小尺寸竖井内羽流前锋上升时间试验研究

赵建贺，郜冶，霍岩，钟伟

(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

建筑物向高层发展是现代建筑设计的一个必然方向［1］，高层建筑物内大都设有多而高的竖井，一旦起火，高温烟气会通过竖井由建筑物下层快速蔓延至顶层甚至整个建筑物.上海11.15大火在1 h内28层楼全部过火，火势迅速蔓延的主要原因是烟囱效应.因此有必要进行相关研究来得到竖井内烟气运动规律，为安全工程设计提供参考.

前人对非受限空间内羽流前锋上升时间进行过较多研究，Tanaka等曾对非受限环境中羽流上升时间进行过试验研究，建立了羽流前锋上升经验公式［2］;L.H.Hu等分别研究了自由环境下、墙边、墙角边油池火浮力羽流前锋的上升时间，并推导了半经验公式［3］;Heskestad对非受限油池火羽流前锋上升时间研究情况进行了总结，并对其进行了无量纲化处理［4］.

竖井内烟气羽流运动规律相对于非受限空间羽流运动规律较复杂，因为竖井内烟气运动受到烟囱效应，外界冷风引射入竖井及竖井壁面粘滞阻力等诸多因素的影响.目前对竖井内烟气羽流前锋运动规律研究较少，Tanaka等曾在开放竖井及封闭竖井内进行过大尺寸试验，并得到了无量纲羽流前锋上升时间的经验公式［2］;张靖岩等利用小尺寸竖井实验台测量了开放竖井和封闭竖井内羽流前锋上升时间，并得到了羽流前锋上升无量纲时间与竖井无量纲高度之间的定量关系式［5］.

本文通过小尺寸火灾试验，对两端开放竖井及底部封闭竖井中不同燃料条件下羽流前锋上升时间进行了研究，并定量描述了其运动规律.

1 非受限环境中羽流前锋上升时间

火羽流前锋上升的动量方程表达式:

对流热释放率、温升与羽流前锋上升速度有如下关系:

将方程(2)～(4)代入式(1)中，可得

文献［6-7］认为高度z处的羽流截面积与羽流高度的平方成正比，且有如下关系式:

九寨情歌之所以这么有魅力，主要在于它娴熟的运用了比喻这种艺术表现手段。比喻是“嘎花”中最常见、最重要的修辞手段。在本文所举例的所有例子，几乎都包含比喻。虽然用花草树木等作比喻的很多，但九寨的人们更是经常用文学经典来比喻，用彼情喻此情，委婉又坦率。如：

式中:rz为羽流半径，m;β为半径常数.

NFPA 92B 认为常数 取值在0.125 ～0.25［6］取值，L.H.Hu 等通过全尺寸实验确定了 β 取值为0.268［3］，G.Heskestad 综合了 George、Kung和 Stavrianidis的测量结果［8］，认为常数 β 应在0.104 ～0.194 取值.

通过Boussinesq假设，设定 ρz=ρ∞.将式(6)、(7)代入式(5)，并附上边界条件(t=0 s，uz=0 m/s)，通过求导运算及积分变换，得到羽流上升速度表达式:

对式(8)进行变换后两边积分，得

代入边界条件(t=0 s，z=0 m)，可得

火源的对流热释放率是引起热烟气羽流上升的主要原因，可表示为

将 g=9.8 m/s2，ρ∞=1.2 kg/m3，T∞=293 K 及Cp=1.005 kJ/kg·K代入方程(10)可得:

Tanaka等人曾在非受限空间中实施了羽流前锋上升时间测量的实验［2］，火源的热释放率在2.6～16.3 kW，得到非受限空间羽流前锋上升时间的半经验公式:

L.H.Hu等人通过全尺寸实验得到了非受限空间羽流前锋上升时间的半经验公式［3］:

非受限环境内羽流前锋运动规律已有了较为成熟的研究，而竖井内羽流运动相对于前者则有相对复杂的边界条件，受到较多因素的影响，有必要进行相关试验对其深入研究.

2 竖井内火灾试验研究

2.1 试验概况

此试验竖井尺寸高120 cm，长20 cm，宽16 cm，正面安装塑料玻璃板以便观察，其他三面为木质胶合板，具体尺寸见图1.火源布置于竖井中央，油池尺寸及燃料种类见表1及表2.热电偶布置于竖井中心从下至上依次为T1～T10，热电偶间距为12 cm.采用GL450温度数据采集仪进行数据采集，采样间隔为1 s.环境温度为23℃.

试验分为SFA和SFB 2个系列，共分为18个条次，SFA系列为两端开放竖井火灾试验，装置示意图见图1，SFB为底部封闭竖井火灾试验.2个系列试验的区别在于SFA系列中，竖井位于距地面2 cm的位置处，竖井底部的火源区域四面与外界相通，油池燃烧时可以从外界引射入大量冷空气;SFB系列试验中，竖井直接置于地面上，外界空气不能从竖井底部引射入竖井内.此外，2个系列试验的工况完全相同.

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic of experimental configuration

2.2 火源和热释放速率

火源的质量损失速率和热释放速率的关系如下:

表1 两端开放竖井内的热释放速率Table 1 The heat release rate for two-end-open shaft model

表2 底部封闭竖井内的热释放速率Table 2 The heat release rate for bottom-end-closed shaftmodel

2.3 试验结果分析

文献［3］中，观察者通过目测方法来判断烟气羽流前锋随时间所到达的高度;Tanaka通过热电偶的突然温升来判定羽流前锋的到达时间［2］，但在靠近火源的位置此种方法可能由于火焰的热辐射造成误判;张靖岩等［5］通过N-百分比法来判断烟气前锋的位置;本文也依据N-百分比法［9］，通过计算，认为当竖井中某高度处热电偶温升达到15℃时，烟气羽流前锋到达此处.由于热电偶T1在火源正上方，且靠近火焰，火焰常对T1造成冲刷，不能正确反映热烟气的温度，羽流上升时间不易判断，所以取T2～T10的温度数据作为分析热烟气温度的依据.

