楼梯对竖井内火灾烟气运动影响的研究

吴建波，朱 杰

(西南交通大学环境科学与工程学院，四川成都610031)

建筑中存在一些楼梯井，电梯井及各种垂直分布的通道，在火灾的情况下，如果烟气进入此类竖井，初期由于热烟浮力的作用，当竖井内温度上升，竖井内外形成温差，就会形成烟囱效应，气体的上升运动十分显著，致使烟气迅速向上蔓延，进而危及上部楼层。对于烟囱效应对烟气在竖井中的运动的影响，目前做了很多研究，一般认为烟气在烟囱效应和热烟浮力的作用下会运动到最高层，所以当发生火灾时，除着火层外最高层会先达到危险。但是通过对某住宅楼火灾风险评估为例研究，发现结果并非完全如此［1－7］。

该住宅楼为11+1层二类单元式住宅楼，为敞开式的楼梯间，当2层着火时，在各楼层前室门的1.8 m高度处设置探测点，各层可用安全疏散时间如表1，Fn代表第n楼层，研究表明，当2层发生火灾后，2层最先达到危险，接着3层达到危险，依次是上一层先达到危险。因此，笔者认为楼梯对火灾烟气在楼梯这种特殊的竖井内运动的阻碍作用大。

表1 各层可用安全疏散时间

1 模拟验证

1.1 软件介绍

FDS主要用于预测在设计火灾下所导致的火灾环境。该模型是一个基于有限元的计算流体动力学模型，是用数学方法，通过求解代表物理定律的数学方程，来预测流体流动、热传输、质量传输、化学反应和相关现象的学科。FDS是一个由公认的政府权威机构开发的模型，有相当多关于该模型的文献资料，而且该模型经过了大型及全尺寸实验的验证［8］。

1.2 数学模型的建立

FDS软件进行模拟验证，采用简化的模型，建一个8层的建筑，每层只设置楼梯间，前室和房间，层高为3 m，总体尺寸为12 m×2.4 m×24 m，模拟网格尺寸为0.3 m×0.3 m×0.3 m，火源位于房间中部，功率为0.5 MW，设置两个场景，都为1层房间着火，但是场景1设置楼梯，如图1所示:场景2设置为空井，如图2所示，在每层的前室门中央的1.8 m高度处分别设置探测点，研究火灾下温度和能见度随时间的变化。

2 模拟结果分析

2.1 烟气运动规律

场景1在各个时间阶段竖井内的烟气分布，如图3所示。

图像表明，在火灾下，烟气先是在本层蔓延，然后通过楼梯间向上部各个楼层逐步蔓延，在火灾初期阶段，上部楼层几乎没有烟气存在，在900 s的时候最上面的三层楼层里的烟气也很少。

场景2在各个时间阶段竖井内的烟气分布，如图4所示。图像表明，在火灾下，烟气先是在本层蔓延，然后通过楼梯间向上部各楼层蔓延，在300 s时，竖井内充满烟气，其中在顶部楼层烟气较多，在900 s的时候几乎整个楼层都充满烟气。

结合图3和图4，可以看出当为空井时，烟气有前期热烟浮力的作用，当火灾发生一定的时间后，由于热烟浮力和烟囱效应的双重作用，烟气在竖井内向上运动，竖井内充满烟气，且在最高层烟气较多。当为楼梯井时，由于楼梯对烟气的纵向运动起到了一定的阻挡作用，烟气向上蔓延的速度减小，而横向运动作用相对较大，使得烟气逐步向上层蔓延。

2.2 不同场景下测点处温度变化曲线分析

图1 场景1

图2 场景2

图3 场景1中火灾烟气运动情况

图4 场景2中火灾烟气运动情况

图5 不同竖井时测点处温度变化曲线

从图5可以看出，在900 s时间内，对于场景1而言，着火层测点处的温度最高，在95 s的时候就达到温度60℃，其次是二层，接着三层，在七，八层温度基本不变。即烟气蔓延到上部楼层较少。对于场景2而言，着火层的温度最高，因为烟气向上部楼层运动的过程中会与周围空气或者较冷烟气进行热传递，所以上部各楼层测点处的差异不大，顶部楼层测点处温度较高。

2.3 不同场景下测点处能见度变化曲线分析

图6 不同竖井时测点处能见度变化曲线

从图6可以看出，在900 s时间内，对于场景1而言，着火层测点处的能见度最低，在75 s的时候能见度就降到10 m以下，其次是二层，接着三层，在八层能见度基本不变;即烟气蔓延到上部楼层较少。对于场景2而言，着火层的能见度最低，在65 s的时候能见度就降到10 m以下，其次是顶部楼层测点处能见度较低;即烟气蔓延到上部楼层较多。

结合温度和能见度，对于场景1而言，各层达到危险时间的快慢为F1＞F2＞F3＞F4＞F5＞F6＞F7＞F8，而对于场景2而言，各层达到危险时间的快慢为F1＞F8＞F7＞F6＞F5＞F3＞F2＞F4。可以看出，除着火层最危险以外，当竖井内有楼梯时，楼梯对烟气的向上运动起到的阻碍作用比较明显。

3 结束语

本文利用FDS软件分别建立楼梯井和空井的建筑内火灾烟气运动模型，对比分析烟气运动的情况发现:楼梯对火灾烟气在楼梯井中蔓延影响较大。在楼梯井中热烟浮力和烟囱效应的驱动力对烟气蔓延的作用不明显。对于研究竖井中火灾烟气蔓延，楼梯井和空井(竖直管道井，电梯井)应该分别考虑。

［1］张靖岩，霍然，王浩波，等.烟囱效应形成机理的实验［J］.中国科学技术大学学报，2006(1):73－76

［2］霍然，袁宏永.性能化建筑防火分析与设计［M］.合肥:安徽科学技术出版社，2003

［3］Klote J H.an analysis of the influence of piston effect on elevator smoke control［J］.NBSIR，1988

［4］朱杰，霍然，付永胜.超高层建筑火灾防排烟研究［J］.消防科学与技术，2007(1):54－57

［5］孙建军，李烈，路世昌，等.高层建筑管道井内烟气运动大涡模拟［J］.中国安全科学学报，2006(9):40－45

［6］Klote J.A General Routine for Analysis of Stack Effect［J］.National Institute of Standards and Technology，NISTNR，1991

［7］张靖岩，霍然，王浩波，等.高层建筑中利用竖井进行排烟的可行性分析［J］.工程力学，2006(7):147－154

［8］邓玲.FDS场模拟计算中的网格分析［J］.消防科学与技术，2006(2):207－210