住宅建筑內(nèi)火災(zāi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究

郭 震，袁迎曙

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)a.力學(xué)與建筑工程學(xué)院；b.江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116）

建筑火災(zāi)安全是目前工程界較為關(guān)心的問題，也是社會(huì)的熱點(diǎn)問題。目前，中國(guó)住宅火災(zāi)災(zāi)害程度呈加劇趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，2009年1月至8月中國(guó)城鎮(zhèn)居民住宅共發(fā)生火災(zāi)35 430起，直接財(cái)產(chǎn)損失17 963.5萬元。因此，系統(tǒng)地開展單元式住宅建筑火災(zāi)安全研究迫在眉睫，研究成果能夠?yàn)橹袊?guó)住宅建筑火災(zāi)安全設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，亦能夠帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域研究和產(chǎn)品研發(fā)的發(fā)展。

目前研究機(jī)構(gòu)已建成多種類型的仿真建筑火災(zāi)實(shí)物試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，針?duì)火災(zāi)發(fā)展的全過程，火焰物理特性［2－3］，煙氣擴(kuò)散模型［4－5］，煙流性狀［6］及煙氣濃度分布［7－8］，結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限等進(jìn)行了廣泛的研究。如，中庭式大空間建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)廳［9］；積木式多功能火蔓延特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)［10］；單室火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái)［11］；多層多室實(shí)體建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［5］；構(gòu)件耐火極限試驗(yàn)平臺(tái)［12－13］等。上述現(xiàn)有的主要火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái)，均以火災(zāi)特性、煙氣流動(dòng)性狀，或構(gòu)件高溫承載能力為研究對(duì)象進(jìn)行的物理性試驗(yàn)。然而上述的研究成果中均包含了一個(gè)空間構(gòu)造形式的內(nèi)在影響因素，但是這一因素還尚未作為建筑火災(zāi)安全設(shè)防的主要指標(biāo)參數(shù)。如果將火災(zāi)和煙氣的物理模型與空間構(gòu)造形式相結(jié)合，將會(huì)極大的促進(jìn)中國(guó)目前的住宅建筑火災(zāi)安全領(lǐng)域的發(fā)展，豐富火災(zāi)安全基礎(chǔ)理論的研究?jī)?nèi)容。因此提出基于火災(zāi)安全的戶型空間設(shè)計(jì)或家裝改造建議，是目前降低住宅火災(zāi)損失的一個(gè)有效的技術(shù)手段。探索火災(zāi)中高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)模式，是降低住宅火災(zāi)人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等防范措施的理論基礎(chǔ)性研究。筆者擬通過實(shí)體多層住宅建筑模型火災(zāi)試驗(yàn)研究，探尋住宅建筑內(nèi)高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)規(guī)律，總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，揭示空間構(gòu)造形式對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響因素。火災(zāi)試驗(yàn)將在自制模塊式多層住宅建筑模型上進(jìn)行，該模型參照蘇北某住宅小區(qū)的一單元兩戶住宅建筑建造，模塊通過不同的組合方式可以模擬多室平面及豎向火災(zāi)，也可以進(jìn)行不同戶型和層數(shù)的火災(zāi)蔓延試驗(yàn)研究。

1 模塊式多層住宅建筑火災(zāi)流動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 住宅建筑模型組成及尺寸

考慮到不同戶型對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響，住宅建筑模型采用可按照不同戶型靈活拼裝的模塊式設(shè)計(jì)，根據(jù)房間功能制作標(biāo)準(zhǔn)尺寸的空間模塊，見圖1，模型考慮了住宅建筑常規(guī)的功能要求，如客廳、廚房、臥室、書房、衛(wèi)生間及樓梯間。按照1／4縮比尺寸制作，模型尺寸見圖2和圖3。

