外界风下竖井—走廊空间烟气蔓延特征研究

孙国祥

0 引言

近年来，随着我国社会经济的快速发展，各种高层建筑数量急剧增加。由于大量的管道井、电梯井等竖井存在于高层建筑中，发生火灾时，一旦防排烟系统未发挥作用，烟气进入竖井就极易产生烟囱效应，从而导致烟气在建筑内竖向蔓延加剧，进而危及其他楼层。与此同时，在烟囱效应抽吸作用下，大量新鲜空气流入建筑内部，促使火势迅速扩大，引燃周围可燃物。

国内学者针对高层建筑竖向通道内烟气运动特征，尤其是烟囱效应现象开展了大量研究。张靖岩通过实验验证了烟囱效应实际上是竖井内外压差与烟气自身浮力联合作用的猜想。李一帆等发现同等条件下，开放楼梯井中羽流上升速度比封闭楼梯井快。何其泽等研究发现在火灾热烟气诱导的烟囱效应中，高层建筑内部压力梯度随高度增加而逐渐降低，低楼层火源相邻不同楼层之间的压力差异更为明显。然而，建筑通常是处在有风环境中。

前人的研究只针对竖井顶部外窗开启的场景，在实际情况中竖井空间结构的外窗开口可能在任意楼层开启，那么当竖井的外窗开口在不同的楼层开启时，竖井-走廊空间内的烟气会出现哪些蔓延特征，目前还没有相关研究。因此，本文在前人研究成果的基础上，利用FDS 火灾数值模拟室外正向风环境下，竖井上的外窗开口开启高度不同时，分析正向风速、走廊火源位置以及竖井窗口开启高度对竖井烟囱效应产生的影响。

1 数值建模

本文采用FDS 软件建立了如下图1 所示的数值模拟计算模型。在计算模型中，竖井由6 层组成，每层高0.50m，竖井水平截面长0.75 m，宽0.50m。走廊长2.00m，宽0.50m，高0.50m。走廊两端各有一个门，其中门洞1 连接着走廊和外界环境，门洞2 连接着走廊和竖井，门宽0.30m、高0.35m。室外风的具体位置，可以根据不同的实验工况进行调整，一楼升高到六楼，其中六楼窗口开启的工况与前人文献中研究的工况相对应，可以作为数值模拟研究与实验研究的对比参照。

图1 利用FDS 建立的竖井——走廊建筑空间数值模拟计算模型

室外风速设定为0.74m/s，0.86m/s，1.00m/s 和1.26m/s。火源尺寸为10cm×10cm，燃烧功率为27.87kW，与门洞1 的水平距离是20cm。所有工况模拟时间为200s，室内温度为20℃，环境压力为一个标准大气压。为准确捕捉走廊热烟气流入竖井空间后的蔓延扩散特征，竖井中间位置竖向设置15 个热电偶，间隔0.20m，用来测量温度变化；在门洞1 处竖向设置4 个速度探针用来测量流过门洞1 的气体流速。在中轴线上设置了slice 切片功能，测量空间整体的温度分布特征。

2 结果分析与讨论

2.1 数值模拟结果

表1 给出了外界风的风速分别为0.74m/s、0.86m/s、1.00m/s 和1.26m/s 且火源位于走廊一端靠近门洞1，竖井窗口开启高度在6 层楼时，烟气在蔓延扩散过程中典型特征的数值模拟结果汇总。从表中可以看出，在火灾发展前期的阶段，走廊烟气并没有进入竖井空间；在火灾发展后期，当外界风风速为0.74m/s 时，走廊烟气最终进入竖井空间形成了烟囱效应，而当外界风速为0.86m/s、1.00m/s 和1.26m/s 时，走廊烟气最终没有进入竖井空间。

