烟气流动与控制.docx

第一章 烟气流动与控制        统计表明：火灾中 85％ 以上的死亡者是由于烟气的作用，有毒和高温烟气的吸入是造成火灾中人员伤亡的主要原因因此为了及时排除有害烟气，阻止烟气向防烟分区外扩散，确保建筑物内人员的安全疏散，安全避难和为消防队员创造有利扑救条件，需要在建筑中设置防烟和排烟设施        总体上建筑的防烟和排烟的设计理论就是烟气控制理论对于一幢建筑物，当内部某个房间或部位发生火灾时，应循序采取必要的防排烟措施，对火灾区域实行排烟，使火灾产生的烟气和热量能迅速排除；对非火灾区域的疏散通道等应采用机械加压送风等防烟措施，使该区域的气压高于火灾和烟气侵入区域的气压，阻止烟气的侵入        对于大规模建筑其内部结构相当复杂，建筑物的烟气控制往往组合应用几种方法防排烟形式的合理性，不仅关系到烟气控制的效果，而且具有很大的经济意义        一、烟气流动的驱动作用        为了减少烟气的危害，应当了解建筑烟气流动的各种驱动作用，以便对火势发展做出正确的判断，在建筑设计中做好烟气控制系统的设计        （一）烟囱效应       当外界温度较低时，在诸如楼梯井、电梯井、垃圾井、机械管道、邮件滑运槽等建筑物中的竖井内，与外界空气相比，由于温度较高而使内部空气的密度比外界小，便产生了使气体向上运动的浮力，导致气体自然向上运动，这一现象就是烟囱效应。

当外界温度较高时，则在建筑物中的竖井内存在向下的空气流动，这也是烟囱效应，可称之为逆向烟囱效应在标准大气压下，由正、逆向烟囱效应所产生的压差为此          此处的中性面是指内外静压相等的建筑横截面，高于中性面为负图 5-4-1 给出了烟囱效应所产生的竖井内外压差沿井高度的分布，其中正压差表示竖井的气压高于外界气压，负差则相反          烟囱效应通常是发生在建筑内部和外界环境之间图 5-4-2 分别给出了正、逆向烟囱效应引起的建筑物内部空气流动示意图            在考虑烟囱效应时，如果建筑与外界之间空气交换的通道沿高度分布较为均匀，则中性面位于建筑物高度的一半附近；否则，中性面的位置将有较大偏离            烟囱效应是建筑火灾中竖向烟气流动的主要因素，烟气蔓延在一定程度上依赖于烟囱效应，在正向烟囱效应的影响下，空气流动能够促使烟气从火区上升很大高度如果火灾发生在中性面以下区域，则烟气与建筑内部空气一道窜入竖井并迅速上升，由于烟气温度较高，其浮力大大强化了上升流动，一旦超过中性面，烟气将窜出竖井进入楼道若相对于这一过程，楼层间的烟气蔓延可以忽略，则除起火楼层外，在中性面以下的所有楼层中相对无烟，直到着火区的发烟量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。

        如果火灾发生在中性面以上的楼层，则烟气将由建筑内的空气气流携带从建筑外表的开口流出若楼层之间的烟气蔓延可以忽略，则除着火楼层以外的其它楼层均保持相对无烟，直到火区的烟生成量超过烟囱效应流动所能排放的烟量若楼层之间的烟气蔓延非常严重，则烟气会从着火楼层向上蔓延        逆向烟囱效应对冷却后的烟气蔓延的影响与正向烟囱效应相反，但在烟气未完全冷却时，其浮力还会很大，以至于甚至在理想烟囱效应的条件下烟气仍向上运动        （二）浮力作用        着火区产生的高温烟气由于其密度降低而具有浮力，着火房间与环境之间的压差可用与公式（5-4-11）类似的形式来表示：        Fung 进行了一系列的全尺寸室内火灾实验测定压力的变化，试验结果指出对于高度约 3.5m 的着火房间，其顶部壁面内外的最大压差为16Pa对于高度较大的着火房间，由于中性面以上的高度h较大，可能产生很大的压差如果着火房间温度为 700℃，则中性面以上 10.7m 高度上的压差约为 88Pa，这对应于强度很高的火，所形成的压力已超出了目前的烟气控制水平图 5-4-3 给出了由烟气浮力所引起的压差曲线。