圖1 模塊化試驗(yàn)平臺(tái)拼接示意

圖2 住宅建筑模型尺寸

1.2 住宅建筑模型的構(gòu)成試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

試驗(yàn)平臺(tái)由標(biāo)準(zhǔn)化尺寸的獨(dú)立房間構(gòu)成，每層有8個(gè)獨(dú)立房間拼接，各房間編號(hào)見圖1（a）所示。其中①單元為所有房間之間的交通聯(lián)系空間，其他房間通過各自門洞在①單元處匯集構(gòu)成一個(gè)完整戶型，這里將其稱為樞紐空間；⑤單元為樓梯間；③和⑥單元為相同尺寸模型，分別模擬無房門和過梁的客廳和餐廳及廚房，定義其為大開敞空間；②、④、⑦3個(gè)單元尺寸相同，分別模擬有房門的臥室和書房，由于房門上方的過墻類似擋煙垂壁作用，故將這3個(gè)空間定義為有垂壁空間；⑧單元為衛(wèi)生間，也定義為有垂壁空間。

1.3 住宅建筑模型制作

1）骨架

每個(gè)獨(dú)立模塊由L63×5等邊角鋼焊接形成骨架。

2）樓板及隔墻

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016－2006）5.1.1條耐火等級(jí)為二級(jí)的民用建筑規(guī)定，不燃燒樓板及非承重墻體耐火極限為60min。因此，樓板采用30mm厚預(yù)制混凝土板，內(nèi)部配置鋼筋篩網(wǎng)并且雙向構(gòu)造配筋，鋼筋直徑8mm。為降低自重，內(nèi)嵌墻板采用導(dǎo)熱系數(shù)為1.43W／（m·K）的16mm厚石棉纖維水泥加壓平板，表觀密度1.95g／cm3，其具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、防火、防水性能。經(jīng)初步自然實(shí)火測(cè)試，在最高溫度500℃直接烘烤情況下，石棉纖維水泥加壓平板42min后開始發(fā)生撓曲變形，78min后粉化破壞。

3）房門與窗戶

試驗(yàn)平臺(tái)窗戶采用5mm厚普通玻璃，鋁合金包邊固定于水泥壓力板上。戶門為4mm厚鋼板，室門為8mm厚膠合板制成。

4）室內(nèi)家具及裝修

根據(jù)每次試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容，布置室內(nèi)家具和裝修。試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際安裝后效果見圖1（b）。

1.4 試驗(yàn)平臺(tái)的溫度數(shù)據(jù)采集裝置

試驗(yàn)的量測(cè)點(diǎn)位置見圖2（a），圖中黑圓點(diǎn)表示三熱偶束形測(cè)點(diǎn)，空?qǐng)A圈表示置頂單熱電偶測(cè)點(diǎn)。置頂單熱電偶位于每個(gè)房間入口處且距天花板底150mm。所有熱電偶采用直徑2mm的NiCr－>NiSi熱電偶。利用TDS303數(shù)據(jù)采集儀采集溫度，獲得空間溫度分布。熱電偶編號(hào)模式為TC－>ijk，其中i表示樓層號(hào)，j表示平面位置編號(hào)，k（k＝1、2、3）表示熱電偶束空間豎向布置的編號(hào)。

2 火災(zāi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)康氖强臻g構(gòu)造形式（如房間相對(duì)位置），火源點(diǎn)位置變化，各房間連通形式等對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響。利用熱電偶量測(cè)空間溫度分布，歸納煙氣流動(dòng)的規(guī)律。因此，室內(nèi)家具不按照真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行布置，僅以總?cè)紵裏後尫帕肯嗟仍瓌t換算成木材。另外，試驗(yàn)不以考察煙氣填充時(shí)間為主要研究目的，故忽略火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái)的尺寸效應(yīng)的影響。

2.1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，分別為第2層的客廳火災(zāi)和廚房火災(zāi)，火源點(diǎn)平面位置見圖2（a）。

1）客廳火災(zāi)（T－>1）—火源A

客廳火災(zāi)以沙發(fā)被遺留煙頭點(diǎn)燃作為起火原因。室內(nèi)房間門均為開啟狀態(tài)；各室窗戶均為關(guān)閉狀態(tài)；通樓梯間戶門關(guān)閉。

