的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程,推導(dǎo)出煙氣在走廊中流動(dòng)時(shí),溫度和速度衰減的計(jì)算公式:

    式中,△T為煙氣前端距參考點(diǎn)x時(shí)的溫度變化,K;△T0為火源到頂棚之間的溫差,K;ρ為煙氣密度,m3/s;h為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);μ為煙氣流動(dòng)速度,m/s;μ0 為參考點(diǎn)處煙氣流動(dòng)速度,m/s;cf[22]為摩擦系數(shù),通常取0.0055~0.0073;x0為參考距離,m。

    Hu[21]通過分析在88.0m×8.0m×2.65m 的全尺寸走廊中得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出走廊中煙氣的溫度和速度滿足指數(shù)函數(shù)衰減,且其理論模型在長(zhǎng)度不超過35m 的走廊中可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)溫度和速度的衰減情況。

    2 熱壓作用下火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)

    熱壓作用是由于建筑室外環(huán)境空氣與室內(nèi)空氣存在溫差引起的,其對(duì)建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響最常見于建筑內(nèi)的豎井結(jié)構(gòu),此時(shí)熱壓作用又稱為煙囪效應(yīng)。雖然煙囪效應(yīng)是由熱壓作用形成的,但不能將其與熱壓作用完全等同起來。煙囪效應(yīng)的強(qiáng)弱除了與建筑高度和建筑內(nèi)外溫差有關(guān)外,還與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性及建筑內(nèi)部隔斷等因素有關(guān)[23,24]。煙囪效應(yīng)越強(qiáng),火災(zāi)煙氣在建筑內(nèi)的蔓延越迅速,進(jìn)而對(duì)建筑內(nèi)人員的安全疏散造成更大的威脅,因此,研究煙囪效應(yīng)對(duì)高層建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律具有十分重要的意義。

    在研究建筑內(nèi)的煙囪效應(yīng)時(shí),中性面是一個(gè)非常重要的概念,確定了中性面的位置,就可確定其上下方煙氣的不同流動(dòng)狀況,進(jìn)而確定煙囪效應(yīng)對(duì)建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響情況。Klote[25]通過理論分析,推導(dǎo)出側(cè)向連續(xù)開口和側(cè)向上下開口豎井的中性面位置的計(jì)算公式。其中,側(cè)向連續(xù)開口豎井的中性面位置計(jì)算公式為:

    側(cè)向上下開口豎井的中性面位置計(jì)算公式為:

    式中,Hn為中性面距豎井下緣的垂直距離,m;H 為豎井側(cè)向開口的高度,m;Tin為室內(nèi)氣體溫度,K;Tout為室外氣體溫度,K;Aa為上部開口的面積,m2;Ab為下部開口的面積,m2。

    Harmathy[26]提出了一種不必考慮中性面位置即可計(jì)算不同開口工況下豎井內(nèi)部壓力分布的簡(jiǎn)化模型,該模型中用于計(jì)算開口處壓差的計(jì)算公式為:

    式中,Pa為室外環(huán)境壓力,Pa;Ps為豎井內(nèi)的壓力,Pa;g 為重力加速度,m/s2;ρa(bǔ)為周圍空氣的密度,kg/m3;T0為參照溫度,273K;Ta為室外氣體溫度,K;Ti為室內(nèi)氣體溫度,K;z 為開口中心點(diǎn)的高度,m;b的取值依據(jù)豎井的開口情況選擇,當(dāng)豎井頂部開口時(shí),b=H(H 為豎井高度,m);當(dāng)豎井底部開口時(shí),b =0;當(dāng)豎井未開口時(shí),b=H/2。

    由于煙囪效應(yīng)與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性有關(guān),因此豎井內(nèi)門窗縫隙的變化都會(huì)對(duì)中性面的位置產(chǎn)生影響,對(duì)此,劉[27]進(jìn)行了理論分析,并推導(dǎo)出首層門窗縫隙變化時(shí)中性面位置的計(jì)算公式:

    式中,F(xiàn)j為首層縫隙變化前的縫隙總面積,m2;Fz為首層縫隙增加的面積,m2;H 為豎井高度,m;h 為各樓層的層高,m;Hn為中性面距豎井下緣的垂直距離,m;rw為室外空氣的容重,kg/m3;rn為室內(nèi)空氣的容重,kg/m3。

