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，?P?Ks(

（式5-4-10）

上式中，?P为压差（Pa）；

Ks

为修正系数，取3460（Pa?K/m）；

T0

为外界空气温度（K）；

Ti

为竖

    井内空气温度（K）；h为距中性面的距离（m）。此处的中性面指内外静压相等的建筑横截面，高于中性面为正，低于中性面为负。图5-4-1给出了烟囱效应所产生的竖井内外压差沿竖井高度的分布，其中正压差表示竖井的气高于外界气压，负压差则相反。

中性

面

图5-4-1 烟囱效应所产生的竖井内外压差示意图

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

441

物内部空气流动示意图。

图5-4-2 正、逆向烟囱效应引起的建筑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：

（5-4-11） 式中：?P为压差（Pa）；

Ti?T0 Ti?T0

Ks为修正系数，取3460（Pa?K/m）T；0、TF分别为周围环境及着火房间的温度（K）；h为中性面以上距离（m）。

    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。 442

浮力压差(Pa)

着火房间温度（K）

图5-4-3 浮力作用产生的压差

    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：

?QT?TinQin

（式5-4-12）

    式中：Qout、Qin分别为着火房间流出烟气的体积流量和流入着火房间空气的体积流量（m3/s），Tout、Tin分别为相应的烟气和空气的平均温度（K）。

    若建筑内部空气温度为20℃，当空气温度达到600℃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。风作用于某一表面上的压力可表示为：

Pw ）

Cw3），V为风速（m/s）。若采用空气温度T0（K）来表示，式5-3-13可改写为：

0.048CwV2Pw?

T0

（式5-4-14）

    在上式(5-4-13)、(5-4-14)中，无量纲压力系数Cw的取值范围为-0.8～0.8，对于迎风墙面其值为正，而对背风墙面则为负，Cw的取值大小与建筑的几何形状有关并随墙表面上的位置不同而变化。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。 表5-4-2 矩形建筑物各墙面上的平均压力系数

443

注：为屋顶高度，为建筑物的长边，为建筑物的短边。

    按以上两式计算，风速为7m/s、压力系数Cw为0.8时产生的风压约为52Pa。在门窗关闭、密封性较好的建筑中，风压对空气流动的影响很小，但对密闭性较差或门窗均敞开的建筑，风压对其中空气流动的影响则很大。

    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： V?V0?(Z)n

    （式5-4-15） 式中：V为实际风速（m/s），V0为参考高度的风速（m/s），Z为测量风速V时的所在高度（m），Z0为参考高度（m），n为无量纲风速指数。

    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444

平坦地

    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为理想化的轴对称火羽流模型，0表示虚点火源高度。

图5-4-5 火羽流示意图

    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。

图5-4-6 浮力羽流与顶棚的相互作用

    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；研究表明，许多情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的5；烟气顶棚射流中的最大温度和速度是估算火灾探测器和；在撞击顶棚点附近烟气羽流转向的区域，最大平均温度；?2/3QczH?zV????5/3r?0.18；烟气流转向后水平流动区域内的最大温度和速度可按式；??QC?1.08??z?zV?H1/3；?T?6.；2/3
    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： ?Tmax?21.4

2/3QczH?zV????5/3r?0.18z?zV H （式5-4-16） r＝0.15zH?zV （式5-4-17） Vmax

烟气流转向后水平流动区域内的最大温度和速度可按式5-4-18、5-4-19计算：

（式5-4-19）

上式中，zz?Tmax为最大平均温度（℃），Vmax为最大平均速度（m/s），H为火源到顶棚的高度，v

?为火源基部以上虚点源的高度，r为以羽流撞击点为中心的径向距离（m），Qc为火源对流热释放速

率（kW），对流热占总热释放速率的比值为0.7。

火羽流转向区外顶棚以下，平均温升ΔT随垂直距离y的变化的无量纲相关性，可按式5-4-20、5-4-19计算。

（式5-4-20） 0.755

基于公式5-4-20中给出的温度曲线，顶棚射流的最高温升应发生在公式（5-4-20）中顶棚以下垂直距离y上：

y?0.20lT （式5-4-21）

火羽流转向区外顶棚以下，顶棚射流平均速度V随垂直距离y的变化的无量纲相关性，可按式5-4-20、5-4-19计算。

距离y上： （式5-4-22） 基于公式5-4-22中给出的速度曲线，顶棚射流的最大速度应发生在公式（5-4-22）中顶棚以下垂直

y?0.092lV （式5-4-23）

    以上公式组不适用于以下几种情况。

1.火源是瞬时的而且（或者）受到灭火剂的影响；长宽比大于等于2的矩形火源；空气入口受限或者平均火焰高度小于等于火源高度的三维火源；由喷焰组成的火源（如管道或加压燃料储液罐小孔泄漏造成的）；火焰在火源以上分散到一定程度，具有多重火羽流的火源。

2.在无阻平面空间内，火焰平均高度L高于顶棚高度zH的50%，而且（或者）火源直径D大于火源最小宽度的10％。

3.受空气动力紊乱度的影响产生的顶棚射流。空气动力紊乱度是由气流场中的障碍物而产生，或者受自然通风及机械通风的影响而产生。

4.含有梁、烟幕或其他分界面，能够引起非轴对称流或者导致热气层向下朝着火源流动的顶棚，和（或）易燃的和（或）不水平的顶棚。

5.2

    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。根据木材及聚氨酯等实验数据可得到平均热释放率的计算公式：
（式5-4-21）

式中：Aw为开口的面积（㎡），Hw为开口的平均高度（m）。

大空间窗口羽流的质量流率按下式计算：

M?11

2)3(Z0.68(AwHww

1

（式5-4-24）

式中，Zw为距离窗口顶端之上的高度（m），?为烟流高度修正系数。

    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