2）廚房火災(zāi)（T－>2）—火源B

廚房火災(zāi)主要原因假定為燃?xì)鉅t火引燃櫥柜，并假設(shè)燃?xì)夤艿谰哂凶詣?dòng)關(guān)閉功能，排除燃?xì)庑孤┮鸬幕饎?shì)加劇和爆炸可能。此工況場(chǎng)景，室內(nèi)房間門均為開啟狀態(tài)；各室窗戶均為關(guān)閉狀態(tài)；通樓梯間戶門關(guān)閉。

2.2 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)以考察空間構(gòu)造形式對(duì)火災(zāi)蔓延和煙氣流動(dòng)影響為主要目的，試驗(yàn)僅考慮火源點(diǎn)位置的影響因素；火源點(diǎn)A和B位置如圖2（a）所示。房間門及窗戶僅作為火災(zāi)場(chǎng)景條件，但試驗(yàn)中不排除通樓梯間戶門或玻璃高溫破壞造成的火災(zāi)蔓延和煙氣流動(dòng)的變化。試驗(yàn)分組情況見表1。

表1 試驗(yàn)分組

2.3 試驗(yàn)點(diǎn)火裝置及燃燒物質(zhì)

點(diǎn)火材料為煤油，煤油碟上方由鐵架支起杉木木料及布料作為起火裝置，起火時(shí)間以木料和布料燃燒為起點(diǎn)，通過木料燃燒模擬室內(nèi)家俱或電器起火。室內(nèi)火災(zāi)荷載參照《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》［14］的C.0.1和 C.0.2進(jìn)行估算，根據(jù)總熱釋放量相等原則換算成水曲柳木質(zhì)量后，客廳火災(zāi)用木料為15kg，廚房火災(zāi)用木料為13kg。試驗(yàn)?zāi)康臑樘剿魇覂?nèi)火災(zāi)的溫度空間分布特征和煙氣流動(dòng)規(guī)律，所以不強(qiáng)調(diào)火災(zāi)試驗(yàn)過程的絕對(duì)溫度。

2.4 試驗(yàn)場(chǎng)地及環(huán)境

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶仓迷诼短扉_闊場(chǎng)地進(jìn)行，試驗(yàn)當(dāng)天氣候環(huán)境如下：

1）試驗(yàn)T－>1進(jìn)行期間，戶外實(shí)測(cè)溫度5.3℃，風(fēng)向東北，風(fēng)速3.6m／s，氣壓1 004.9hPa，相對(duì)濕度43%；

2）試驗(yàn)T－>2進(jìn)行期間，戶外實(shí)測(cè)溫度6.7℃，風(fēng)向東北，風(fēng)速2.1m／s，氣壓1 031.3hPa，相對(duì)濕度47%。

3 火災(zāi)試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)T－1

試驗(yàn)T－>1從點(diǎn)火到試驗(yàn)結(jié)束共進(jìn)行了58min。試驗(yàn)過程見圖5。

1）起火階段，點(diǎn)燃火源點(diǎn)的煤油，木垛開始燃燒，火焰尺寸較小，發(fā)煙量不大。

2）初燃階段，6min后，木垛燃燒面積開始增大。由于模型房間密閉，火焰保持豎直。

隨著燃燒的持續(xù)，火焰面積逐漸擴(kuò)大，房間內(nèi)的燃燒物相繼起火，發(fā)煙量開始增加。在這一階段中，起火房間的溫度上升速度極快，而其他房間的溫度變化幅度很小。

此階段天花板上模擬吊頂?shù)哪緱l開始燃燒。同時(shí)玻璃溫度較高。

3）全面燃燒，該階段的起始標(biāo)志是起火房間窗戶玻璃的受熱破碎。在點(diǎn)火后13min左右，玻璃向內(nèi)破碎脫落。由于新鮮空氣的進(jìn)入，火勢(shì)突然增加，整個(gè)房間內(nèi)的可燃物全部起火。此時(shí)，火焰開始向內(nèi)蔓延，室內(nèi)的煙氣濃度較高，可見度極小，大量黑色煙氣從窗口上緣向外溢出。

