非封闭式天井开口对火灾烟气蔓延的影响

文康

摘要：本文采用数值模拟软件FDS模拟了不同开口尺寸、数量及位置对非封闭式天井内火灾烟气蔓延规律的影响。研究表明，非封闭式天井温度（烟囱效应）随开口宽度增大先缓慢下降（减弱），然后迅速降低（减弱），当开口宽度达到一定比例后，温度（烟囱效应）几乎不变。开口总宽度相同，仅有1个开口时，开口处巻吸气流较为集中，对火灾烟气蔓延的扰动较大，开口数量增加到2个和3个时，火灾烟气受开口数量的影响较小。与开口位于火源同侧相比，开口位于火源不同侧更容易产生火旋风，更有利于火灾烟气竖向蔓延。

关键词：非封闭式天井;火灾烟气;烟囱效应;温度;火旋风

中图分类号：TU998.1       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）04-0012-04

非封闭式天井在高层住宅建筑中较为常见，天井对建筑防火较为不利，发生火灾时容易产生烟囱效应。目前国内学者对非封闭式天井火灾烟气蔓延的研究多集中在凹槽型，如陈龙飞等学者[1-3]研究了凹槽型天井进深和宽度对天井火灾烟气蔓延的影响，李建涛等学者[4-6]研究了凹槽型天井结构因子（凹槽进深与宽度的比值）对天井火灾烟气蔓延的影响，袁满[7]研究了在天井面积相同、形状不同的情况下凹槽型天井内火灾烟气蔓延规律，尹越等学者[8-9]研究了环境风对不同结构因子凹槽型天井火灾烟气蔓延的影响。国内学者对其他开口形式非封闭式天井的火灾烟气蔓延鲜有研究，本文将对非封闭式天井的开口尺寸、数量及开口位置对火灾烟气蔓延的影响进行研究。

1  研究内容

1.1  研究模型

潘晓菲[5]等人的研究表明，凹槽模型结构因子（凹槽进深与凹槽宽的比值）不小于0.6时，凹槽模型才具备一定的烟囱效应。本文研究模型结构因子为1.0，利用FDS软件建立一个长、宽、高分别为4.0m、4.0m、40.0m的天井，火源位置位于天井正中心，火源尺寸为2.0m×2.0m，火源功率为4.0MW。天井中心竖向共设置13个测点（编号为T1～T13），测点布置间距3.0m，最下缘测点距地面高度3.0m，研究模型如图1所示。

1.2  场景设计

开口数量为1，研究开口尺寸对火灾烟气蔓延的影响，研究工况如表1所示。

总开口宽度相同、开口均位于天井同侧，研究开口数量对火灾烟气蔓延的影响，研究工况如表2所示。

开口总宽度相同、开口数量为2，研究开口位置对火灾烟气蔓延的影响，研究工况如图2所示。

2  研究结果

2.1  开口宽度对火灾烟气蔓延的影响

2.1.1  压差分析

图3为非封闭式天井中心位置压差（测点与环境之间压差）随竖向高度变化图（火灾400～500s的平均值），开口宽度占比37.5%及以下时（A1～A3工况），天井内压差（绝对值）较大，且压差随竖向高度变化较快，说明天井内烟囱效应较强;当天井开口宽度占比达到50.0%时（A4工况），天井内压差迅速减小，烟囱效应明显减弱;当天井开口宽度占比达到62.5%及以上时（A5～A8工况），天井内压差变化减弱，烟囱效应进一步减弱。

2.1.2  温度分析

图4为非封闭式天井中心位置温度（火灾400～500 s的平均值）随竖向高度变化图，开口宽度占比37.5%及以下时（A1～A3工况），天井内火灾燃烧较稳定，温度分布受开口宽度的影响较小;当天井开口宽度占比达到50%时（A4工况），天井内火灾烟气受巻吸气流影响，高温烟气被吹至天井壁面向上蔓延，天井中心处烟气温度急剧降低;随着天井开口宽度进一步增大（A5～A8工况），气流扰动对火灾烟气蔓延影响下降，火灾烟气温度随开口宽度增加变化不大。

2.2  开口数量对火灾烟气蔓延的影响

2.2.1  压差分析

图5为非封闭式天井中心位置压差随竖向高度变化图，在开口总宽度不变的情况下，开口数量增加，竖向压差减小（绝对值），烟囱效应减弱。

小（绝对值），烟囱效应减弱。

2.2.2  温度分析

图6为非封闭式天井中心位置温度随竖向高度变化图，研究表明开口数量为1个时（B1工况），进入天井内的空气气流集中，气流对烟气扰动较大，火灾烟气沿天井壁面向上蔓延，火灾中心处的温度相对较低;当开口数量增加到2个（B2工况）、3个（B3工况）时，进入天井的气流分散，气流扰动效果降低，两工况天井中心处温度相差不大。

