高層建筑多因素作用下火災(zāi)發(fā)展機(jī)理和煙氣控制研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化發(fā)展進(jìn)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(shí)，高層建筑中火災(zāi)安全事故頻發(fā)，造成了災(zāi)難性的破壞，伴隨著大量的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失，高層建筑的火災(zāi)安全問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。研究高層建筑火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律以及防控措施對(duì)于消防設(shè)計(jì)具有及其重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。高層建筑內(nèi)有很多豎向通道，火災(zāi)發(fā)生后成為熱煙氣的主要蔓延通道，造成火災(zāi)危害區(qū)域擴(kuò)大，導(dǎo)致了遠(yuǎn)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(fēng)，對(duì)火災(zāi)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，目前仍然缺乏相關(guān)研究。文中按照高層建筑火災(zāi)發(fā)展的規(guī)律，采用理論分析、小尺寸實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等多種研究方法相結(jié)合，對(duì)高層建筑火源功率、煙囪效應(yīng)、外界風(fēng)等多因素作用下的火災(zāi)發(fā)展機(jī)理和正壓送風(fēng)措施對(duì)煙氣流動(dòng)的控制展開研究，主要包括以下四個(gè)方面的內(nèi)容:
　　第一，通過小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了高層建筑火災(zāi)初期階段煙囪效應(yīng)對(duì)著火空間內(nèi)火羽流動(dòng)態(tài)平衡的影響。實(shí)驗(yàn)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(huì)

3、造成煙囪效應(yīng)強(qiáng)度的變化，進(jìn)而影響到著火空間底部開口處誘導(dǎo)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(qiáng)差則影響到煙囪效應(yīng)的強(qiáng)度以及底部開口處誘導(dǎo)氣流的大小。基于能量守恒定理以及樓梯間內(nèi)的溫度分布規(guī)律，建立了底部開口處誘導(dǎo)氣流流速的預(yù)測關(guān)系式。著火空間底部開口處的誘導(dǎo)氣流影響了火源功率，進(jìn)而對(duì)樓梯間內(nèi)的溫度分布產(chǎn)生影響，從而影響了煙囪效應(yīng)強(qiáng)度，煙囪效應(yīng)強(qiáng)度又直接影響到底部開口的誘導(dǎo)氣流流速的

4、變化。三者相互影響，并且形成動(dòng)態(tài)平衡。通過對(duì)火羽流的受力分析以及對(duì)以上三者相互影響規(guī)律的轉(zhuǎn)化，得到了表達(dá)形式簡單的火焰傾斜角度預(yù)測關(guān)系式，并用前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其適用性。
　　第二，高層建筑室內(nèi)火災(zāi)劇烈發(fā)展后，室內(nèi)空氣不足，未燃?xì)怏w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(fēng)的影響。外界風(fēng)從窗口吹入時(shí)，外界風(fēng)的水平慣性力與熱浮力的作用方向相反。通過小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了高層建筑室內(nèi)火災(zāi)劇烈發(fā)展階段反向風(fēng)對(duì)雙開口腔室燃

5、燒特性的影響。發(fā)現(xiàn)隨著外界風(fēng)速增大，存在一個(gè)臨界風(fēng)速，使腔室內(nèi)熱煙氣無法從窗口流出。分析了不同因素對(duì)臨界轉(zhuǎn)變風(fēng)速的影響，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前人的理論模型，并為前人理論推導(dǎo)的臨界轉(zhuǎn)變風(fēng)速預(yù)測關(guān)系式確定了合理的參數(shù)。此外，在雙開口腔室火災(zāi)中，門口處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)附加的補(bǔ)風(fēng)區(qū)域。隨著外界風(fēng)速增大，這一補(bǔ)風(fēng)區(qū)域逐漸減小。通過對(duì)門口附加補(bǔ)風(fēng)區(qū)域內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)過程的分析，提出了一個(gè)能夠反映進(jìn)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(fēng)、門口補(bǔ)風(fēng)、腔室熱反饋等因

6、素對(duì)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(yù)測關(guān)系式。
　　第三，高層建筑室內(nèi)火災(zāi)劇烈發(fā)展形成溢流火后，環(huán)境中的外界風(fēng)從門口吹入，或在腔室入口采取正壓送風(fēng)措施控制煙氣運(yùn)動(dòng)，外界風(fēng)的作用方向與熱浮力一致。通過小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了高層建筑室內(nèi)火災(zāi)劇烈發(fā)展階段正向風(fēng)對(duì)雙開口腔室火行為的影響。結(jié)果顯示，隨著外界風(fēng)速增大，腔室門口的氣流會(huì)從雙向運(yùn)動(dòng)向單向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變。當(dāng)腔室門口氣流單向運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨氣火流量增加或外界風(fēng)速減小，腔

7、室內(nèi)的火焰會(huì)出現(xiàn)只向上風(fēng)向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)、向上風(fēng)向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)與向下風(fēng)向偏斜并存的轉(zhuǎn)變;當(dāng)腔室門口氣流雙向運(yùn)動(dòng)時(shí)，腔室內(nèi)出現(xiàn)向下風(fēng)向偏斜的火焰?；鹧鎻拇翱诹鞒龊?，會(huì)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(yù)測火焰出現(xiàn)概率的預(yù)測關(guān)系式。而且隨著外界風(fēng)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?duì)窗口處火焰的受力分析，發(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(jìn)一步通過修正前人在無風(fēng)情況下提出的特征參數(shù)，進(jìn)而對(duì)窗口外側(cè)的火焰長度、最大溫度分布進(jìn)行量綱分析，并建立了相應(yīng)的預(yù)測關(guān)系式。最后通過對(duì)窗口外側(cè)火焰運(yùn)動(dòng)過程的受力分析，建立了不同形態(tài)火焰的運(yùn)動(dòng)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(fēng)口打開的數(shù)量對(duì)樓梯間防煙效果的影響。模擬結(jié)果顯示，對(duì)樓梯間進(jìn)行正壓送風(fēng)時(shí)，減少送風(fēng)口打開的數(shù)量，能夠用更小的送風(fēng)量阻擋相同火源功率的火災(zāi)煙氣進(jìn)入樓梯間。但是在加壓空氣無法

9、阻擋火災(zāi)熱煙氣進(jìn)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(qiáng)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(dāng)正壓送風(fēng)風(fēng)機(jī)位于樓梯間頂部，樓梯間內(nèi)各送風(fēng)口空氣質(zhì)量流量的非均勻分布，隨著送風(fēng)口位置降低，送風(fēng)口的風(fēng)量越大。通過對(duì)送風(fēng)管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)過程的分析，基于能量守恒和質(zhì)量守恒定理，建立了預(yù)測各送風(fēng)口的風(fēng)量的關(guān)系式。在加壓風(fēng)量進(jìn)入樓梯間后，基于整個(gè)樓梯間及相鄰著火空間內(nèi)的壓差分析，建立了送風(fēng)量與樓梯間著火樓層平