4）降溫階段

隨著可燃物燃盡，火焰逐漸減小，室內(nèi)溫度開始降低，降溫速度略小于升溫過程。整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)58min，終止試驗(yàn)，此時(shí)室內(nèi)平均溫度降低至63℃。

圖5 試驗(yàn)T－>1火災(zāi)過程

3.2 試驗(yàn)T－2

試驗(yàn)T－>2的火源點(diǎn)位于廚房位置。試驗(yàn)歷時(shí)63min。試驗(yàn)過程見圖6。

圖6 試驗(yàn)T－>2火災(zāi)過程

1）起火階段，由于天氣干燥，點(diǎn)燃火源點(diǎn)的煤油后，木垛迅速開始燃燒?；鹧娣秶淮?，出煙量較少，透過玻璃可以觀察到室內(nèi)情況。

2）初燃階段，木垛燃燒范圍擴(kuò)大，模擬吊頂也被引燃。室內(nèi)已聚集大量黑煙，火勢(shì)較為劇烈。

3）全面燃燒，廚房窗戶玻璃在點(diǎn)火后15min左右破碎，標(biāo)志著進(jìn)入全面燃燒階段，室內(nèi)木垛已全部燃燒。較新鮮冷空氣作為助燃劑，加劇了所有可燃物的燃燒速度。部分火苗從室內(nèi)竄出窗戶。

4）試驗(yàn)結(jié)束，隨著室內(nèi)可燃物全部燃盡，火勢(shì)逐漸減小。在試驗(yàn)進(jìn)行63min后已無明火，試驗(yàn)結(jié)束。

4 火災(zāi)引起的住宅建筑模型內(nèi)溫度變化規(guī)律

通過火災(zāi)試驗(yàn)，得到了2種火災(zāi)工況下住宅單元平面及高度方向的溫度分布情況。利用所測(cè)溫度值與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以初步歸納室內(nèi)升溫規(guī)律。按照牛頓流體力學(xué)原理可知，冷空氣的浮力作用使高溫低密度的煙氣流漂浮和運(yùn)動(dòng)，也就是說室內(nèi)空間的溫度場(chǎng)除了受到火源點(diǎn)熱輻射升溫外，高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)也是室內(nèi)溫度升高的一個(gè)重要因素。因此，通過研究室內(nèi)空間溫度的變化可以間接得獲得高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)規(guī)律。

4.1 起火時(shí)間與單元空間內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化

根據(jù)試驗(yàn)T－>1和T－>2位于大開敞空間（客廳和廚房）的測(cè)點(diǎn)1～7的溫度值與時(shí)間的關(guān)系繪于圖7（a）、（c），位于有房門空間（臥室、書房、衛(wèi)生間）的測(cè)點(diǎn)8～12溫度值與時(shí)間的關(guān)系繪于圖7（b）、（d）。圖中溫度曲線均為靠近天花板處的熱電偶（TC－>2j3）量測(cè)值變化。

圖中反映了各測(cè)點(diǎn)溫度隨火源點(diǎn)的燃燒變化情況，由于縮比的試驗(yàn)平臺(tái)存在空間尺寸效應(yīng)，內(nèi)部的氧氣量偏少，造成試驗(yàn)過程中溫度偏低于實(shí)際火災(zāi)。依據(jù)測(cè)點(diǎn)溫度變化的曲線，忽略玻璃破碎對(duì)溫度曲線的影響，起火后室內(nèi)平面溫度動(dòng)態(tài)變化具有以下幾點(diǎn)特征：

1）火源點(diǎn)位置的影響

模型 T－>1的測(cè)點(diǎn)溫度以1、2、3、5、4、6、7順序從高到低變化。模型T－>2的起火點(diǎn)在廚房，所以該模型的測(cè)點(diǎn)1～7的溫度變化與模型T－>1完全不同。模型T－>2的8～12測(cè)點(diǎn)溫度變化現(xiàn)象與模型T－>1基本一致，只是測(cè)點(diǎn)溫度排列的順序發(fā)生了變化，模型T－>1的9號(hào)測(cè)點(diǎn)最高，而模型T－>2的10號(hào)測(cè)點(diǎn)最高。