2.3  开口位置对火灾烟气蔓延的影响

2.3.1  压差分析

图7为非封闭式天井中心位置压差随竖向高度变化图，可以看出C1工况和C3工况的烟囱效应相近，C2工况、C4工况、C5工况烟囱效应相近，而前者烟囱效应明显弱于后者。

C2工况、C4工况、C5工况的最高温度明显高于C1工况和C3工况。

2.3.2  温度分析

圖8为非封闭式天井中心位置不同测点位置温度的样本标准差（火灾稳定阶段400～500s的数据），样本标准差的值越大，说明温度变化越剧烈，可以看出C2工况、C4工况、C5工况温度变化剧烈程度明显高于C1工况、C3工况。图9是非封闭式天井内不同高度处火灾500s内的最高温度图，可以看出C2工况、C4工况、C5工况的最高温度明显高于C1工况和C3工况。

这是由于火灾烟气在竖向狭长的非封闭式天井内容易产生旋涡，C2工况、C4工况、C5工况的开口位于火源不同侧，开口卷吸进入的空气围绕火源旋转有利于火旋风的形成，有利于高温烟气竖向蔓延;当开口位于火源同侧时，不同开口卷吸进入的空气气流相遇，气流紊乱不利于旋涡的形成。

3  结语

本文利用FDS数值模拟软件建立了非封闭式天井模型，分析了开口尺寸、数量及位置对非封闭式天井内火灾烟气蔓延的影响，主要研究結果如下：

在本文设定的计算模型下，开口宽度占比37.5%及以下时，天井火灾烟气蔓延受开口宽度影响较小，天井竖向压差、温度基本不随开口宽度变化而变化，天井烟囱效应较强、温度较高;天井开口宽度占比达到50.0%时，天井火灾烟气受开口宽度影响急剧变大，天井烟囱效应快速减弱、温度急剧降低;天井开口宽度占比62.5%及以上时，天井火灾烟气与室外空气得到了充分交换，天井竖向压差、温度随开口宽度的增加几乎不变。

在开口总宽度不变的情况下，开口数量增加烟囱效应减弱。仅有1个开口时，开口处卷吸空气气流集中，火灾烟气受气流扰动影响天井中心处温度较低;当开口数量增加到2个和3个时，卷吸气流的扰动影响很小，火灾烟气蔓延几乎不受开口数量的影响。

与开口位于火源同侧比，开口位于火源不同侧的天井烟囱效应更强，更有利于火灾烟气竖向蔓延。这是因为非封闭式天井有多个开口的情况下，当开口位于火源同侧时，不同开口卷吸进入的空气气流相遇导致气流紊乱，而当开口位于火源不同侧时，开口卷吸进入的空气围绕火源旋转形成火旋风。

参考文献：

[1]陈龙飞，袁满，陈艳秋.天井宽度及进深对火灾烟气运动的影响[J].消防科学与技术，2020，39（05）：628-632.

[2]唐虎潇.探讨凹型建筑外立面火灾竖向蔓延[J].消防科学与技术，2017，36（08）：1055-1058.

[3]王自衡.基于建筑设计的居住建筑外立面火灾竖向蔓延探讨[D].天津：天津大学，2015.

[4]李建涛，闫维纲，朱红亚，等.高层建筑外立面U型结构火蔓延特性数值模拟研究[J].火灾科学，2012，21（04）：174-180.

[5]潘晓菲，吕品.凹型建筑外立面火灾烟气蔓延特性研究[J].中国安全生产科学技术，2018，14（02）：45-51.

[6]朱鲁青.环境风作用下高层建筑竖向通道中烟气运动特性研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.

[7]袁满，韩峥，陈艳秋，等.非封闭式天井形状对烟气蔓延影响的模拟[J].燃烧科学与技术，2021，27（01）：29-34.

[8]尹越，周汝，何嘉鹏，等.风速对高层建筑凹型外墙火灾烟气扩散的影响[J].消防科学与技术，2020，39（05）：618-623.

[9]张玉涛，张玉杰，李亚清.凹型结构建筑外立面火灾蔓延特性模拟研究[J].中国安全科学学报，2020，30（08）：70-78.