    上述研究均認(rèn)為煙囪效應(yīng)只是豎井內(nèi)外壓差作用的結(jié)果,但張[28,29]認(rèn)為煙氣進(jìn)入豎井結(jié)構(gòu)后溫度仍然較高,由此產(chǎn)生的熱浮力作用也會(huì)影響煙氣在豎井中的運(yùn)動(dòng),所以煙囪效應(yīng)是熱浮力和豎井內(nèi)外壓差聯(lián)合作用的結(jié)果。為確定兩種作用力在煙囪效應(yīng)中的相對(duì)大小,他將豎井分為近火源區(qū)和遠(yuǎn)火源區(qū)。當(dāng)l/L<0.825(l為火源距豎井中心線的距離,L 為前室開口距豎井中心線的距離),即為近火源區(qū)時(shí),豎井內(nèi)外壓差起主要作用;當(dāng)l/L>0.825,即為遠(yuǎn)火源區(qū)時(shí),火災(zāi)煙氣的自身浮力起主要作用。

    前人在計(jì)算中性面位置時(shí),均假設(shè)樓梯間內(nèi)溫度是恒定不變的,孫[30]和Li[31]等人認(rèn)為煙氣進(jìn)入樓梯間后,其溫度會(huì)隨高度的增加而降低,且這一變化會(huì)影響中性面的位置。孫曉乾通過理論分析得出頂部和底部開口的樓梯間內(nèi)煙氣溫度隨高度的變化規(guī)律:

    式中,Ti為“羽流入口區(qū)”的溫度,K;T0為環(huán)境空氣溫度,K;Z 為無量綱高度,是豎井內(nèi)任一高度z 與豎井高度H 的比值;β 為系數(shù),與初始條件和豎井尺寸有關(guān)。

    Li在孫研究的基礎(chǔ)上,通過理論推導(dǎo)和對(duì)1/3縮尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,得到頂部、中部和底部均開口的豎井內(nèi)溫度隨高度的變化規(guī)律:

    式中,Ts為某一高度處羽流的溫度,K。

    上述二人雖然提出了豎井內(nèi)溫度隨高度變化的理論模型,但這些模型均假設(shè)豎井內(nèi)的煙氣與豎井壁面不發(fā)生熱交換,而對(duì)于高大的豎井結(jié)構(gòu),這部分熱交換是不能忽略的。為此,X.Q.Sun[32]在公式(17)的基礎(chǔ)上考慮豎井內(nèi)煙氣與壁面間的對(duì)流換熱,得到了改進(jìn)后的理論模型:

    式中,A 為豎井的橫截面積,m2;H 為豎井高度,m;h為對(duì)流換熱系數(shù),W/m2·K;cp為煙氣的定壓比熱,J/kg·K;m 為豎井內(nèi)煙氣的質(zhì)量流量,kg/s;D為豎井的特征長(zhǎng)度,按公式(20)計(jì)算:

    式中,L 為豎井長(zhǎng)度,m;W 為豎井寬度,m。

    Qi[33]認(rèn)為Sun的模型中將豎井壁面溫度假設(shè)為與外界環(huán)境溫度相等是不合適的,這會(huì)使計(jì)算得到的煙氣溫度偏小。對(duì)此,他引入溫度衰減系數(shù)來計(jì)算豎井內(nèi)煙氣、豎井內(nèi)壁面、外壁面和外界空氣間的熱交換,得到的解析模型如下:

    式中,Tshx為豎井內(nèi)x高度處的溫度,K;Tnf為非著火層溫度,K;Tf為著火層溫度,K;φ 為相對(duì)高度;x 為計(jì)算點(diǎn)高度,m;H 為豎井高度,m;α 為溫度衰減系數(shù);P 為豎井周長(zhǎng),m;cp為煙氣的定壓比熱,J/kg·K;m 為豎井內(nèi)煙氣的質(zhì)量流量,kg/s;Rt為豎井內(nèi)外壁面間的熱阻,m2·K/W,其大小按公式(22)計(jì)算:

    式中,hwi為豎井內(nèi)壁面與煙氣的對(duì)流換熱系數(shù),W/m2·K;hwo為豎井外壁面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù),W/m2·K;W為豎井壁面厚度,m;λ為墻體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k)。

    3 室外風(fēng)作用下火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)

    室外風(fēng)流經(jīng)建筑時(shí),會(huì)在建筑周圍產(chǎn)生壓力分布,這種壓力分布會(huì)影響建筑內(nèi)的煙氣流動(dòng)。室外風(fēng)作用在建筑外立面產(chǎn)生的風(fēng)壓大小可表示為[9]:

    式中,Ps為室外風(fēng)作用到建筑表面產(chǎn)生的壓力,Pa;Cp為風(fēng)壓系數(shù);ρa(bǔ)為室外空氣密度,kg/m3;UH為室外風(fēng)速,m/s。

    風(fēng)壓系數(shù)Cp與室外風(fēng)風(fēng)速的大小無關(guān)[34],與建筑形狀、室外風(fēng)風(fēng)向、周圍建筑布局和建筑所處地形等因素有關(guān)。精確的風(fēng)壓系數(shù)只能通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到,對(duì)于形狀較規(guī)則的建筑,也可通過查閱相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或進(jìn)行場(chǎng)模擬得到[35]。

    當(dāng)室外風(fēng)流經(jīng)矮寬的建筑時(shí),氣流主要從建筑的頂部流過;當(dāng)流經(jīng)瘦高的建筑時(shí),氣流則主要沿建筑側(cè)面流動(dòng),少部分會(huì)流經(jīng)建筑頂部,因此對(duì)于高層建筑來說,室外風(fēng)的影響面積更大[36]。雖然現(xiàn)代高層建筑外圍護(hù)物的密封性較好,室外風(fēng)對(duì)建筑內(nèi)壓力的影響有所減弱,但由于可開啟外窗的存在,以及發(fā)生火災(zāi)后玻璃等脆性材料的破裂,室外風(fēng)仍會(huì)對(duì)建筑內(nèi)的壓力產(chǎn)生非常大的影響[37],且由于室外風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向無時(shí)無刻不在變化,這些變化有可能導(dǎo)致室內(nèi)溫度迅速升高,使火災(zāi)情況更加復(fù)雜,阻礙人員的安全疏散和消防員的應(yīng)急救援[38]。因此,有必要對(duì)室外風(fēng)作用下建筑內(nèi)煙氣的流動(dòng)情況進(jìn)行研究。

    目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)室外風(fēng)的研究?jī)?nèi)容主要是室外風(fēng)對(duì)建筑的中性面及自然排煙效果的影響。其中,劉[39]和高[40]等研究了熱壓和室外風(fēng)壓共同作用對(duì)建筑中性面的影響,得出熱壓和室外風(fēng)壓可以完全分解,二者對(duì)中性面的耦合作用可認(rèn)為是二者單獨(dú)作用結(jié)果的代數(shù)疊加。由建筑位于迎風(fēng)面時(shí)新的中性面處熱壓與室外風(fēng)壓的和為0可得中性面位置的計(jì)算公式為:

    式中,N為單純熱壓作用時(shí)中性面所在樓層;k為計(jì)算樓層;us為建筑體型系數(shù),取值參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》;h0為樓層層高,m;r0為室外空氣平均重率,N/m3;ri為建筑豎井內(nèi)空氣平均重率,N/m3;ρ為室外空氣密度,kg/m3;v0為B 類地貌、距地面10m 高度處的風(fēng)速,m/s。

    符[41]提出可用S值來判斷熱壓和室外風(fēng)壓對(duì)中性面位置影響的相對(duì)強(qiáng)弱,S值的計(jì)算方法如下:

    式中,V為標(biāo)準(zhǔn)高度10m 處的室外風(fēng)速,m/s;H為建筑高度,m;△t為室內(nèi)外溫差,K。

    由式25可知,當(dāng)△t和H增大時(shí),S減小,因而迎風(fēng)面的中性面下降,背風(fēng)面的中性面上升;當(dāng)V增大時(shí),S增大,所以迎風(fēng)面的中性面上升,背風(fēng)面的中性面下降。