2）有垂壁房間的溫度升溫特點(diǎn)

根據(jù)T－>1和T－>2的8～12測(cè)點(diǎn)溫度可以發(fā)現(xiàn)，溫度較高的房間均是門開洞方向面對(duì)起火房間，說明火源點(diǎn)位置變化引起各室溫度變化的隨機(jī)性，但是高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向和方式具有確定性。

3）樞紐空間的平面溫度分布特點(diǎn)

模型T－>1測(cè)點(diǎn)3、4、5三點(diǎn)處在同一水平位置而且間距相同，但是測(cè)點(diǎn)5的溫度要高于測(cè)點(diǎn)4；模型T－>2的火源點(diǎn)位置在廚房，但是樞紐空間的4號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度仍舊低于同在樞紐空間的其他測(cè)點(diǎn)溫度。這 反映了煙氣流動(dòng)方向的選擇性。

圖7 火災(zāi)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

根據(jù)溫度值的比較可以間接的判斷高溫?zé)煔鈱舆M(jìn)入不同空間區(qū)域的先后順序：溫度高的區(qū)域說明高溫?zé)煔鈱虞^易進(jìn)入或是較早的進(jìn)入；溫度低的區(qū)域說明高溫?zé)煔鈱釉谶M(jìn)入的過程中存在熱損失，可以認(rèn)為是較晚進(jìn)入或是不易進(jìn)入。

高溫?zé)煔庖酝牧鞯男问较蛲鈹U(kuò)散。在流動(dòng)的過程中，因煙氣層下緣卷吸冷空氣發(fā)生熱交換，造成煙氣擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)端溫度越低。空間構(gòu)造形式?jīng)Q定了煙氣流動(dòng)的路徑和距離，也就造成了室內(nèi)空間溫度分布的變異性；或是說非起火房間與起火房間的相對(duì)位置，決定了非起火房間升溫速度和幅度，進(jìn)一步說明煙氣流動(dòng)具有方向的選擇性，空間布局是影響流動(dòng)方向的關(guān)鍵因素。

4.2 室內(nèi)豎向溫度變化

室內(nèi)豎向溫度變化在一定程度上反映了空間溫度場(chǎng)的分布特征。2次試驗(yàn)中，火源點(diǎn)（T－>1的測(cè)點(diǎn)1，T－>2的測(cè)點(diǎn)7）受到火焰的直接熱作用，溫度值在豎向變化很小。所以選取試驗(yàn)T－>1和T－>2非火源點(diǎn)測(cè)點(diǎn)2、3、5、6的豎向溫度變化進(jìn)行分析。4個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向溫度與時(shí)間變化曲線見圖8所示。

從圖8中可以看出：

1）相同高度的測(cè)點(diǎn)，靠近起火點(diǎn)的溫度量測(cè)值均高于遠(yuǎn)離火源點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)，這與4.1節(jié)中的分析結(jié)果一致。

2）選取某一火災(zāi)時(shí)刻，如T－>1中t＝15min時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)TC－>233溫度要高于TC－>222，說明相同時(shí)刻在起火房間附近空間內(nèi)，遠(yuǎn)離火源點(diǎn)但靠近天花板的煙氣層溫度要高于接近火源點(diǎn)但靠近地板位置；同樣，選取某一溫度，如T－>2中T＝100℃，測(cè)點(diǎn)TC－>223要早于TC－>232到達(dá)該溫度，這表明高溫?zé)煔馑椒较虻牧鲃?dòng)速度要高于下沉速度。

根據(jù)上述對(duì)室內(nèi)豎向溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果分析，可以進(jìn)一步明確火災(zāi)中煙氣流動(dòng)的一般規(guī)律：

1）高溫?zé)煔庠诳臻g豎向存在梯度，高溫氣體因受到浮力作用而聚集在天花板下方，又因?yàn)闊煔鈱酉戮壘砦淇諝獍l(fā)生熱交換降溫，所以溫度依次向下降低。

