外界風下豎井—走廊空間煙氣蔓延特征研究

孫國祥

0 引言

近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，各種高層建筑數量急劇增加。由于大量的管道井、電梯井等豎井存在于高層建筑中，發生火災時，一旦防排煙系統未發揮作用，煙氣進入豎井就極易產生煙囪效應，從而導致煙氣在建筑內豎向蔓延加劇，進而危及其他樓層。與此同時，在煙囪效應抽吸作用下，大量新鮮空氣流入建筑內部，促使火勢迅速擴大，引燃周圍可燃物。

國內學者針對高層建筑豎向通道內煙氣運動特征，尤其是煙囪效應現象開展了大量研究。張靖巖通過實驗驗證了煙囪效應實際上是豎井內外壓差與煙氣自身浮力聯合作用的猜想。李一帆等發現同等條件下，開放樓梯井中羽流上升速度比封閉樓梯井快。何其澤等研究發現在火災熱煙氣誘導的煙囪效應中，高層建筑內部壓力梯度隨高度增加而逐漸降低，低樓層火源相鄰不同樓層之間的壓力差異更為明顯。然而，建筑通常是處在有風環境中。

前人的研究只針對豎井頂部外窗開啟的場景，在實際情況中豎井空間結構的外窗開口可能在任意樓層開啟，那么當豎井的外窗開口在不同的樓層開啟時，豎井-走廊空間內的煙氣會出現哪些蔓延特征，目前還沒有相關研究。因此，本文在前人研究成果的基礎上，利用FDS 火災數值模擬室外正向風環境下，豎井上的外窗開口開啟高度不同時，分析正向風速、走廊火源位置以及豎井窗口開啟高度對豎井煙囪效應產生的影響。

1 數值建模

本文采用FDS 軟件建立了如下圖1 所示的數值模擬計算模型。在計算模型中，豎井由6 層組成，每層高0.50m，豎井水平截面長0.75 m，寬0.50m。走廊長2.00m，寬0.50m，高0.50m。走廊兩端各有一個門，其中門洞1 連接著走廊和外界環境，門洞2 連接著走廊和豎井，門寬0.30m、高0.35m。室外風的具體位置，可以根據不同的實驗工況進行調整，一樓升高到六樓，其中六樓窗口開啟的工況與前人文獻中研究的工況相對應，可以作為數值模擬研究與實驗研究的對比參照。

圖1 利用FDS 建立的豎井——走廊建筑空間數值模擬計算模型

室外風速設定為0.74m/s，0.86m/s，1.00m/s 和1.26m/s?；鹪闯叽鐬?0cm×10cm，燃燒功率為27.87kW，與門洞1 的水平距離是20cm。所有工況模擬時間為200s，室內溫度為20℃，環境壓力為一個標準大氣壓。為準確捕捉走廊熱煙氣流入豎井空間后的蔓延擴散特征，豎井中間位置豎向設置15 個熱電偶，間隔0.20m，用來測量溫度變化；在門洞1 處豎向設置4 個速度探針用來測量流過門洞1 的氣體流速。在中軸線上設置了slice 切片功能，測量空間整體的溫度分布特征。

2 結果分析與討論

2.1 數值模擬結果

表1 給出了外界風的風速分別為0.74m/s、0.86m/s、1.00m/s 和1.26m/s 且火源位于走廊一端靠近門洞1，豎井窗口開啟高度在6 層樓時，煙氣在蔓延擴散過程中典型特征的數值模擬結果匯總。從表中可以看出，在火災發展前期的階段，走廊煙氣并沒有進入豎井空間；在火災發展后期，當外界風風速為0.74m/s 時，走廊煙氣最終進入豎井空間形成了煙囪效應，而當外界風速為0.86m/s、1.00m/s 和1.26m/s 時，走廊煙氣最終沒有進入豎井空間。