    通常情況下,當(dāng)自然排煙口位于迎風(fēng)面時(shí),室外風(fēng)在建筑迎風(fēng)面形成較大的風(fēng)壓,不利于煙氣的排出;當(dāng)排煙口位于背風(fēng)面時(shí),室外風(fēng)作用于建筑物會(huì)在排煙口處形成負(fù)壓區(qū),加速煙氣的排出[42]。因此,研究室外風(fēng)對(duì)自然排煙效果的影響對(duì)建筑煙氣控制具有指導(dǎo)意義。

    當(dāng)排煙口位于迎風(fēng)面時(shí),室外風(fēng)會(huì)阻礙煙氣的排出,當(dāng)風(fēng)速增大至一定值時(shí),自然排煙失效,此時(shí)的風(fēng)速值稱為臨界失效風(fēng)速。楊[43]通過建立排煙口處熱壓與風(fēng)壓之和為0的等式推導(dǎo)出臨界失效風(fēng)速的計(jì)算公式:

    式中,g為重力加速度,m/s2;H為排煙口距地面的高度,m;△ρ為室外空氣與室內(nèi)煙氣的密度差,kg/m3;△Cw為總風(fēng)壓系數(shù),其值為補(bǔ)氣口所在壁面的附加風(fēng)壓系數(shù)與排煙口所在壁面的附加風(fēng)壓系數(shù)之差,ρ0為室外空氣密度,kg/m3。

    由式26可得,臨界失效風(fēng)速的大小與室外風(fēng)作用于建筑上形成的風(fēng)壓分布有關(guān),因此在布置排煙口時(shí),應(yīng)根據(jù)常年盛行風(fēng)作用于建筑形成的風(fēng)壓分布情況,以減少室外風(fēng)對(duì)自然排煙的不利影響。

    當(dāng)有室外風(fēng)作用于建筑時(shí),自然排煙過程通常是多驅(qū)動(dòng)力共同作用的結(jié)果,對(duì)此,Poreh[44]通過理論分析熱浮力和室外風(fēng)共同作用下采用自然排煙的中庭內(nèi)煙氣的流動(dòng),得到自然排煙中庭的臨界風(fēng)速值Vt,其計(jì)算公式如下:

    式中,B 為對(duì) 流浮力通量,m4/s3;h 為煙氣層厚度,m;A 為排煙口面積,m2;Cp為開口處的風(fēng)壓系數(shù)。

    當(dāng)室外風(fēng)速小于Vt時(shí),室外風(fēng)對(duì)煙氣的影響可以忽略;當(dāng)室外風(fēng)速大于2倍的臨界風(fēng)速值時(shí),熱浮力對(duì)煙氣的影響可以忽略,此時(shí)火災(zāi)煙氣主要受室外風(fēng)的驅(qū)動(dòng)。但該公式未考慮煙氣在卷吸周圍空氣時(shí)的熱量損失,因此公式中的熱浮力較實(shí)際情況偏大,低估了室外風(fēng)的作用。

    施[45]等采用場(chǎng)-區(qū)模型模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)高層建筑條形走廊內(nèi)的自然排煙過程,對(duì)有室外風(fēng)作用時(shí)走廊自然排煙的效果進(jìn)行了研究。模擬結(jié)果表明,當(dāng)非起火側(cè)位于迎風(fēng)面時(shí),迎風(fēng)面的排煙口在風(fēng)速較小的情況下就會(huì)失效;當(dāng)起火側(cè)位于迎風(fēng)面時(shí),大量高溫?zé)煔馐古艧熆谔師釅鹤饔眠h(yuǎn)大于風(fēng)壓作用,自然排煙仍有效。但該模擬工況中設(shè)置的室外風(fēng)速最大僅有2.5m/s,而實(shí)際風(fēng)速通常會(huì)遠(yuǎn)大于該值,因此模擬結(jié)果不具有代表性。

    當(dāng)室外風(fēng)作用于建筑時(shí),火災(zāi)煙氣在建筑中的擴(kuò)散蔓延就演變成室外風(fēng)與其它建筑內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力耦合作用的結(jié)果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱浮力和室外風(fēng)共同作用下著火房間煙氣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律做了很多研究,其中Chen[46]通過理論分析得到了熱浮力和室外風(fēng)共同作用時(shí)煙氣從迎風(fēng)面開口流出著火房間的臨界風(fēng)速值,其計(jì)算公式如下:

    式中,Ta為室外環(huán)境溫度,K;Tg為煙氣溫度,K;h為著火房間兩開口中心的高度差,m;Cpw為迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù);Cpl為背風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)。

    當(dāng)室外風(fēng)速小于臨界風(fēng)速值Vcr時(shí),熱浮力是驅(qū)動(dòng)煙氣流出著火房間的主要驅(qū)動(dòng)力;當(dāng)室外風(fēng)速大于臨界風(fēng)速值Vcr時(shí),室外風(fēng)會(huì)驅(qū)動(dòng)煙氣向建筑的背風(fēng)部分運(yùn)動(dòng)。

    Chen[47]通過理論分析一對(duì)稱雙開口的小尺寸房間風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù),提出一判斷熱浮力和室外風(fēng)對(duì)著火房間煙氣作用大小的比值A(chǔ)r,其計(jì)算公式如下:

    式中,Cpw為迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù);Cpl為背風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù);V 為室外風(fēng)速,m/s;Tg為煙氣溫度,K;△Tg為煙氣與室外環(huán)境的溫差,K;H 為開口內(nèi)測(cè)點(diǎn)的高度,m。

    當(dāng)Ar?1 時(shí),室外風(fēng)對(duì)煙氣的影響可以忽略;當(dāng)Ar<1時(shí),煙氣在開口處為雙向流動(dòng);當(dāng)Ar>1時(shí),煙氣在開口處為單向流動(dòng)。

    Gong[48]通過理論計(jì)算和CFD 軟件模擬,提出浮力通量比mQ/mW來判斷單室火災(zāi)中煙氣流動(dòng)的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力,該比值通過求解一元二次方程得到:

    式中,T*為煙氣溫度與環(huán)境溫度的比值;mz為與建筑高度和開口面積有關(guān)的質(zhì)量流率,kg/s;mQ為熱浮力作用下的質(zhì)量流率,kg/s;mW為室外風(fēng)壓作用下的質(zhì)量流率,kg/s。

    模擬結(jié)果表明,當(dāng)該比值接近0時(shí),熱浮力驅(qū)動(dòng)下的煙氣流動(dòng)變得不穩(wěn)定,室外風(fēng)逐漸成為主要驅(qū)動(dòng)力。

    4 展 望

    隨著高層建筑數(shù)量的增多,建筑高度的增高,研究多驅(qū)動(dòng)力對(duì)高層建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響具有很大的實(shí)際意義。總結(jié)以往的研究成果,筆者認(rèn)為在高層建筑火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)方面還應(yīng)加強(qiáng)以下幾點(diǎn)研究:

    (1)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)室外風(fēng)作用下建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)方面的研究側(cè)重于室外風(fēng)在建筑外立面形成的壓力分布對(duì)建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響,但當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)后,著火房間內(nèi)的高溫極可能誘發(fā)玻璃等脆性材料的破裂,導(dǎo)致室外風(fēng)灌入建筑,此時(shí)室外風(fēng)具有的動(dòng)能也將影響建筑內(nèi)煙氣的運(yùn)動(dòng),因此室外風(fēng)進(jìn)入建筑后對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)影響的研究工作有待進(jìn)一步擴(kuò)展。

    (2)前人在單純熱浮力作用下疏散走廊中火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面的研究已有許多可靠的成果,但實(shí)際火災(zāi)中疏散走廊內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)不只受熱浮力的影響,還可能有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和室外風(fēng)等因素的影響,此時(shí)疏散走廊內(nèi)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

    (3)現(xiàn)行規(guī)范推薦的計(jì)算樓梯間和前室加壓送風(fēng)量的風(fēng)速法依據(jù)的是單純熱浮力驅(qū)動(dòng)下疏散走廊煙氣的運(yùn)動(dòng)速度,沒有考慮室外風(fēng)等其它驅(qū)動(dòng)力對(duì)疏散走廊煙氣運(yùn)動(dòng)的影響,其可靠性尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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