2）按照黏性流體力學(xué)觀點(diǎn)，煙氣層貼著天花板底以湍流形式前進(jìn)，前端鋒面速度受到火源點(diǎn)功率的直接影響，而煙氣層下緣的湍流模式在卷吸冷空氣進(jìn)行熱交換的同時(shí)還受到冷空氣層的浮力作用，下降速度低于前端鋒面速度；另外，由于熱交換，煙氣層下緣溫度要低于前端鋒面溫度；所以造成高溫?zé)煔馑椒较虻牧鲃?dòng)速度要高于下沉速度的現(xiàn)象。

圖8 試驗(yàn)豎向溫度變化曲線

3）高溫?zé)煔廒呌谙瘸錆M整個(gè)空間的天花板，然后再向下擴(kuò)散，因此擋煙垂壁（各房間門上方的過墻）可以阻礙煙氣層的水平擴(kuò)散，延長(zhǎng)煙氣擴(kuò)散時(shí)間。

由于卷吸冷空氣使煙氣密度增大，導(dǎo)致煙氣層下降（煙氣層厚度增加），表現(xiàn)為煙氣填充空間現(xiàn)象。高溫?zé)煔鈱酉鹊竭_(dá)的空間，煙氣層厚度越大，在豎向空間上溫度梯度小。

基于上述的討論，如果忽略火源點(diǎn)的熱輻射，空間內(nèi)各點(diǎn)的溫度均受到高溫?zé)煔鈱恿鲃?dòng)的影響。由于住宅單元特有的多室格局形式，如，門上方的過墻（類似擋煙垂壁），也就勢(shì)必會(huì)影響高溫?zé)煔獾乃搅鲃?dòng)。

4.3 起火位置對(duì)單元空間內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化的影響

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，非起火房間的溫度上升以高溫?zé)煔鈱恿鲃?dòng)和熱交換為主的。從500s到1 000s以100s為間隔，將12個(gè)平面測(cè)點(diǎn)位置的頂部熱電偶量測(cè)溫度值繪于圖9，圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為平面測(cè)點(diǎn)編號(hào)，縱坐標(biāo)為量測(cè)溫度值。橫向可以比較各測(cè)點(diǎn)間的溫度差異，縱向反映了不同時(shí)刻同一測(cè)點(diǎn)位置的溫度變化，溫度值的疏密反映了溫度變化的速率。

從圖中可以看出：試驗(yàn)中，有垂壁空間（②、④、⑦3個(gè)房間）測(cè)點(diǎn)8～10溫度變化幅度很小，而且溫度較低，說明熱煙氣進(jìn)入這3個(gè)房間的煙氣量少，或是煙氣溫度低；但是由于火源點(diǎn)位置不同，這3個(gè)房間的溫度值和變化幅度不一樣，試驗(yàn)T－>1中10號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度低于試驗(yàn)T－>2，升溫幅度卻高于試驗(yàn)T－>2；9號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度差異更為明顯，在試驗(yàn)T－>2中最高溫度僅為76.4℃，而在試驗(yàn)T－>1中最高溫度平均達(dá)到142℃。另外，在試驗(yàn)T－>1和T－>2中，衛(wèi)生間溫度（測(cè)點(diǎn)12）變化不大。

因此，火源點(diǎn)位置對(duì)空間各房間的溫度影響較大，從空間布局構(gòu)造方面得到起火位置與單元空間內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化的規(guī)律：

1）當(dāng)非起火房間的門面對(duì)起火房間，該房間將進(jìn)入較多的高溫?zé)煔猓怯写贡诜块g的溫度低于相同水平位置的大開敞空間，說明有垂壁房間雖然面對(duì)起火房間，但是高溫?zé)煔鈱雍穸缺匦柽_(dá)到房門上方垂壁高度后才能進(jìn)入，這一過程增加了煙氣層的熱量損失。