外界風速為0.74m/s 的場景，火災初起階段，煙氣未充滿整個走廊上部空間，外界風通過豎井窗戶開口進入豎井，經過門洞2 流向走廊，致使火焰向遠離豎井方向傾斜；隨著火災發展，煙氣充滿整個走廊上部，由于通過豎井流入的外部空氣流速比較小，無法阻擋熱煙氣通過連接門洞2 流入豎井，熱煙氣進入豎井開始形成煙囪效應，抵擋外界風的流入，火焰也不再發生傾斜。隨著越來越多熱煙氣流入豎井，豎井內外溫差升高，煙囪效應增強，不僅完全抵擋外界風流入，而且通過抽吸作用使大量熱煙氣進入豎井，并通過門洞1 進行補風，造成走廊內氣流場流向反轉，火焰也最終向豎井方向偏轉。而外界風速為0.86m/s、1.00m/s 以及1.26m/s 的場景，從表1 可以看出，不論是初始階段，還是最終穩定階段，走廊內火災煙氣均未能進入豎井空間形成煙囪效應，火焰始終向門洞1 方向傾斜，說明整個豎井-走廊空間內的氣流場方向一直未變，始終是從豎井流向走廊空間，然后流到室外，火焰傾斜方向也沒有發生轉捩現象。

表1 火源靠近門洞1 時，不同外界風速條件下豎井—走廊空間煙氣蔓延擴散特征模擬結果

根據文獻信息可知，當外界風的風速大于等于0.86m/s 時，走廊內的火災煙氣就無法進入豎井空間形成煙囪效應。

2.2 外界風的影響

從表2 匯總結果可以看出，對于火源在走廊一端靠近門洞1 的場景，外界風速V≥0.86m/s 時，走廊內的火災煙氣就無法進入豎井空間形成煙囪效應；而對于火源位于走廊中間位置的場景，當外界風速V≥1.26m/s 時，才能完全抑制走廊熱煙氣進入豎井形成煙囪效應。走廊內火災煙氣能否進入豎井形成煙囪效應，主要取決于外界風風速的大小，跟豎井窗口開啟高度的關系不大。

表2 走廊煙氣是否進入豎井形成煙囪效應的模擬結果匯總

當外界風速為1.00m/s 時，豎井窗口開啟位置在1 層和6 層的場景下，熱煙氣仍進入豎井形成煙囪效應，豎井窗口開啟位置在2 層至5 層時雖然有微量熱煙氣流入豎井，但是并沒有形成煙囪效應，這主要是由于豎井窗口開啟位置在1 層或者6 層時，熱煙氣在初始階段通過門洞2 少量持續的流入豎井，并最終形成煙囪效應；而當豎井窗口開啟位置在2 層至5 層時，通過門洞2 進入豎井熱煙氣量比較少，且為間歇性的流入，在上升過程中該部分熱煙氣溫度快速冷卻，無法形成煙囪效應抵擋外界風流入。

綜上可知，外界風對走廊火災煙氣進入豎井形成煙囪效應具有重要抑制作用，外界風速越大，抑制作用越強。當外界風速增大到一定程度，走廊內的火災煙氣將無法進入豎井，無法形成煙囪效應。

2.3 走廊火源位置的影響

如表3 所示，在外界風速為0.86m/s，火源位于靠近門洞1時，走廊內熱煙氣并沒有進入豎井形成煙囪效應，而當火源位于走廊中間位置時，走廊熱煙氣成功進入豎井，形成了煙囪效應。由此可知，火源具體位置對走廊火災煙氣能否進入豎井形成煙囪效應具有重要影響。

從表3 中可以看出，當火源位于走廊門洞口1 附近時，由于外界風通過豎井-走廊空間形成了相對穩定的風流場，火源燃燒產生的熱煙氣很大一部分被直接吹到走廊之外，導致留在走廊內煙氣量少且溫度低，無法進入豎井形成煙囪效應；而當火源位于走廊中間時，初期階段盡管有穩定的風流場，但是火源燃燒產生的大部分熱煙氣仍然留在走廊上部，較少一部分被直接吹出走廊，導致走廊煙氣量大溫度高，產生的熱浮力大，相對比較容易地進入豎井最終形成煙囪效應，而且隨著豎井窗戶開口從1 層位置上升到6 層高度時，進入豎井熱煙氣量是逐漸增大的。由此可知，走廊煙氣能否進入豎井空間并形成煙囪效應，走廊熱煙氣自身的熱物特性是其中一個決定因素，而火源具體位置對于走廊熱煙氣自身熱物特性具有重要影響?；鹪催h離門洞1，走廊可以積聚更多的高溫火災煙氣，有利于形成煙囪效應。