外界风速为0.74m/s 的场景，火灾初起阶段，烟气未充满整个走廊上部空间，外界风通过竖井窗户开口进入竖井，经过门洞2 流向走廊，致使火焰向远离竖井方向倾斜；随着火灾发展，烟气充满整个走廊上部，由于通过竖井流入的外部空气流速比较小，无法阻挡热烟气通过连接门洞2 流入竖井，热烟气进入竖井开始形成烟囱效应，抵挡外界风的流入，火焰也不再发生倾斜。随着越来越多热烟气流入竖井，竖井内外温差升高，烟囱效应增强，不仅完全抵挡外界风流入，而且通过抽吸作用使大量热烟气进入竖井，并通过门洞1 进行补风，造成走廊内气流场流向反转，火焰也最终向竖井方向偏转。而外界风速为0.86m/s、1.00m/s 以及1.26m/s 的场景，从表1 可以看出，不论是初始阶段，还是最终稳定阶段，走廊内火灾烟气均未能进入竖井空间形成烟囱效应，火焰始终向门洞1 方向倾斜，说明整个竖井-走廊空间内的气流场方向一直未变，始终是从竖井流向走廊空间，然后流到室外，火焰倾斜方向也没有发生转捩现象。

表1 火源靠近门洞1 时，不同外界风速条件下竖井—走廊空间烟气蔓延扩散特征模拟结果

根据文献信息可知，当外界风的风速大于等于0.86m/s 时，走廊内的火灾烟气就无法进入竖井空间形成烟囱效应。

2.2 外界风的影响

从表2 汇总结果可以看出，对于火源在走廊一端靠近门洞1 的场景，外界风速V≥0.86m/s 时，走廊内的火灾烟气就无法进入竖井空间形成烟囱效应；而对于火源位于走廊中间位置的场景，当外界风速V≥1.26m/s 时，才能完全抑制走廊热烟气进入竖井形成烟囱效应。走廊内火灾烟气能否进入竖井形成烟囱效应，主要取决于外界风风速的大小，跟竖井窗口开启高度的关系不大。

表2 走廊烟气是否进入竖井形成烟囱效应的模拟结果汇总

当外界风速为1.00m/s 时，竖井窗口开启位置在1 层和6 层的场景下，热烟气仍进入竖井形成烟囱效应，竖井窗口开启位置在2 层至5 层时虽然有微量热烟气流入竖井，但是并没有形成烟囱效应，这主要是由于竖井窗口开启位置在1 层或者6 层时，热烟气在初始阶段通过门洞2 少量持续的流入竖井，并最终形成烟囱效应；而当竖井窗口开启位置在2 层至5 层时，通过门洞2 进入竖井热烟气量比较少，且为间歇性的流入，在上升过程中该部分热烟气温度快速冷却，无法形成烟囱效应抵挡外界风流入。

综上可知，外界风对走廊火灾烟气进入竖井形成烟囱效应具有重要抑制作用，外界风速越大，抑制作用越强。当外界风速增大到一定程度，走廊内的火灾烟气将无法进入竖井，无法形成烟囱效应。

2.3 走廊火源位置的影响

如表3 所示，在外界风速为0.86m/s，火源位于靠近门洞1时，走廊内热烟气并没有进入竖井形成烟囱效应，而当火源位于走廊中间位置时，走廊热烟气成功进入竖井，形成了烟囱效应。由此可知，火源具体位置对走廊火灾烟气能否进入竖井形成烟囱效应具有重要影响。

从表3 中可以看出，当火源位于走廊门洞口1 附近时，由于外界风通过竖井-走廊空间形成了相对稳定的风流场，火源燃烧产生的热烟气很大一部分被直接吹到走廊之外，导致留在走廊内烟气量少且温度低，无法进入竖井形成烟囱效应；而当火源位于走廊中间时，初期阶段尽管有稳定的风流场，但是火源燃烧产生的大部分热烟气仍然留在走廊上部，较少一部分被直接吹出走廊，导致走廊烟气量大温度高，产生的热浮力大，相对比较容易地进入竖井最终形成烟囱效应，而且随着竖井窗户开口从1 层位置上升到6 层高度时，进入竖井热烟气量是逐渐增大的。由此可知，走廊烟气能否进入竖井空间并形成烟囱效应，走廊热烟气自身的热物特性是其中一个决定因素，而火源具体位置对于走廊热烟气自身热物特性具有重要影响。火源远离门洞1，走廊可以积聚更多的高温火灾烟气，有利于形成烟囱效应。