2）當(dāng)非起火房間的門位于起火房間煙氣流出方向的后方，則該房間進(jìn)入的煙氣量較少且溫度較低，該房間的升溫也是因高溫?zé)煔鈱酉鲁恋介T上方過墻而溢入的，不過下沉速度要小于1）的情況，這與煙氣流動(dòng)方向有關(guān)。

3）當(dāng)非起火房間門與煙氣流動(dòng)方向平行時(shí)，起火房間位置對(duì)該房間溫度幾乎沒有影響，該房間的升溫原因與2）相同。

通過上述3個(gè)方面的討論，可以得到結(jié)論：住宅單元火災(zāi)的具有隨機(jī)性，但是火災(zāi)過程中高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)符合一定規(guī)律性，不論火災(zāi)發(fā)生在哪個(gè)房間，高溫?zé)煔獗貙⑼ㄟ^樞紐空間向其他房間擴(kuò)散，那么樞紐空間的構(gòu)造形式?jīng)Q定了高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)規(guī)律。

5 影響火災(zāi)煙氣流動(dòng)的空間因素

根據(jù)上述對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象的分析，可以初步得到影響住宅建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的空間因素：樞紐空間構(gòu)造形式，房門上方垂壁，各房間之間的相對(duì)位置。由于試驗(yàn)過程中，通往樓梯間的戶門未被燒壞，因此在玻璃破碎前，模型基本處于完全封閉的多室聯(lián)通模式。

5.1 樞紐空間對(duì)高溫?zé)煔鈹U(kuò)散的影響

樞紐空間起到了各房間相互連通的作用。如果將各房間看作是網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，那么樞紐空間便是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的干線。任一節(jié)點(diǎn)釋放出的高溫?zé)煔獗貙⑼ㄟ^網(wǎng)絡(luò)干線向其他節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散。但是如前所述，并不是所有節(jié)點(diǎn)升溫速度和溫度值是相同的，也就是說網(wǎng)絡(luò)干線（樞紐空間）決定了其他節(jié)點(diǎn)獲得高溫?zé)煔獾姆峙湓瓌t，即樞紐空間的構(gòu)造形式?jīng)Q定了高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)規(guī)律。

從試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砜?，樞紐空間與其他房間的連接形式主要有2種：

1）無垂壁（過墻）全敞連接，如客廳、廚房，高溫?zé)煔饪梢詿o障礙通過，2次試驗(yàn)中，無垂壁全敞空間升溫速度和溫度值都高于有垂壁房間。

2）有垂壁（過墻）連接，如臥室、書房、衛(wèi)生間，高溫?zé)煔鈱颖仨毤酆穸冗_(dá)到門上過墻高度才能進(jìn)入這些房間，煙氣的集聚減緩了這些房間內(nèi)部的溫度上升速度，集聚過程中的熱量散失也降低了進(jìn)入這些房間的溫度值。

5.2 垂壁對(duì)煙氣流動(dòng)的影響

按照黏性流體力學(xué)觀點(diǎn)，煙氣層的湍流式前進(jìn)，會(huì)卷吸底部的冷空氣進(jìn)入，煙氣層下緣部分的溫度降低，煙塵顆粒開始下沉，造成煙層厚度增加。與卷吸的冷空氣熱對(duì)流，使分子運(yùn)動(dòng)速度減緩，煙層水平流速逐漸降為零，見圖10所示。圖中，hyc，hcb分別表示煙氣層厚度和垂壁高度；vyc（h）為煙氣層鋒面水平速度，是煙層厚度的函數(shù)，它受到火源點(diǎn)功率的直接影響。當(dāng)hyc＞hcb時(shí)，煙氣層可以直接通過垂壁進(jìn)入房間；當(dāng)hyc＜hcb時(shí)，煙氣層將先形成垂壁回流在向房間內(nèi)擴(kuò)散，但是擴(kuò)散速度和溫度將低于vyc（h）max。

