不同外立面超高层建筑窗口羽流火焰数值模拟研究

王 宇，邢 佳，刘铁林

(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)

根据超高层建筑[1]高耸，内部装饰复杂等特点，使其起火因素众多，若起火位置过高，对救援扑救难度大大提高。不同的外立面形式，对超高层建筑外部火蔓延程度也不相同，因此对于此类问题的研究已成众多学者的研究热点。

对于高层建筑火灾，潘晓菲等[2]对无保温层凹型高层建筑外部火蔓延进行研究，得到结构因子、环境压力以及氧气浓度越大，火蔓延速度越快；崔嵛等[3]对有保温材料竖直平面高层建筑进行研究，表明火焰贴墙壁情况决定其冲击材料角度，冲击角度越大，保温材料越不易被点燃；张俊伟[4]，杨瞬博[5]对无保温层的高层建筑纵向多窗口羽流火焰进行研究，并给出外部蔓延防火阻隔区高度；高层建筑火灾[6-10]在其他方面的研究不做过多赘述。对于超高层建筑火灾，D.Lange等[11]对一幢实际超高层建筑进行火灾倒塌模拟研究；A.S.Usmani等[12]对纽约世贸中心采用有限元模型对不同火灾场景进行模拟研究；王晓华等[13]针对超高层建筑火灾特点，提出一系列防火疏散设计方法；黄斌等[14]采用足尺实验模型，采用理论与实验相结合的方法，对超高层建筑竖井结构内部烟气流动做了相关研究。

上述工作未对有保温材料的超高层建筑外部火蔓延进行研究，故研究较大室内外温差对外部火蔓延的影响具有一定意义。基于此，笔者通过改变不同超高层建筑外立面形式，施加一定的自然风速，采用数值模拟软件，并引入危险温度540 ℃[15-16]，分析室内外温差为45 ℃(室外温度设置为-25 ℃，室内温度设置为20 ℃)时外部火蔓延特征，得到了不同外立面超高层建筑火焰融合高度的变化规律。

1 数值模型

1.1 模型尺寸

以某一实际超高层建筑为计算模型，建筑总层数为34层，每层层高均为3 m，窗口的长×宽为2.4 m×1.8 m。火灾发生在层高19层，房屋长×宽为5.4 m×4.5 m的房间内。分别对图1(a)中3种不同着火位置的超高层建筑竖向连续两窗口、三窗口、四窗口羽流火焰进行数值模拟分析，网格长宽高[17]设置为0.35 m×0.35 m×0.35 m，着火点1，2，3分别为无侧墙，L型外立面，凹型外立面的起火位置。在超高层建筑每层窗户中心处布置热电偶(Thermocouple,THCP)THCP1—THCP34，超高层建筑计算模型如图1所示。

图1 超高层建筑计算模型Fig.1 The computational model of super high-level building

1.2 工况设置

超高层建筑计算模型的工况设置如表1所示。

表1 不同建筑外立面工况Table 1 Different building facade working condtions

1.3 火源参数设置

根据文献[18]，卧室发生火灾时的火源热释放率为6 MW，计算可得着火房间火荷载密度为0.28 MW/m2，选用超快速火模拟整个燃烧过程，当热释放率达到6 MW时，所用时间为179 s。

2 火灾模拟结果

图2～图4为室外风速为4 m/s时，连续竖向两窗口，三窗口，四窗口的温度等温线图及温度曲线图。横坐标Y是超高层建筑外立面图的横向宽度，纵坐标Z是超高层建筑外立面图的竖向高度。火焰融合高度为在达到危险温度时，火焰上升的总高度减去火源所在位置的高度。

图2 无侧墙外立面Fig.2 Facade without side wall

2.1 无侧墙外立面

图2为室内外温差45 ℃，无侧墙外立面超高层建筑竖向连续两窗口至四窗口温度分布等温线图和温度曲线图。THCP2.21表示竖向连续两窗口时，21层窗口中心处温度曲线；THCP3.23表示竖向连续三窗口时，23层窗户中心处温度曲线；THCP4.24表示竖向连续四窗口时，24层窗户中心处温度曲线。

