建筑火灾烟气控制浅谈

建筑火灾烟气控制浅谈

摘要：本文首先对建筑火灾烟气流动过程进行了分析,介绍了着火房间内外的压力分布情况,着火房间门窗开启时的气体流动情况以及烟囱效应,进而分析烟气的质量生成率、温度及分布情况、风和建筑通风系统对烟气流动的影响情况，最后对提出了烟气控制的几种方式，并分析比较。

关键词：建筑火灾，烟气流动，烟气控制

1建筑火灾烟气流动的分析

建筑物内烟气的流动在不同燃烧阶段表现是不同的。在火灾发生初期，烟气由于其温度高且密度小，便会伴随着火焰向上升腾，遇到顶棚后，则转为水平方向的层流流动。试验研究表明，这种层流状态可保持40-50m。烟气沿着顶棚流动时，如遇到梁或者挡烟垂壁就会反向流动，并逐渐在顶棚聚集，直到烟气的厚度超过挡烟物体时，就会绕过挡烟物体流到其他的空间。此阶段，烟气扩撒速度约为0.3m/s。轰然发生前，烟气扩散速度约为0.5-0.8m/s，此时烟气层厚度已充满走廊高度的一半。轰燃发生时，烟气的喷出速度可达每秒数十米。当然，烟气在垂直方向上的流动也是很迅速的。实验证明，烟气在垂直方向上的流动速度要比水平方向流动速度快很多，一般可达3-5m/s。烟气的流动通常遵循由压力高的地方向压力低的地方流动这个基本规律，倘若房间内为负压，那么烟气就会通过通风口进入室内。

1.1着火房间内外压力分布

着火房间内外压力分布如图1所示。阴影区域为着火房间内外的隔墙，阴影区域右侧为着火房间，左侧为室外，相应的气体温度分别为t n，t w，相应的密度分别为ρn，ρw，房间高度，即从地面到顶棚的垂直距离为H0。下面是以地面为基准面，来分析垂直方向上着火房间内外的压力分布情况。

图1 着火房间内外压力分布

令着火房间内外地面上的静压力分别为P1n，P1w，则距地面垂直距离为h处的室内外的静压力分别为

室内P=ΔP1−ρn gℎ

室外P=ΔP1−ρw gℎ

地面上室内外的压力差为ΔP1=P1n−P1w

距地面h处的室内外压差为ΔPℎ=ΔP1+ρw−ρn gℎ

顶棚上的室内外压差为ΔP2=ΔP1+ρw−ρn gH

研究结果证明，在垂直于地面的某一高度位置上，必然会出现室内外压力相等的情况，即室内外压力差为0，通过该位置的水平面就是该着火房间的中性面(层)，令中性面距地面的高度为h1，则有：ΔPℎ1=ΔP1+ρw−ρn gℎ1=0

当火灾发生时，室内的温度必然会高于室外的温度，即t n>t w，所以(ρn-ρw)>0。因此，就会得到:

1在中性层以下，即h

ΔP h =ΔP 1+ ρw −ρn gℎ<ΔP 1+ ρw −ρn gℎ1ΔP ℎ<0

2在中性面以上，即h>h 1 ΔP h =ΔP 1+ ρw −ρn gℎ>ΔP 1+ ρw −ρn gℎ1ΔP ℎ>0

由此可见，在中性面以下时，室外空气的压力始终比着火房间内气体的压力高，这样空气就会由室外流入室内；而在中性面以上时，室外空气的压力始终比着火房间内气体的压力低，这样烟气就会从室内流向室外。

1.2着火房间门窗开启时的气流流动

当着火房间通向其他非着火区域的门窗开启时，由于着火房间内外气体存在温差，再加上门窗自身高度的影响，就会形成显著的热压效应，中性层就会在门窗的某一高度上出现。

下面对着火房间开一个窗的情况进行分析。如图2所示，着火房间外墙有一窗孔开启，窗孔高度为Hc ，宽度为Bc 。，室内外气体温度分别为t n ，t w ，中性层N 到窗孔上、下沿的垂直距离分别为h 2，h 1。

在中性层以上距中性层垂直距离h 处，室内外压力差为:

