泄漏条件下室内火灾烟气的自然充填过程

泄漏条件下室内火灾烟气的自然充填过程

易亮;李勇

【摘要】采用全尺寸实验的方法研究有泄漏条件下室内火灾烟气的自然充填过程.测量了室内外压差和温度分布.在对泄漏分布做一定假设的前提下,估算实验场所的

泄漏面积及泄漏流量.对于实验中庭,其侧墙泄漏平均宽度约为0.038 m,顶棚泄漏面积约为0.65 m2由于泄漏面积较小,烟气充填过程中的泄漏流量远小于烟气羽流质量流量.泄漏的存在对烟气浓度、温度和沉降过程影响不大,但将在室内形成上正下

负的内外压差分布及中性面.

【期刊名称】《燃烧科学与技术》

【年(卷),期】2009(015)002

【总页数】5页(P124-128)

【关键词】室内火灾;泄漏;自然充填;压差;温度分布

【作者】易亮;李勇

【作者单位】中南大学防灾科学与安全技术研究所,长沙,410075;中南大学防灾科

学与安全技术研究所,长沙,410075

【正文语种】中文

【中图分类】TU83

普通建筑不可避免地存在泄漏，如墙、顶棚等围护结构上的小缝隙、孔洞、门、窗、排烟口、风阀等关合不严形成的泄漏缝隙等.通过这些非密闭的泄漏口，气流及水

气即可侵入围护结构，从而对建筑的能耗、耐久性及舒适性产生影响[1].

建筑内发生火灾后，壁面泄漏将对烟气流动与控制造成影响[2-3].对于理想的没有泄漏的房间，室内压力将随火灾的发展不断增加；对于仅在地面附近存在泄漏的起火房间，室内压力不会随时间无限增加，但总是高于室外压力，室内气体将通过泄漏口流出，流量与火源功率成正比，采用双区模拟，根据质量和能量守恒可以推导出室内烟气层厚度和温度随时间的变化；若起火空间的泄漏分布于整个侧墙高度和顶棚，则随着火灾的发展，室内外压差将形成上正下负的分布，室内气体通过上部泄漏口流出，室外气体通过下部泄漏口流入，在起火空间形成内外压差为0的压力中性面[4-6].这些流入和流出的气体流量将影响室内烟气的质量变化，可能对烟气充填过程造成影响.

通过对测试空间加压和测量泄漏流量可以对空间或空间的某部分区域，如门窗等的气密性进行测量[7]，但是难以对测试空间的泄漏分布进行估计.笔者将在存在泄漏的空间开展全尺寸火灾实验，通过测量烟气自然充填过程的温度和内外压差分布，对泄漏面积、分布和流量进行计算分析，讨论泄漏对烟气充填过程的影响.

1 实验

1.1 实验安排

实验在一大空间中庭中进行，该中庭长22.4 m、宽12 m、高27 m[8-9]，如图1所示.中庭顶部有4个自然排烟口和4个机械排烟口，四周墙上有6层窗户，西墙和南墙各有一扇门.火源位于中庭地面中央，火源设置参照澳大利亚热烟测试标准[10].中庭悬挂有3束热电偶串以测量空间温度分布，其中每根热电偶串上有27根K型热电偶，相邻两个热电偶之间相距1 m，顶端的热电偶与顶棚相齐，所有热电偶冷端集中接至中庭地面附近的AD转换模块(AD转换模块放置于一封闭的箱体中，热电偶冷端温度在实验过程中将不会受到外部烟气传热的影响而升高)实行温度采集.中庭北墙中部27 m、22.5 m、18 m和4.5 m高处分别设置了4个压差

传感器以测量中庭与室外的气压差.

图1 实验中庭

共开展了两组自然充填实验，实验中中庭所有门、窗、排烟口均处于关闭状态，火源位于中庭地面中央,环境温度为27.5 ℃.实验1和实验2火源功率分别为3.0

MW和1.5 MW.

1.2 中庭温度和压力分布

每次实验燃烧约持续700 s.实验发现相同高度处3束热电偶所测量温度值相差很

小(如图2所示)，因此可以认为除羽流区外，烟气在水平截面上的温度分布是均匀的.图3为两次实验中庭的温度分布.从温度曲线图上可看出，对于实验1，起火后

约200 s时，1 m处热电偶的温度开始上升，说明此时烟气已经沉降至1 m高度；对于实验2，此时间约为300 s.

图2 相同高度不同位置热电偶的温度值

(a) 实验1

(b) 实验2图3 中庭温度随高度的分布

为获得不同位置(1 m，2 m,…,27 m)处中庭的内外压差，取实验测得的27 m、22.5 m、18 m和4.5 m处内外压力值作为参考点，其他位置的内外压差可通过

中庭气体密度分布和参考点压差计算得到：

Δph=26=Δph=27+0.5gρi,h=27+0.5gρi,h=26-gρa

(1)

Δph=25=Δph=27+0.5gρi,h=27+gρi,h=26+0.5gρi,h=25-2gρa

(2)

Δph=24=Δph=27+0.5gρi,h=27+gρi,h=26+gρi,h=25+0.5gρi,h=24-3gρa (3)

Δph=23=Δph=27+0.5gρi,h=27+gρi,h=26+gρi,h=25+gρi,h=24+0.5gρi,h=

23-4gρa

(4)

Δph=22=Δph=22.5+0.5gρi,h=22-0.5gρa

(5)

Δph=21=Δph=22.5+gρi,h=22+0.5gρi,h=21-1.5gρa

(6)

式中:ρa为室外环境空气密度;ρi为中庭室内不同高度处的气体密度.中庭气体的密度可以通过气体状态方程获得.在烟气充填过程中，整个空间压力的变化相对于绝对压力0.1 MPa而言微乎其微，视中庭中气体为理想气体，其状态方程可简写为ρT=353

(7)

因此，通过4个参考点内外压差值以及空间温度分布可获得中庭不同高度处的内外压差分布，如图4所示.由中庭内外压差分布可获得中性面随时间的变化，如图5所示.

(a) 实验1

(b) 实验2图4 中庭内外压差随高度的分布

图5 中庭中性面位置随时间的变化

2 中庭泄漏面积与流量估算

2.1 中庭泄漏面积估算

若中庭不存在泄漏，中庭内的压力将总是高于室外.而实际实验过程中，尽管关闭了所有的门窗以及排烟口，门窗框、开口缝隙等处的泄漏总是不可避免的.从实验获得的内外压差分布曲线中也可看出，中庭下部出现了负压，这也说明了泄漏的存在.

根据中庭的通风口分布，假设泄漏存在于中庭顶棚和侧墙，则总泄漏流率m·l可表