        若着火房间顶棚上有开口，则浮力作用产生的压力会使烟气经此开口向上面的楼层蔓延同时浮力作用产生的压力还会使烟气从墙壁上的任何开口及缝隙、或是门缝中泄露当烟气离开火区后，由于热损失及与冷空气掺混，其温度会有所降低，因而，浮力的作用及其影响会随着与火区之间距离的增大而逐渐减小        （三）气体热膨胀作用        燃料燃烧释放的热量会使气体明显膨胀并引起气体运动若考虑着火房间只有一个墙壁开口与建筑物其它部分相连，则在火灾过程中，建筑内部的空气会从开口下半部流入该着火房间，而热烟气也会经开口的上半部从着火房间流出因燃料热解、燃烧过程所增加的质量与流入的空气相比很小，可将其忽略，则着火房间流入与流出的体积流量之比可简单地表示为温度之比，即        若建筑内部空气温度为 20℃，当空气温度达到 600℃ （873K） 时，其体积约膨胀到原来的三倍对有多个门或窗敞开的着火房间，由于流动面积较大，因气体膨胀在开口处引起的压差较小而可以忽略，但对于密闭性较好或开口很小的着火房间，如燃烧能够持续较长时间，则因气体膨胀作用产生的压差将非常重要        （四）外部风向作用        在许多情况下，外部风可在建筑的周围产生压力分布，这种压力分布可能对建筑物内的烟气运动及其蔓延产生明显影响。

一般，风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，这可增加建筑物内的烟气向下风方向流动        表 5-4-2 给出了附近无障碍物时，矩形建筑物墙面上压力系数的平均值        一般而言，在距地表面最近的大气边界层内，风速随高度增加而增大，而在垂直离开地面一定高度的空中，风速基本上不再随高度增加，可以看作等速风在大气边界层内，地势或障碍物（如建筑物、树木等）都会影响边界层的均匀性，通常风速和高度的关系可用指数关系来进行描述：        图 5-4-4 表示了不同地形条件下的风速分布，从中可看出，在不同地区的大气边界层厚度差别较大，应使用不同的风速指数在平坦地带（如空旷的野外），风速指数可取 0.16 左右；在不平坦的地带（如周围有树木的村镇），风速指数可取 0.28 左右；在很不平坦的地带（如市区），风速指数可取 0.40 左右图5-4-4 不同地形条件下的风速分布         在建筑发生火灾时，经常出现着火房间窗玻璃破碎的情况如果破碎的窗户处于建筑的背风侧，则外部风作用产生的负压会将烟气从着火房间中抽出，这可以大大缓解烟气在建筑内部的蔓延；而如果破碎的窗户处于建筑的迎风侧，则外部风将驱动烟气在着火楼层内迅速蔓延，甚至蔓延至其他楼层，这种情况下外部风作用产生的压力可能会很大，而且可以轻易地驱动整个建筑内的气体流动。

        （五）供暖、通风和空调系统        许多现代建筑都安装有供暖、通风和空调系统（HVAC），火灾过程中，HAVC 能够迅速传送烟气在火灾的开始阶段，处于工作状态的HVAC系统有助于火灾探测，当火情发生在建筑中的无人区内，HVAC 系统能够将烟气迅速传送到有人的地方，使人们能够很快发现火情，及时报警和采取补救措施然而，随着火势的增长，HVAC 系统也会将烟气传送到它能到达的任何地方，加速了烟气的蔓延，同时，它还可将大量新鲜空气输入火区，促进火势发展        为了降低 HVAC 在火灾过程中的不利作用，延缓火灾的蔓延，应当在 HVAC 系统中采取保护措施例如在空气控制系统的管道中安装一些可由某种烟气探测器控制的阀门，一旦某个区域发生火灾，它们便迅速关闭，切断着火区域其他部分的联系；或者根据对火灾的探测信号，设计可迅速关闭 HVAC 系统的装置，不过即使及时关闭了 HVAC 系统可避免其向火区输入大量新鲜空气，然而却无法避免烟气的烟囱效应、浮力或外部风力的作用下通过其通风管道和建筑中其他开口四处蔓延        二、烟气流动分析        （一）火羽流的形成        在火灾中，火源上方的火焰及燃烧生成的烟气通常称为火羽流。

