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刘何清¹，  刘传聚²

1.湘潭工学院资源工程系、湖南 湘潭411201;

 2．同济大学热能工程系 上海 200092

摘   要：分析得出火灾产生烟气的速率较关闭门窗的渗漏空气量大得多；分析了影响火灾烟气扩散的各种压力作用机理，特别提出了燃烧过程好象一台不断运转的小型“风机电部”．燃烧过程产生的浮力和膨胀力为高温烟气沿顶棚扩散、沿外窗外逸提供动力，并指出大风压不能简单的用空气拄重量差计算；利用流体力学能量方程理论，分析了5种情况火灾房间的压力变化和火灾烟气泄出的情形；得出了火灾烟气可能出现的扩散形式．图4，表3．参8

 

关  键  词：火灾烟气；压力；压力差;扩散

 

中图分类号：丁U972——4 文献标识码：A

 

火灾的危害是不言而喻的，它可能造成重大的人员伤亡和巨大的财产损失；而在火灾伤亡中，由火灾烟气造成的伤亡又占相当的比例；英国的统计资料如图l所示^[1]，从图中可以看出火灾烟气伤亡占火灾总死亡人数的50％以上．因此，研究探讨高层建筑火灾烟气在建筑内部的扩散规律，对进行合理的建筑防火、防排烟设计，控制火灾的蔓延扩大，减少伤亡及财产损失具有重大指导意义，作者试图结合前人的试验结果和建筑火灾的烟气扩散现象，应用流体力学能量方程等理论分析探讨高层旅馆建筑火灾烟气的扩散规律，为高层建筑防灾、抗灾和以后研究工作订下理论基础．

 

图1烟或有毒气体造成死亡的百分率

高层旅馆建筑的典型结构：房间、中间走廊、前室、楼挥或电挥间．室外空气经外窗、房间门、前室门、楼梯或电梯门进入楼挥或电梯井．

燃烧过程产生的烟气质量速率用下式计算^[1]：

 

式中：U为火的周界，m，y为地板到顶棚下方烟层底部间的距离，m，T_O为周国空气的绝对温度，K.T为烟卷流中火的绝对温度，K.g为重力加速度m／s²．

从上式可以看出，火灾产生烟气的质量速率，取决于火的周界大小、地板到上方烟层底部的距离、烟卷流中心火的绝对温度．

当取17℃空气的密度Po＝1．22kg／m³，g＝9．81m／s²，则火灾产生的烟气体积速率可用下式计算：

 

对于一个大约3m×3m周界的火灾，在不同的地板到烟层底部距离，烟气的产生质量速率、体积速率见表l，在不同的建筑层高下，烟层降到距地板一定高度所需的大致时间，见表2、表3．

从表l、表2和表3可以看出，即使是一个非常小的火，产生的烟气体积也是相当大的，它可在很短的时间内充满整个火灾房间．

 

 

根据文献[2]中编写的计算建筑门窗空气渗透量的计算机程序计算表明：对于一栋31层、每层30个房间、高93m的高层建筑，在只有热压作用时，最底层每个房间的渗入和最顶层每房间的渗出空气量约0.13m³／s左右；当外窗开启，而房间门、前室门、楼梯或电梯门关闭时，增加的渗入、渗出空气量仅有0.01m³／s左右，远远小于一个非常小的火灾产生的烟气体积．这是因为：对于一个宽1．8m、高1．8m的外窗，其开启时风阻特性系数约0.11kg／m⁷；宽o．9m、高2m的房门，关闭时的风阻特性系数约36000 kg／m⁷，开启时的风阻特性系数约0.37kg／m⁷开启外窗的风阻仅为关闭房门风阻的1／10⁷左右，开启房门的风阻仅为关闭房门风阻的1／10⁶左右；即从外窗到楼梯或电梯竖井间的门窗处于关闭状态时的串联总风阻是相当大的，而室外空气与竖井间的压力差是很小的．

 

影响建筑内部空气流动的压力有：室外与建筑内部竖井间的热压、室外风压、火灾期间产生的火风压、机械通风设备产生的机械风压．本文主要讨论灾变时期，影响火灾烟气扩散的前3种压力．而对机械风压按最不利情况——灾变时期不运转考虑．

   由流体力学能量方程理论可知：流体总是从总能量(或总压力)大的断面，流向总能量(或总压力)小的断面；流体间各种压力是可以相互转化的．

热压是由于室外空气温度与建筑内部竖井空气温度不同，造成的室内外空气密度不同，在同一水平面产生的静压差；或者说是由于室内外空气温度不同形成的浮力作用，在同一水平面产生的静压差．热压是各层面室内外空气渗漏及空气沿建筑层面流动的主要动力之一．浮力是造成空气垂直上升流动的主要动力。

室外风压属流体宏观定向运动产生的动压。是有方向性的．室外风压是空气渗漏及空气沿建筑层面流动的又一主要动力，室外风压随高度变化而变化.