表3 外界風速為0.86m/s 的空間溫度分布云圖

表3 續

2.4 豎井窗口開啟高度的影響

圖2 給出了外界風速為0.74m/s 和0.86m/s，火源位于走廊中間位置時豎井空間豎向不同高度處的溫度值。從圖中可知，隨著豎井窗口開啟高度從1 層升高到4 層，豎井空間內相同位置處的溫度是逐漸上升的，而豎井窗口開啟高度從4 層升高的6 層的過程中，豎井空間內相同位置處的溫度基本上不變。這說明在豎井窗口開啟高度從1 層升高到4 層的過程中，豎井內熱煙氣形成的熱煙氣效應是逐漸增強的，而且在與外界風的相互作用過程中，逐漸呈現主導作用，外界風對煙囪效應的抑制作用在逐漸降低；而在豎井窗戶開啟高度從4 層升高到6 層的過程中，豎井空間內相同位置處溫度基本不變，這說明煙囪效應已經完全發揮主導作用，外界風對煙囪效應的抑制作用已經基本消失。

圖2 豎井窗口開啟高度不同時，豎井空間內不同高度處煙氣溫度值

圖3 給出了外界風速為0.74m/s 和0.86m/s，火源位于走廊中間位置時門洞1 處下部空間空氣流動平均速率值。從圖中可以看出，盡管這兩種場景條件下走廊火災煙氣均能進入豎井形成煙囪效應，但是豎井窗口開啟高度不同時，走廊內氣流場的流動方向是不同的。當豎井上窗口開啟位置在1 層和2 層時，門洞1 處的空氣整體上呈現流出走廊的形式，這意味著此時雖然有火災煙氣進入豎井空間形成煙囪效應，但是煙囪效應較弱，外界風依然能夠通過豎井窗口進入豎井，進入走廊，對煙囪效應具有抑制作用。隨著窗口開啟高度從1 層升到2 層，門洞1處的空氣流動速率在降低，說明煙囪效應在增強，外界風的抑制作用在減弱。當豎井窗口開啟在3 層時，門洞1 處的空氣流向已經由流出走廊變為流入走廊，形成了穩定的補風途徑，由此表明煙囪效應已經足夠強大，外界風已經無法通過豎井窗口流入豎井，進入走廊空間。隨著豎井窗口開啟樓層的進一步升高，補風風速也隨之提高，說明煙囪效應逐步增強，對走廊的抽吸作用在增強。走廊風流場流向的反轉進一步驗證了隨著豎井上窗口開啟樓層高度逐漸升高，豎井內煙囪效應逐漸增強、逐漸克服外界風的抑制作用呈現主導作用的過程。

圖3 豎井窗口開啟高度不同時，門洞1 處下部空間空氣流動速率值

對比外界風速為0.74m/s 和0.86m/s 時門洞1 處下部空間空氣流動平均速率可知，在豎井窗口開啟樓層在1 層和2 層時，雖然空氣都是流出走廊，但是外界風速為0.86m/s 的場景整體流出速率要比外界風速為0.74m/s 的場景大；而當在豎井窗口開啟樓層在3 層至6 層時，外界風速為0.86m/s 的場景下通過門洞1 處的補風速率又整體相對偏小，兩者進一步證明外界風風速越大，對豎井煙囪效應的抑制作用越強。

3 結束語

本文采用數值模擬方法針對外界風作用下，豎井窗口開啟高度不同時的豎井——走廊空間內的煙氣運動規律進行了研究，得到主要結論如下：（1）外界正向風對走廊火災煙氣進入豎井空間形成煙囪效應有重要的抑制作用，外界風的速度越大，對走廊火災煙氣流入豎井空間的抑制作用就越強?；鹪次恢眠h離門洞1 便于走廊積聚更多的高溫熱煙氣，有利于形成煙囪效應。（2）當走廊熱煙氣進入豎井空間形成煙囪效應時，隨著豎井窗口開啟高度的升高，外界風的抑制作用逐漸減弱，煙囪效應逐漸增強并成為主導作用。隨著煙囪效應的增強，走廊內風流場的流向發生反轉，空氣由流出變為流入狀態，導致火焰傾斜方向發生轉捩。