小面積房間與走廊中煙霧運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的模擬分析

李俊峰

(山東臨邑縣公安消防大隊(duì)，山東 德州 251500)

通常樓房內(nèi)著火，會(huì)因火勢的蔓延，使整個(gè)走廊內(nèi)煙氣彌漫，向樓梯內(nèi)擴(kuò)散，而后經(jīng)門窗流走?；馂?zāi)發(fā)生初期消防人員極易控制火情也能夠盡快疏散被困人員，是確保人身安全的最佳時(shí)段。掌握該時(shí)段內(nèi)煙氣的流向特點(diǎn)，消防人員才能對失火房間作出準(zhǔn)確的判斷，按照樓梯、走廊、失火房間的行進(jìn)步驟采取救護(hù)措施及滅火工作。因此，針對室內(nèi)及走廊的煙氣流向特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)排煙系統(tǒng)、安全設(shè)置人員疏散預(yù)案以避免樓房內(nèi)煙氣的彌漫，降低火災(zāi)導(dǎo)致的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。故而以模型房間為例，對火災(zāi)初始屋內(nèi)及走廊內(nèi)煙氣流向特點(diǎn)作了進(jìn)一步探討。

一 煙氣流動(dòng)理論分析

1.室內(nèi)煙氣流向特點(diǎn)

樓房內(nèi)起火時(shí)，失火房間內(nèi)的空氣被加熱升溫，燃燒所產(chǎn)生的煙霧及釋放的氣體與周圍空氣密度同比要低，因而會(huì)浮于空氣上方，當(dāng)升至屋頂后流向即刻變?yōu)樾毕蛳逻\(yùn)動(dòng)，此即為頂棚射流。屋頂和墻壁在一定程度上制約著熱煙氣的四散，從而使得熱煙氣上升匯聚在頂棚附近，最終形成熱煙氣層，熱氣層的厚度不斷的增加，當(dāng)它的體積占據(jù)屋門以上的空間并超出屋門上面的邊框時(shí)，便會(huì)有部分熱煙氣形成射流從屋門流向走廊。

2.走廊煙氣流向的特征

以射流形式從居室流入走廊的熱煙氣會(huì)形成一個(gè)個(gè)的浮力羽流并不斷地碰撞走廊的頂棚，而且此時(shí)著火的房間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的射流并向外排出。射流速度要比冷空氣和熱煙氣交界處的重力波速度快得多，在交界處，冷空氣和熱煙氣的末端和前緣相互沖擊從而產(chǎn)生了跳躍氣體。跳躍氣體吸收了大量的環(huán)境空氣，此時(shí)在它下面的熱煙氣流動(dòng)的速度逐漸變慢，質(zhì)量流量由于處于跳躍狀態(tài)時(shí)吸收了大量氣體而增加。熱煙氣撞擊到走廊頂棚之后便四散蔓延，直到充滿整個(gè)頂棚。當(dāng)熱煙氣觸到頂棚邊緣的墻壁上時(shí)，就會(huì)被反彈回來，反彈回來的熱煙氣沿著分界面流動(dòng)，最終折回著火的房間。但持續(xù)反彈過程中并沒有大量環(huán)境空氣可吸收。一般反彈回來的熱煙氣在流動(dòng)到著火房間門口周圍的跳躍點(diǎn)時(shí)，就會(huì)把跳躍氣體吞噬，而且去除了這個(gè)點(diǎn)對底層冷空氣的吸收，反彈活動(dòng)進(jìn)行幾次之后，就會(huì)逐漸削弱最終消失，走廊頂棚的熱煙氣一般厚度均勻，熱煙氣從著火房間流出進(jìn)入走廊，匯集到走廊頂棚，使其厚度不斷增加，并沿著建筑物的頂層四散開去。

(1)制作實(shí)驗(yàn)物理模型。制作房間到走廊的煙氣流動(dòng)模型。為了在試驗(yàn)中更容易更清晰地觀察，我們一般選取耐高溫的透明有機(jī)玻璃作為模型的原材料，制作中，我們必須保證模型的密封性，從而防止煙氣的散失，杜絕外界環(huán)境的的干擾，使火焰在房間的中間位置保持不變。