实际上，所有的火灾都要经历这样一个重要的初始阶段：即在火焰上方由浮力驱动的热气流持续地上升进入新鲜空气占据的环境空间，这一阶段从着火（包括连续的阴燃）然后经历明火燃烧过程直至轰燃前结束图 5-4-5 给出了包括中心线上温度和流速分布在内的火羽流示意图，可燃挥发成份与环境空气混合形成扩散火焰，平均火焰高度为 L，火焰两边向上伸展的虚线表示羽流边界，即由燃烧产物和卷吸空气构成的整个浮力羽流的边界图 5-4-5b所示为理想化的轴对称火羽流模型，Za 表示虚点火源高度         图 5-4-5 中定性地给出了实验观测得到的火羽流中心线上温度和纵向流速分布，其中温度以相对于环境的温差表示从图 5-4-5 中可以看到，火焰的下部为持续火焰区，因而温度较高且几乎维持不变；而火焰的上部为间歇火焰区，从此温度开始降低这是由于燃烧反应逐渐减弱并消逝，同时环境冷空气被大量卷入的缘故火焰区的上方为燃烧产物（烟气）的羽流区，其流动完全由浮力效应控制，一般称其为浮力羽流，或称烟气羽流火羽流中心线上的速度在平均火焰高度以下逐渐趋于最大值，然后随高度的增加而下降        （二）顶棚射流        顶棚射流是一种半无限的重力分层流，当烟气在水平顶棚下积累到一定厚度时，它便发生水平流动，图 5-4-6 表示了这种射流的发展过程。

        羽流在顶棚上的撞击区大体为圆形，刚离开撞击区边缘的烟气层不太厚，顶棚射流由此向四周扩散顶棚的存在将表现出固壁边界对流动的粘性影响，因此在十分贴近顶棚的薄层内，烟气的流速较低随着垂直向下离开顶棚距离的增加，其速度不断增大，而超过一定距离后，速度便逐步降低为零这种速度分布使得射流前锋的烟气转向下流，然而热烟气仍具有一定的浮力，还会很快上浮于是顶棚射流中便形成一连串的漩涡，它们可将烟气层下方的空气卷吸进来，因此顶棚射流的厚度逐渐增加而速度逐渐降低        研究表明，许多情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的 5%～12%，而在顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的 1% 处这对于火灾探测器和洒水淋头等的设置有特殊意义，如果它们被设置在上述区域以外，则其实际感受到的烟气温度和速度将会低于预期值        烟气顶棚射流中的最大温度和速度是估算火灾探测器和洒水淋头响应的重要基础对于稳态火，为了确定不同位置上顶棚射流的最大温度和速度，通过大量的实验数据拟合可得到不同区域内的关系式，应该指出的是，这些实验是在不同可燃物 （木垛、塑料、纸板箱等）、不同大小火源 （668kW～98MW） 和不同高度顶棚（4.6m～15.5m）情况下进行的，得到的关系式仅适用于刚着火后的一段时期，这一时期内热烟气层尚未形成，顶棚射流可以被认为是非受限的。

        在撞击顶棚点附近烟气羽流转向的区域，最大平均温度和速度与以撞击点为中心的径向距离无关，Alpert推导出此时最大温度和速度可按公式 5-4-16、5-4-17 计算：         （三）大空间窗口羽流        从墙壁上的开口 （如门、窗等） 流出而进入其他开放空间中的烟流通常被称为“窗口羽流”一般情况下，在房间起火之后，火灾全面发展的性状 （即可燃物的燃烧速度、热释放速率等） 是墙壁上的门窗等通风开口的空气流速控制的，即热释放速率与通风口的特性有关        在确定火源高度时，可以假定火源处于开放空间中，并具有与窗口射流火焰顶端处的窗口射流相同卷吸量的火源高度而且，假定位于火焰顶端处的空气卷吸与开放空间中的火灾相同。