由图2(a)、(b)、(c)可知，室内外温差45 ℃，在达到危险温度540 ℃时，竖向连续两窗口至竖向连续四窗口火焰温度总高度分别为62.52 m，66.05 m，69.45 m；火焰融合高度分别为5.52 m，6.05 m，6.45 m。

由图2(d)可知，无侧墙外立面超高层建筑竖向连续两窗口燃烧，火焰高度可上升至21层；竖向连续三窗口燃烧，火焰高度继续增加，可达到23层；竖向连续四窗口燃烧，火焰高度继续增加，可达到24层。

2.2 L型外立面

图3为室内外温差45 ℃，L型外立面超高层建筑竖向连续两窗口至四窗口温度分布等温线图和温度曲线图。THCP2.22表示竖向连续两窗口时，22层窗口中心处温度曲线；THCP3.24表示竖向连续三窗口时，24层窗户中心处温度曲线；THCP4.25表示竖向连续四窗口时，25层窗户中心处温度曲线。

图3 L型外立面Fig.3 L-shaped facade

由图3(a)、(b)、(c)可知，室内外温差45 ℃，在达到危险温度540 ℃时，竖向连续两窗口至竖向连续四窗口火焰温度总高度分别为64.55 m，70.61 m，75.11 m；火焰融合高度分别为7.55 m，10.61 m，12.11 m。

由图3(d)可知，L型外立面超高层建筑竖向连续两窗口燃烧，火焰高度可上升至22层；竖向连续三窗口燃烧，火焰高度继续增加，可达到24层；竖向连续四窗口燃烧，火焰高度继续增加，可达到25层。

2.3 凹型外立面

图4为室内外温差45 ℃，凹型外立面超高层建筑竖向连续两窗口至四窗口温度分布等温线图和温度曲线图。THCP2.22表示竖向连续两窗口时，22层窗口中心处温度曲线；THCP3.25表示竖向连续三窗口时，25层窗户中心处温度曲线；THCP4.28表示竖向连续四窗口时，28层窗户中心处温度曲线。

图4 凹型外立面Fig.4 Concave facade

由图4(a)、(b)、(c)可知，室内外温差45 ℃，在达到危险温度540 ℃时，竖向连续两窗口至竖向连续四窗口火焰温度总高度分别为65.80，73.86 m，81.20 m；火焰融合高度分别为8.80 m，13.60 m，18.20 m。

由图4(d)可知，凹型外立面超高层建筑竖向连续两窗口燃烧，火焰高度可上升至22层；竖向连续三窗口燃烧，火焰高度继续增加，可达到25层；竖向连续四窗口燃烧，火焰高度继续增加，可达到28层。

2.4 结果分析

(1)室内外温差为45 ℃时，达到危险温度540 ℃时，无侧墙、L型、凹型外立面竖向连续三窗口火焰融合高度比两窗口分别增长了0.53 m，3.06 m，4.80 m,四窗口火焰融合高度比三窗口增长了0.40 m，1.50 m，4.60 m。L型外立面超高层建筑在达到危险温度540 ℃，相比无侧墙外立面超高层建筑火焰融合高度增高，相比凹型外立面超高层建筑火焰融合高度增高。

(2)在室内外温差为45 ℃，达到危险温度540 ℃时，竖向连续两窗口到竖向连续四窗口，火焰融合高度L型外立面比无侧墙外立面分别增长了2.03 m，4.56 m，5.66 m；火焰融合高度凹型外立面比无侧墙外立面分别增长了3.28 m，7.55 m，11.75 m。凹型外立面超高层建筑在达到危险温度540 ℃，火焰融合高度最高，增长最快；并随着竖向连续窗口数目的增加，火焰融合高度大幅度增长。

3 结 论

(1)无侧墙外立面超高层建筑在达到危险温度540 ℃，室内外温差及竖向连续窗口数目对火焰融合高度几乎无影响，对于无侧墙的超高层建筑外部蔓延防火阻隔区可设置为7 m。

(2)对比无侧墙外立面、L型外立面、凹型外立面超高层建筑火焰融合高度变化，可知室内外温差对凹型外立面超高层建筑是主要影响因素，对无侧墙外立面、L型外立面超高层建筑影响较小。