圖10 煙氣層與垂壁高度關(guān)系

當(dāng)非起火有垂壁房間的門面對(duì)起火房間時(shí)，煙氣前進(jìn)方向受到門上方垂壁的阻礙，形成垂壁回流，溫度和速度均比原煙氣層鋒面有一定降低，冷空氣的浮力使垂壁回流進(jìn)入非起火房間；但是垂壁回流速度仍受到火源點(diǎn)功率的影響，其仍舊高于煙氣層下緣熱交換冷卻引起的煙層下沉速度。當(dāng)非起火房間的門位于起火房間煙氣流出方向的后面時(shí)，煙氣是以熱交換冷卻的煙層下沉方式進(jìn)入，所以升溫時(shí)間滯后，且溫度較低。

5.3 各房間之間的相對(duì)位置對(duì)煙氣流動(dòng)的影響

根據(jù)起火位置對(duì)單元空間內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化的影響分析，煙氣流動(dòng)具有方向性。當(dāng)煙氣進(jìn)入樞紐空間后，各單元與樞紐空間的相對(duì)位置也影響各自空間的升溫：

1）當(dāng)單元開口面對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)入樞紐空間方向時(shí)：

①無垂壁（過墻）全敞連接時(shí)，高溫?zé)煔鉄o障礙進(jìn)入，升溫速度快，溫度值較高，該單元與起火單元之間形成主要高溫高速煙氣流通道，決定了全局火災(zāi)蔓延和煙氣流動(dòng)的發(fā)展和形式。

②有垂壁（過墻）連接時(shí)，高溫?zé)煔鈱雍穸鹊竭_(dá)門上過墻高度后煙氣進(jìn)入，煙氣溫度和升溫速度低于①情況，屬于中溫?zé)煔饬魍ǖ馈?/p>

2）當(dāng)單元開口（通常為有垂壁連接）背向或平行于高溫?zé)煔膺M(jìn)入樞紐空間方向時(shí)，高溫?zé)煔膺M(jìn)入主要是以煙氣層湍流卷吸增厚超越垂壁高度的方式。這種進(jìn)入形式的速度和煙氣攜溫量要遠(yuǎn)小于1）的情況。

6 結(jié)論

利用模塊式火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建了縮比3層住宅單元模型，初步分析了住宅單元室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的情況，進(jìn)行了高溫?zé)煔饬鲃?dòng)和火災(zāi)蔓延的試驗(yàn)研究和分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)火災(zāi)的以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)和規(guī)律。

1）非燃燒房間與燃燒房間的連通形式是影響高溫?zé)煔饬鲃?dòng)的主要因素。當(dāng)非燃燒房間與燃燒房間的連通形式較為直接時(shí)，高溫?zé)煔庀蚍侨紵块g的流動(dòng)和擴(kuò)散也較為快，該房間的溫度增加值也較高。

2）由于住宅建筑中各房間均通過樞紐空間聯(lián)系，任一起火房間的高溫?zé)煔饩鶎⑾冗M(jìn)入樞紐空間，然后再向其他房間擴(kuò)散，因此，樞紐空間的構(gòu)造形式（如尺寸，各房間門的相對(duì)位置等）對(duì)室內(nèi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)具有決定性。

3）房間室門上方的過墻（或稱為垂壁）具有阻礙煙氣流動(dòng)的作用，由于煙氣層貼天花板底水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)室門上方垂壁高度大于煙氣層厚度時(shí)，將有效減緩或改變煙氣水平運(yùn)動(dòng)速度或方向；同理，高溫?zé)煔飧走M(jìn)入或流出大開敞空間（如客廳、廚房等），在面對(duì)起火房間相同位置情況下，高溫?zé)煔膺M(jìn)入非起火房間速度和溫度僅與室門上方垂壁高度有關(guān)。

4）當(dāng)火源點(diǎn)確定后，煙氣的運(yùn)動(dòng)模式是固定的，但是煙氣運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象受到了空間形式的影響，也就是說空間形式對(duì)高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)具有一定規(guī)律性影響。對(duì)于不同單元起火、樞紐空間構(gòu)造、各單元開口程度及隔墻位置等影響因素的機(jī)理分析，將結(jié)合煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

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