火风压是由于火焰上方高温烟气与周围空气之间的温度不同形成的浮力作用产生的；大风压是空间烟气对流流动的动力；其不影响门宙缝隙渗入或渗出的绝对空气量．浮力作用增加了空间压力的不均匀性，上部空气压力增大，下部空气压力减小，但浮力不能使整个空间压力增加，整个空间的压力增加是由于空气温度上升引起的．高温烟气沿顶棚水平扩散运动主要由于浮力作用使高温烟气以一定的速度上升，遇顶棚产生冲击、转变为水平运动；高温烟气沿门窗开口或缝隙的上部外逸的现象和外部空气沿门窗开口或缝隙的下部深入火灾房间的现象，则是由于高温烟气体积膨胀力和浮力的共同作用．火灾烟气的上升流动的动力是浮力，在没有室外风力或机械风压干扰的情况下，会一直上升到顶棚，然后向四周扩散，且上升过程中会不断卷吸周围空气，决不会中途外选扩散(除非烟温很低，上升中途停止)，例如：火灾烟气在建筑物中厅中的上升运动，见图2^[4]；这足以说明浮力产生的流速的作用．而且由于燃料的不断燃烧，不断产生高温烟气，燃烧过程就好象一台不断运转的小型“风机”，源源不断地为高温烟气上升和沿顶棚的水平扩散提供动力．

建筑中产生的火风压不能简单的用空气柱重量差计算，应通过实验(在不同的温度、不同的层高下)实测获得．Hobson和Stewart研究的确定火风压的压力曲线见图3．

  

作用在建筑物内部空气的力，与热压中和面位置有关，与季节有关，还与建筑物的朝向有关。但无论如何各层面上的空气流动都符合流体力学能量方程．因此，本文以冬季火灾发生在热压中和面以下的迎风面楼层为例，应用流体力学能量方程对火灾烟气的流动进行分析．

由于火灾引起的空气温度变化而产生的火风压．其只能引起空间内部空气或烟气作对流流动，属内部作用力，只能引起局部部位空气流动方向及流量的改变，而对空气在建筑内部总体流动方向及绝对流量的大小不产生影响；但是，一旦高温火灾烟气进入建筑竖井通道，将引起建筑热风压大小的变化，此时空气在建筑内部总体流动方向及绝对流量的大小均有可能发生变化．因此，在忽略烟气流动的沿程阻力损失，只考虑门窗渗漏局部阻力损失的情况下，可将火灾烟气流动用下式形式的能量方程表示^[5]：

式中：Pw为室外空气静压；H_f为室外空气风压;P_F1为起火前房间空气压力; P_Z1为不同门窗状态下走廊空气压力；P_Q1为不同门宙状态下前室空气压力；P_N为电梯或楼梯竖井内空气压力；P为火灾房间门宙关闭情况下，由于温度升高产生的膨胀压力;h_PC、h_FM、h_QM、h_TM分别为房间外窗、房间门、前室门、电梯或楼梯门的空气渗漏阻力．

如图4中[一]部分，火灾发生前，在热压和室外风压的共同作用下，克服外窗、房门、前室门、电梯或楼梯门的阻力损失，渗入空气经房间、走廊、前室，进入电梯或楼梯竖井．由于关闭的门窗阻力特性系数很大，因此通过门窗缝隙渗漏的空气量是很小的．

当建筑物内某房间发生火灾，且为初发阶段，由于燃烧产生的热能，使得房间平均温度升高，根据分子热运动理论，在关闭门窗的房间平均空气压力上升；同时，由于浮力的作用使得高温烟气向房间上部转移、积聚，从而造成房间压力的不均匀：上部压力增大，下部压力减小，整个房间处在非平衡状态．使房间形成空气对流和热对流现象．在此阶段内，上述能量方程式(1)对于房间外窗、房门的上部与下部可分别改写为：

 

 

 

 

  

式中：H为火灾产生的火风压．

在此阶段内，若能有效的控制室外空气的补给，火灾可能因缺氧自行熄灭．此阶段是防灭火的最佳时机．

如图4中[二]部分，当初期火灾没能得到有效控制，则随着火灾的继续发展，进入成长阶段，房间空气温度大幅度上升(房间上部温度可能达到700℃以上，房间空气由于温度的上升产生的压力也会大大增加，房间静压甚至超过室外空气静压与室外风压之和(P_tu十H_f)，此时房间氧气供给不足，火灾进入闷烧状态，房间蓄积大量易燃气体，在房间静压的作用下，沿房间所有门窗缝隙向走廊、室外逸出．

 