ΔP ℎ= ρw −ρn gℎ

从h 处向上取微元高dh ，所构成的微元开口面积为dA=B C dh ，根据流体力学原理，可知

图2窗口中性层及压力分布

从该微元面积排出气体的质量流量为

d M 2=а 2ρn ΔP ℎdA =аBc 2ρn ρw −ρn gℎdℎ

则中性层至窗口上源开口面积所排出气体总质量流量为

M 2= dM 2=ℎ20 аBc 2ρn ρw −ρn gℎdℎℎ20=2/3аBc 2ρn ρw −ρn gℎ23

同理，也可以求出流入中性层至窗口下元之间开口面积气体的总流量

M 1=2/3аBc 2ρn ρw −ρn gℎ23 1.3烟囱效应

不论是否发生火灾，烟囱效应都会对建筑物内的空气流动产生影响，火灾发生时，会产生大量的热量，使室内气体温度升高，这样就会加剧烟囱效应的作用。当建筑物内部的气体温度比外界空气温度高时，由于浮力的作用的存在，在建筑物内的各种竖直通道中，如楼梯间、电梯间、管道井等，就会产生一股向上气流，这种现象就被称为正向烟囱效应。建筑物内外温差较大或建筑物较高时、正向烟囱效应就比较显著。另外，单层的建筑物中也会产生正向烟囱效应。

当建筑物内部的气体温度比外界空气温度低时，在建筑物的各种竖井通道中，就会产生一股向下气流，这种现象就是反向烟囱效应。一般夏季的反向烟囱效应比较显著。对于竖井靠外墙布置、密封性较好建筑，如果外界环境的气温比较低，就会出现靠外墙布置的竖井中

的温度比建筑物内部其他部位的温度低的情况，此时，竖井中也会出现下降的气流。正、反烟囱效应作用下高层建筑中各部分的气流情况如图3所示。

图3正、反烟囱效应作用下的气候状况

a正向烟囱效应b反向烟囱效应

2 影响烟气流动的基本要素

2.1烟气的质量生成率

着火后，火灾产生烟气在浮力作用下不断上升，撞击到顶棚后，形成顶棚射流，顶棚射流在水平方向蔓延，在遇到周围墙壁后倒折回来并逐渐聚集形成烟层，随着烟气的聚集，烟层就开始下降，烟层的下降速率取决于羽流中烟气的生成速率，也就是烟气的质量生成率。烟气卷吸羽流的空气量远大于燃烧产生烟气的量，由此可以看出，烟气主要是由卷吸进羽流的空气组成的，所以在计算烟气质量生成率的时候就可以忽略燃烧产生烟气的量。这样，烟气的质量生成率就近似等于羽流在上升至烟气层之前的空气质量卷吸速率。空气的质量卷吸速率是由烟羽流的形状决定的。羽流的形状包括轴对称羽流、墙羽流、角羽流、烟台溢羽流和窗羽流。下面介绍不同形状羽流的烟气质量生成率。

1轴对称羽流

如果火灾发生在房间的中心位置就会产生轴对称羽流，它可以沿整个羽流高度从各个方向卷吸周围的空气，直到羽流被烟层淹没为止。

轴对称羽流的烟气质量生成率可以表示为：

当Z>Z f M p=0.071Q c1/3Z5/3+0.0018Q c

当Z

由此可以看出烟气的质量生成率取决于火灾放热量的对流值Q c和燃料到烟层底部的高度Z。

2墙羽流

火灾发生在靠墙的位置就会产生墙羽流，它只在羽流周长一半的区域内卷吸空气。从外形上看，墙羽流只有轴对称羽流的一半，因此，墙羽流的烟气质量生成率可视为相应轴对称羽流的一半。

3角羽流

如果火灾发生在90度的墙角就会产生角羽流。它也与轴对称羽流相似，其烟气的质量生成率可视为相应轴对称羽流的1/4。

4阳台溢羽流

烟气在到达顶棚之前，在阳台或其他障碍物下面流动并绕过它们到达顶棚，这种烟气流动被称为阳台溢羽流，即看上去好像是烟气从阳台溢出一样。

其烟气质量生成率可表示为:

M p=0.41(QW2)1/3(Z b+0.3H)[1+0.063(Z b0.3H)/W]

5窗羽流

从墙的开口(比如门或窗向)敞开大空间流动的羽流被称为窗羽流。