(2)實(shí)驗(yàn)的過程和解析。實(shí)驗(yàn)的目的是分析火災(zāi)初始階段煙氣的流動(dòng)特點(diǎn)，因此我們一般選用燃燒時(shí)產(chǎn)煙率較高的橡膠制品作為火源的原材料，點(diǎn)燃時(shí)，為了方便引燃橡膠制品，可以在其周圍卷上一層海綿。我們把火源放到模型著火房間底部的中心位置，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行時(shí)，我們通過模型窗口把點(diǎn)燃的火柴伸進(jìn)模型房間引燃海綿。實(shí)驗(yàn)開始后，需要把模型房間的窗戶緊閉，并封閉走廊的末端。在點(diǎn)燃火源后的15s、30s、60s的時(shí)刻，分別記錄房間和走廊中煙氣的狀態(tài)。火源熄滅以后，將走廊末端的密閉擋板拿開，從而了解不同時(shí)間段的煙氣流動(dòng)情況。

從實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象可以知道：火源被點(diǎn)燃之后，會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，這些煙氣上升至房間頂部后，與頂棚發(fā)生碰撞改變流動(dòng)方向，與頂棚成各種角度斜向下流動(dòng)，從而形成頂棚射流。熱煙氣的蔓延受到房間在空間上的限制，它們匯集在房間頂部形成熱煙氣層，這時(shí)候我們可以清晰的看到房間內(nèi)顯示的分層現(xiàn)象。燃燒一直持續(xù)的情況下，熱煙氣層的厚度也在不斷的增大，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度，占滿屋門上端至頂棚的空間，就會(huì)有部分熱煙氣從房間排除，形成煙氣羽流。從房門上邊框以射流形式流入走廊，其會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)浮力羽流并與走廊頂棚發(fā)生碰撞，從而形成頂棚射流。熱煙氣在走廊頂棚不斷地四散蔓延，致使走廊也出現(xiàn)鮮明的分層現(xiàn)象，流動(dòng)的熱煙氣的前端與所觸到的環(huán)境冷空氣相互碰撞從而產(chǎn)生跳躍氣體，且持續(xù)著跳躍狀態(tài)。

3.網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬

網(wǎng)絡(luò)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽绫３纸y(tǒng)一。制作模型時(shí)，建造的模型實(shí)體必須以長方體作為最小單元，它并不具有可以建造傾斜模型實(shí)體、弧狀模型實(shí)體的特殊功效。我們利用分解的方法對不規(guī)則形狀的實(shí)體進(jìn)行研究，通過把某個(gè)不規(guī)則形狀的實(shí)體分解成多少個(gè)小立方體單元來創(chuàng)建，小立方體單元被分解的數(shù)量越多，最后制造的實(shí)體與原實(shí)體就會(huì)越接近。

二 結(jié)論

(1)火災(zāi)發(fā)生的初級階段對小尺寸房間到走廊的煙氣流動(dòng)特征進(jìn)行理論分析探索、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M、網(wǎng)絡(luò)模型模擬。且三種研究方式的結(jié)果具有一致性。從而我們可以得知，各類各樣的建筑物其火災(zāi)場景的煙氣流動(dòng)特點(diǎn)都可以利用與房屋成比例的模型和網(wǎng)絡(luò)模擬方式進(jìn)行形象的展示，從而使研究者以及設(shè)計(jì)人員避免盲目設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑防排煙設(shè)計(jì)的針對性和有效性。

(2)比例模型房間到走廊的煙氣流動(dòng)特點(diǎn)：火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于熱能的作用使有毒的氣體呈直線向上高速上升，從而形成火羽流，毒煙氣上升至房間頂棚后四散蔓延，即產(chǎn)生了頂棚射流;燃燒一直持續(xù)的情況下，會(huì)制造更多的熱煙氣，房間頂部的熱煙氣層厚度不斷增加，體積不斷擴(kuò)大，當(dāng)煙氣層充滿整個(gè)房間頂部，且抵達(dá)屋門上邊框時(shí)便會(huì)從屋門上檐以煙氣羽流的形式射出，此煙氣羽流進(jìn)入走廊后與走廊頂棚撞擊會(huì)形成頂棚射流，且這個(gè)位置的熱煙氣流速較大。熱煙氣在走廊頂棚四散流動(dòng)，最后與走廊盡頭的墻壁發(fā)生碰撞，然后被反彈回來至分界面，這樣的反彈在持續(xù)發(fā)生幾次后會(huì)不復(fù)存在，最后熱煙氣會(huì)占滿整個(gè)房間以及走廊。

［1］孫萌陽.基于物理模型的煙霧模擬技術(shù)的研究［D］.新疆大學(xué).2010

［2］翟松青.脈動(dòng)風(fēng)場中煙霧模擬方法的優(yōu)化研究［D］.燕山大學(xué).2010