高层建筑窗口羽流火焰对防火隔离带影响的数值模拟研究

李世鹏 王 超 蒋小军 刘 小 陈姗姗

高层建筑的火灾蔓延方式主要有内部火蔓延和外部火蔓延两种，其中外部火蔓延速度更快、破坏性更强、救援更困难[1]。高层建筑的外部火蔓延大多由羽流火焰引起，而室内火灾冲破外窗口形成的窗口羽流火焰，对高层建筑外部火蔓延影响尤为突出。

为揭示不同外窗口形式下防火隔离带的设置需求，本文以北京顺义新国展项目西地块土建及水电安装工程为例，采用火灾动态仿真模拟软件PyroSim 对窗口羽流火焰及其融合进行数值模拟研究，分析窗口羽流火焰的温度分布情况，探究窗口羽流火焰对防火隔离带的影响，以期为同类高层建筑外部火蔓延的防控提供参考。

1 工程概况

北京顺义新国展项目西地块土建及水电安装工程位于北京市顺义区顺义新城第23街区，共有15栋住宅楼（地上7 ～15 层，地下1 ～2 层）、3 栋公寓（地上14 层，地下2 层）、1 栋写字楼（地上9 层，地下2 层）。总建筑面积达21万m2，建筑高度47.6 m，外立面形式以无侧墙的口字型和有侧墙的凹字型为主。项目外墙保温采用石墨聚苯板，每层设置300 mm 宽的岩棉防火隔离带。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

本文采用1-12#住宅楼建立火灾建筑模型，地上15 层，层高为3 m。火源位于活动室，其卧室开间尺寸为2.9 m×4.5 m，其窗槛墙高度为0.9 m，窗口尺寸为1.7 m×1.8 m。在设置的所有工况中，火灾荷载密度、可燃物布置方式、火源热释放速率相同。两个单元间侧墙长度为3.3 m，作为结构因子对窗口羽流火焰融合的影响参数。事实证明，纵向相邻多窗口同时出现羽流火焰时，羽流火焰将产生融合现象，因此本文分别对单窗口、纵向相邻窗口、侧墙窗口的羽流火焰进行了数值模拟。在窗口的中心设置热电偶，并布置横纵向温度切片。本文将T=540 ℃、T1=350 ℃定义为危险温度，相对应的危险温度所在位置与火源外窗上口之间垂直高差即为危险温度高度。其中，T为羽流火焰高度的判断温度、T1为石墨聚苯板的点燃温度。1-12#住宅楼平面图如图1 所示。

图1 1-12#住宅楼平面图（来源：作者自绘）

2.2 网格划分

在PyroSim 中划分的网格尺寸与火源特征直径D*呈正比关系，在将所建模型的网格尺寸设置为0.25 m×0.25 m×0.25 m 时，可以满足模拟所需的精度要求，其表达式为：

式中：Q*为火源热释放速率，单位W；ρ0为空气密度，单位kg/m3；c0为空气比热容，单位J/（kg·℃）；T0为室内温度，单位℃；g为重力加速度，单位m/s2。

2.3 热释放速率

本次模拟火源位于活动室，该活动室属于无喷淋的办公室、客房，热释放速率取值为6 MW[2]。在通风受限条件下，当室内热释放速率超过通风因子时，火灾发展至通风限制阶段，进而形成窗口羽流火焰[3-4]。

通过计算可以得知，本文设置的窗口尺寸及火源热释放速率能够形成窗口羽流火焰，表达式为：

式中：A为窗口面积，单位m2；H为窗口高度，单位m。建筑防排烟技术规程如表1 所示。

表1 建筑防排烟技术规程

为使数据模拟研究能够真实体现火灾的发展过程，选用非稳态t2模型确定热释放速率曲线，其表达式为：

式中：α为火灾增长系数，单位kW/s2；t为火灾发展时间，单位s；t1为达到最大火源热释放速率的时间，单位s。

火灾增长系数是衡量火灾发展速度的重要参数，根据表2 所示的排烟、排热标准可知，案例的火灾发展级别为快速火，则火源热释放速率达到了6 MW 所需时间约为355 s。

表2 排烟、排热标准

3 工况模拟分析

3.1 无侧墙口字型

在火灾建筑模型每层活动室窗口中心处设置热电偶，收集羽流火焰温度数据。在所划分网格的横向中心布置温度切片，将540 ℃等温面作为火焰判定依据，同时以350 ℃为石墨聚苯板的点燃温度，因此将T=540 ℃、T1=350 ℃定义为危险温度。火源所在外窗上口为羽流火焰底部，危险温度所在位置与火源外窗上口之间的垂直高差即为危险温度高度，因羽流火焰温度从内至外呈现梯度分布状态，危险温度高度需要结合窗口温度曲线和等温线两组数据确定[5]。

通过数值模拟分析，得到住宅楼无侧墙口字型部位的单窗口、纵向两窗口及纵向三窗口羽流火焰的窗口温度曲线，如图2 所示。图2 中的HCP2、THCP3、THCP4、THCP5、THCP6、分别代表设置在第2 层、第3 层、第4 层、第5 层、第6 层窗口的热电偶。

图2 无侧墙窗口温度曲线（来源：作者自绘）

将模拟切片数据整合，得到等温线分布，如图3 表内数据所示。通过分析窗口温度曲线与等温线分布，可以得出以下结论：第1，单窗口时危险温度T 高度0.97 m，T1高度1.47 m；纵向两窗口时危险温度T高度3.47 m，T1高度为3.97 m；纵向三窗口时危险温度T高度为3.47 m，T1高度4.47 m。第2，纵向相邻多窗口的羽流火焰有融合，危险温度高度相比单窗口相比提升约2.5 m。

图3 无侧墙窗口等温线分布（来源：作者自绘）

3.2 有侧墙凹字型

通过模拟分析，得到1-12#住宅楼有侧墙凹字型部位的单窗口、纵向两窗口及纵向三窗口羽流火焰的窗口温度曲线，如图4 所示。通过分析窗口温度曲线与等温线分布，可以得出以下结论：第1，单窗口时危险温度T高度为1.22 m，T1高度为1.72 m；纵向两窗口时危险温度T高度4.47 m，T1高度为7.47 m；纵向三窗口时危险温度T高度为8.47 m，T1高度10.47 m。第2，有侧墙结构产生的烟囱效应，使得羽流火焰高度随纵向窗口数量增加且呈倍数增长。

图4 有侧墙窗口温度曲线（来源：作者自绘）

4 结语

本文分析了高层建筑窗口羽流火焰对防火隔离带的影响，并进行了工况模拟分析，并对如何设置防水隔离带提出了具体对建议。相关研究结论能够为石墨聚苯板外墙保温条件下防火隔离带的设置提供参考。