高層建筑樓梯間及相連空間內(nèi)煙氣流動(dòng)特性與火行為研究.pdf

1、隨著城市化進(jìn)展的加快和土地資源的日益稀缺，我國(guó)高層建筑的數(shù)量和高度得到了快速增長(zhǎng)，再加上近年來(lái)房?jī)r(jià)的飛速上漲和住房需求量的不斷攀升，進(jìn)一步刺激各房地產(chǎn)企業(yè)加快投資和建設(shè)高樓大廈的速度，各地（超）高層建筑如雨后春筍般不斷拔地而起，具有數(shù)量多、高度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣化的特點(diǎn)，并且許多建筑已經(jīng)成為城市的標(biāo)志性建筑，同時(shí)，高層建筑也是對(duì)施工技術(shù)和安全保障的嚴(yán)峻考驗(yàn)，尤其是高層建筑火災(zāi)安全問(wèn)題備受人們關(guān)注。近年來(lái)發(fā)生了許多大型高層建筑火災(zāi)事故

2、，并有愈演愈烈之勢(shì)。高層建筑由于樓層多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，且煙氣蔓延途徑多，其火災(zāi)危險(xiǎn)性更大，尤其是煙囪效應(yīng)和外界風(fēng)帶來(lái)后果尤其嚴(yán)重，因此，研究高層建筑煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和火災(zāi)發(fā)展特性具有重要意義。
　　湍流混合運(yùn)動(dòng)和煙囪效應(yīng)是樓梯間內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的兩種主要機(jī)制，兩種運(yùn)動(dòng)機(jī)制分別在火災(zāi)發(fā)展不同階段起主要作用。在第一個(gè)穩(wěn)定階段，樓梯間內(nèi)煙氣主要依靠湍流混合作用向上緩慢的運(yùn)動(dòng);在第二個(gè)穩(wěn)定階段，樓梯間內(nèi)煙氣主要依靠煙囪效應(yīng)向上快速的運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)穩(wěn)

3、定階段的持續(xù)時(shí)間都會(huì)受到火源功率和通風(fēng)口位置的影響。樓梯間內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)機(jī)制影響其豎向溫度分布。與湍流混合運(yùn)動(dòng)作用階段相比，在煙囪效應(yīng)作用階段，樓梯間煙氣豎向溫度衰減較慢，溫度衰減系數(shù)β值較小。隨著樓梯間通風(fēng)口位置升高和火源功率增大，β值越小，封閉樓梯間的煙氣溫度衰減最快，β值最大。著火層位于高層建筑中間樓層時(shí)，著火層上方和下方通風(fēng)口狀態(tài)對(duì)樓梯間內(nèi)豎向溫度分布有較大的影響。
　　在煙囪效應(yīng)作用下，甲醇和正庚烷池火向樓梯間方向傾斜，本文

4、引入理查森數(shù)Ri分析煙囪效應(yīng)對(duì)火焰傾角的影響。對(duì)于甲醇池火，火焰傾角θ與理查德森數(shù)Ri-1呈線性遞增關(guān)系，而對(duì)于正庚烷池火，在煙囪效應(yīng)作用下各工況火焰傾角θ相差不大，其平均值為69.7°，樓梯間通風(fēng)口位置對(duì)正庚烷的火焰傾角θ影響較小。對(duì)于火焰長(zhǎng)度和火焰高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在煙囪效應(yīng)作用下正庚烷池火的無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度（Lf/D）和火焰高度（Hf/D）與無(wú)量綱火源熱釋放速率（Q*）的1/4次方呈正比。對(duì)于火焰溫度，在煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的風(fēng)速的冷卻作用

5、下，不僅傾斜火焰連續(xù)區(qū)的溫升（ΔT）低于開放空間的火焰連續(xù)區(qū)溫升，ΔT大約776℃，而且火焰連續(xù)區(qū)和間歇區(qū)的范圍也有所增大，對(duì)于火焰連續(xù)區(qū)，L/Q2/5從無(wú)風(fēng)情況下0-0.08增加到0-0.12，而對(duì)于火焰間歇區(qū)，L/Q2/5從無(wú)風(fēng)情況下0.08-0.2增加到0.12-0.25。煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的風(fēng)速和火源的燃燒速率相互作用、相互影響，研究結(jié)果表明風(fēng)速V與火源功率Q的1/3次方呈線性遞增關(guān)系。樓梯間通風(fēng)口位置和狀態(tài)對(duì)火源的燃燒速率、著火房間

6、和前室的溫度場(chǎng)分布以及樓梯間內(nèi)輻射和總熱流值有一定的影響。
　　通過(guò)設(shè)計(jì)和建造1/6尺寸外界風(fēng)樓梯間實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究結(jié)果表明在不同外界風(fēng)向和外界風(fēng)速作用下，樓梯間內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)和相連房間的火災(zāi)特性具有四種明顯不同的模式。模式Ⅰ:隨著燃燒時(shí)間增加，樓梯間內(nèi)各層煙氣溫度和總熱流也逐漸增加，同時(shí)房間內(nèi)火焰逐漸向樓梯間方向傾斜，最終溫度、熱量值、火焰傾斜程度都達(dá)到最大。煙囪效應(yīng)是樓梯間內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。模式Ⅱ:在燃燒初期，樓梯間內(nèi)各層溫度和

7、總熱流值都非常小，燃燒一段時(shí)間后，樓梯間內(nèi)溫度和總熱流突然地迅速升高。隨著燃燒速率的增大，煙囪效應(yīng)逐漸克服外界風(fēng)成為主要的驅(qū)動(dòng)力。模式Ⅲ:當(dāng)外界風(fēng)速比較大時(shí)，在整個(gè)燃燒過(guò)程中，樓梯間內(nèi)各層煙氣溫度和總熱流值都非常小，房間內(nèi)火焰一直向室外方向傾斜?；鹪串a(chǎn)生的熱煙氣始終不能克服外界風(fēng)的阻力進(jìn)入樓梯間內(nèi)部。模式Ⅳ:在燃燒期間啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，樓梯間內(nèi)各樓層的煙氣溫度和總熱流呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，房間內(nèi)火焰逐漸向室外方向傾斜，隨著外界風(fēng)速增大，煙氣溫度和熱流