表3 外界风速为0.86m/s 的空间温度分布云图

表3 续

2.4 竖井窗口开启高度的影响

图2 给出了外界风速为0.74m/s 和0.86m/s，火源位于走廊中间位置时竖井空间竖向不同高度处的温度值。从图中可知，随着竖井窗口开启高度从1 层升高到4 层，竖井空间内相同位置处的温度是逐渐上升的，而竖井窗口开启高度从4 层升高的6 层的过程中，竖井空间内相同位置处的温度基本上不变。这说明在竖井窗口开启高度从1 层升高到4 层的过程中，竖井内热烟气形成的热烟气效应是逐渐增强的，而且在与外界风的相互作用过程中，逐渐呈现主导作用，外界风对烟囱效应的抑制作用在逐渐降低；而在竖井窗户开启高度从4 层升高到6 层的过程中，竖井空间内相同位置处温度基本不变，这说明烟囱效应已经完全发挥主导作用，外界风对烟囱效应的抑制作用已经基本消失。

图2 竖井窗口开启高度不同时，竖井空间内不同高度处烟气温度值

图3 给出了外界风速为0.74m/s 和0.86m/s，火源位于走廊中间位置时门洞1 处下部空间空气流动平均速率值。从图中可以看出，尽管这两种场景条件下走廊火灾烟气均能进入竖井形成烟囱效应，但是竖井窗口开启高度不同时，走廊内气流场的流动方向是不同的。当竖井上窗口开启位置在1 层和2 层时，门洞1 处的空气整体上呈现流出走廊的形式，这意味着此时虽然有火灾烟气进入竖井空间形成烟囱效应，但是烟囱效应较弱，外界风依然能够通过竖井窗口进入竖井，进入走廊，对烟囱效应具有抑制作用。随着窗口开启高度从1 层升到2 层，门洞1处的空气流动速率在降低，说明烟囱效应在增强，外界风的抑制作用在减弱。当竖井窗口开启在3 层时，门洞1 处的空气流向已经由流出走廊变为流入走廊，形成了稳定的补风途径，由此表明烟囱效应已经足够强大，外界风已经无法通过竖井窗口流入竖井，进入走廊空间。随着竖井窗口开启楼层的进一步升高，补风风速也随之提高，说明烟囱效应逐步增强，对走廊的抽吸作用在增强。走廊风流场流向的反转进一步验证了随着竖井上窗口开启楼层高度逐渐升高，竖井内烟囱效应逐渐增强、逐渐克服外界风的抑制作用呈现主导作用的过程。

图3 竖井窗口开启高度不同时，门洞1 处下部空间空气流动速率值

对比外界风速为0.74m/s 和0.86m/s 时门洞1 处下部空间空气流动平均速率可知，在竖井窗口开启楼层在1 层和2 层时，虽然空气都是流出走廊，但是外界风速为0.86m/s 的场景整体流出速率要比外界风速为0.74m/s 的场景大；而当在竖井窗口开启楼层在3 层至6 层时，外界风速为0.86m/s 的场景下通过门洞1 处的补风速率又整体相对偏小，两者进一步证明外界风风速越大，对竖井烟囱效应的抑制作用越强。

3 结束语

本文采用数值模拟方法针对外界风作用下，竖井窗口开启高度不同时的竖井——走廊空间内的烟气运动规律进行了研究，得到主要结论如下：（1）外界正向风对走廊火灾烟气进入竖井空间形成烟囱效应有重要的抑制作用，外界风的速度越大，对走廊火灾烟气流入竖井空间的抑制作用就越强。火源位置远离门洞1 便于走廊积聚更多的高温热烟气，有利于形成烟囱效应。（2）当走廊热烟气进入竖井空间形成烟囱效应时，随着竖井窗口开启高度的升高，外界风的抑制作用逐渐减弱，烟囱效应逐渐增强并成为主导作用。随着烟囱效应的增强，走廊内风流场的流向发生反转，空气由流出变为流入状态，导致火焰倾斜方向发生转捩。