由图2可以看出，相同条件下，两端开放竖井内烟气温度远小于底部封闭竖井内烟气温度，这是因为在烟囱效应作用下，开放竖井底部大量冷空气被引射入竖井内部，冷空气与热烟气混合后降低了竖井内部温度，而且开放竖井较底部封闭竖井在烟囱效应作用下烟气快速上升.

图2 热电偶温升及羽流前锋分界面的确定Fig.2 Determination of temperature rise and plume front interfaces

图3为不同燃料，不同火源功率条件下开放竖井内羽流前锋上升时间与热释放速率之间的关系，对试验结果线性拟合后平均，可得上升时间与热释放速率的－5/4次方成正比.

图4为不同燃料，不同火源功率条件下两端开放竖井内羽流前锋上升时间与高度之间的关系，对试验结果线性拟合后平均，可得上升时间与高度的1/2次方成正比.基于图3、4的结果可知:

由图5可求得，所以两端开放竖井中羽流前锋上升时间的表达式可以写成:

图3 开放竖井中羽流前锋上升时间与热释放速率的关系Fig.3 Relationship between travel time and heat release rate in open shaft

图4 两端开放竖井中羽流前锋上升时间与高度的关系Fig.4 Relationship between travel time and height in two-end-open shaft

图5 试验系数Fig.5 Experimental coefficient

与开放竖井的分析方法类似，由图6可得，在底部封闭竖井中，羽流前锋上升时间与火源热释放速率成－3/4次方的关系;由图7可得羽流前锋上升时间与高度成4/3次方的关系.基于图6和图7的结果可知:

图6 底部封闭竖井中羽流前锋上升时间与热释放速率的关系Fig.6 Relationship between travel time and heat release rate in bottom-end-closed shaft

由图8可求得Cs2=15.46，所以底部封闭竖井中羽流前锋上升时间的表达式可以写成:

同时随着高度z的增大，羽流前锋上升时间在两端开放竖井与底部封闭竖井中的差值逐渐变大;该图还说明随着热释放速率的增大，羽流前锋到达相同高度的时间会逐渐缩短，且上升时间的变化速率逐渐降低.

如图9所示，根据得到的羽流前锋上升时间半经验公式(19)、(21)，本文对羽流前锋到达 z=2.0 m及z=4.0 m高度处的上升时间进行了比较，发现到达同一高度处两端开放竖井中羽流前锋上升时间明显小于底部封闭竖井中羽流前锋上升时间，说明烟囱效应大大加速了开放竖井中羽流的上升.

图7 底部封闭竖井中羽流前锋上升时间与高度的关系Fig.7 Relationship between travel time and height in bottom-end-closed shaft

图8 试验系数Fig.8 Experimental coefficient

图9 羽流前锋上升时间比较Fig.9 Comparison of travel time

3 结论

本文测量了两端开放竖井和底部封闭竖井火灾中羽流前锋的上升时间，在测点温差达到15℃条件下，认为羽流前锋到达该位置.试验表明在烟囱效应作用下，羽流在开放竖井中能够快速上升.通过小尺寸试验分析得到了两端开放竖井与底部封闭竖井中羽流前锋上升时间半经验公式，分别为 t=8.96Q·－5/4z1/2和 t=15.46Q·－3/4z4/3.

开放竖井内烟气上升除受到自身浮力外，还受到烟囱效应内外压差的作用，针对本课题，需要进一步研究烟囱效应与浮力等决定因素对开放竖井内羽流上升的影响权重.

［1］霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论［M］.2版.合肥:中国科学技术大学出版社，2009:370-375.

［2］TANAKA T，FUJITA T，YAMAGUCHIJ.Investigation into rise time of buoyant fire plume fronts［J］.International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes，2000，2(1):14-25.

［3］HU L H，LIY Z，HUO R，et al.Experimental studies on the rise-time of buoyant fire plume fronts induced by pool fires［J］.Journal of Fire Sciences，2004，22(1):69-86.

［4］HESKESTAD G.Rise of plume front from starting fires［J］.Fire Safety Journal，2001，36(2):201-204.

［5］张靖岩，李元洲，霍然，等.竖井中羽流前锋上升时间的实验研究［J］.安全与环境学报，2006，6(2):111-114.ZHANG Jingyan，LI Yuanzhou，HUO Ran，et al.Experiment study on the rise-time of fire plume fronts in the vertical shaft［J］.Journal of Safety and Environment，2006，6(2):111-114.

［6］NFPA 92B，Guide for smoke management systems in malls，atria and large areas［S］.Quincy，MA，USA:National Fire Protection Association，2000.

［7］KARLSSON B，QUINTIERE JG.Enclosure fire dynamics［M］.［s.l.］:CRC Press，1999:47-80.

［8］HESKESTAD G.Virtual origins of fire plumes［J］.Fire Safety Journal，1983，5(2):109-114.

［9］COOPER L Y，HARKLEROAD M，QUINTIERE J，et al.An experimental study of upper hot layer stratification in full-scale multiroom fire scenarios［J］.Journal of Heat Transfer，1982，104:741-749.