如图4中[三]部分，当由于房间人员的逃生或其他原因，将房间门打开，房间门的阻力特性系数骤降，火灾烟气会短时间突然向走廊喷出、卸压，形成爆燃现象，同时引起房间易燃气体全面燃烧，进入猛烈燃烧阶段，在此阶段内，由于空间的扩大，整个空间压力在浮力作用下处于不平衡状态，顶棚附近压力增高为房间平均静压与火风压之和(P_F1十H)，而底部压力减小为房间平均静压与火风压之差(P_F1—H)，随后房间顶部烟气在浮力产生的压力(或者说火风压)作用下沿走廊顶棚向前移动，而走廊下部空气则反向流入火灾房间．补充燃烧所需的空气，例如，文献[7—8]中记载：“多次实验证明，从火室流向走廊的烟气，在顶棚之下呈层流状态流动，与此同时，烟层下部的空气则流向火灾室．”此种情况火灾烟气主要在建筑物内部扩散;若其它房间门敞开，火灾烟气则可能窜人，造成火灾蔓延．

外窗敞开，房门、前室门及楼梯门处于关闭状态如图4中[四]部分，当由于某种原因，外窗被打开或玻璃破碎，形成敞开状态时，外窗的阻力特性系数骤降，蓄积在火灾房间的烟气，也会短时间从外窗向外喷出、卸压，产生爆燃现象，引起房间易燃气体全面燃烧，进入猛烈燃烧阶段．房间平均静压力变为室外空气静压与风压之和，顶部压力由于浮力作用上升为(P_W十H_f十H)，底部压力下降为(P_W十H_f—H)．随后火灾烟气将沿外窗顶部向外喷出，室外空气沿外窗下部涌入火灾房间，补充燃烧所需的空气．同时，房门上侧缝隙在压差(P_W十H_f十H一P_C2)的作用下向走廊渗出烟气，而下部缝隙在压差(P_C2一[P_W十H_f—H])的作用下由走廊向房间渗入空气．此种情况火灾烟气将主要从外窗的上部涌出．

   如图4中[五]部分，当火灾房间门和外窗同时处于敞开状态时，由于房门的泄压和室外风压、静压的作用，火灾烟气将在短时间内主要向走廊涌入，在风力的揉动作用下．烟气可能充满整个走廊，失去烟气分层现象；烟气窜人其它房间，造成火灾蔓延．

3.2.4 从室外到建筑物竖井间的门窗均处于敞开状态

   当从室外到建筑物竖井间的门窗全部敞开，火灾房间产生的高温烟气在室外风压、建筑物热风压的共同作用下将迅速涌入建筑物竖井，然后沿竖井迅速上升，并带动竖井内的空气快速流动，竖井内空气静压的一部分转化为动压，造成同水平的静压较火灾烟气涌入前降低，改变了火灾层以上楼层室外与竖井间的热压差，甚至改变压差作用方向．当涌入竖井的火灾烟气温度较高、浮力较大，且竖井通道畅通时．高速上升的火灾烟气可能直冲顶层；若顶层有开口，则烟气将从开口喷出，形成“烟囱”现象;若顶层封闭，烟气将积聚、增厚、下移，烟层内部压力增加，加大顶部楼层竖井与室外空气之间的压力差．此时顶部楼层火灾蔓延的危险性较大．

若涌人竖井的烟气温度较低，则在上升的过程中，可能转向进人中和面以上的中间楼层．

 

①火灾初期．烟气主要在建筑内部蓄积和扩散：当房间外窗敞开时，外窗将是烟气的主

要泄出口；

②当外窗、房门、前室门、楼梯门或电梯门全部敞开时，火灾烟气将快速沿走廊进入竖

井，窜人顶部楼层，若顶部有开口，将形成“烟囱”现象；若顶部楼层无开口．除少量通过顶部楼层外窗渗出外，将在竖井顶部形成烟层，反向向下部楼层移动；

③若火灾产生的烟气量较小，进入竖井内烟气温度又较低，则有可能中途进入火灾上部

中间楼层．

①火灾烟气将主要从外窗涌出，特别是火灾发生在顶部楼层时；

②当火灾发生在热压中和面附近楼层时，烟气的扩散动力主要是火风压，则可能出现外

窗、竖井同时扩散的流形．

 

[1]  巴舍E G，帕尼尔A C防火设计中的烟控[M],王磊译．北京：中国建筑工业出版社，1990

[2]  刘何清，徐志胜．高层建筑热压中和面位置的确定[J]．中国安全科学学报。2001，ll(4)：14—16．

[3]  张相庭．工程抗风设计计算手册[Z]．北京：中国建筑工业出版社， 1998．

[4]  邓键民译．消防技术精髓[M]．台北；徐氏基金会出版社，1988．

[5]  周谟仁，流体力学泵与风机[M]北京：中国建筑工业出版仕， 1994．

[6]  钱以明．高层建筑空调与节能[M]．上海；同济大学出版社。1990．

[7]  章幸恩．高层建筑防火[M]．北京；中国建筑工业出版社，1985，

[8]  赵贤兵，李芳芹，刘河清，等．高层建筑中火灾的检测与目控研究[J],湘潭矿业学院学报，2001，16(1)：57—59．