長(zhǎng)直走廊機(jī)械排煙口布置方式對(duì)煙氣流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

長(zhǎng)直走廊機(jī)械排煙口布置方式對(duì)煙氣流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

何友龍

(江西省公安消防總隊(duì))

摘要：長(zhǎng)直走廊是人員行走的主要通道，也是火災(zāi)時(shí)人員逃生的必經(jīng)之路。因此，探索出適合長(zhǎng)直走廊的排煙口布置方式對(duì)控制煙氣在走廊內(nèi)的蔓延、減少火災(zāi)所造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。本文結(jié)合南昌市實(shí)際，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法對(duì)頂部風(fēng)機(jī)排煙方式、側(cè)面風(fēng)機(jī)排煙方式下走廊煙氣的流動(dòng)進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果表明：頂部風(fēng)機(jī)排煙方式最有利于走廊的排煙，煙氣層溫度最小、走廊能見度最高；擋煙垂壁的擋煙作用使得煙氣蔓延至走廊盡頭的時(shí)間延遲大約10s，因此，加設(shè)擋煙垂壁有利于走廊排煙；側(cè)面風(fēng)機(jī)排煙方式下，煙氣層溫度較高，走廊下部煙氣層對(duì)空氣的卷吸作用顯著，不利于人員疏散。

關(guān)鍵詞：走廊機(jī)械排煙擋煙垂壁實(shí)驗(yàn)?zāi)M

在各類火災(zāi)中，建筑火災(zāi)對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)的危害最大、最直接[1]，而眾多的火災(zāi)案例表明，煙氣是造成火災(zāi)中人員傷亡的最主要因素[2-5]，筆者通過(guò)對(duì)近些年人員密集場(chǎng)所火災(zāi)案例的分析后發(fā)現(xiàn)，如何有效的控制火災(zāi)時(shí)煙氣的流動(dòng)，對(duì)保證人員安全疏散以及消防滅火救援行動(dòng)的展開起著重要的作用[6]。

一、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)主要研究機(jī)械排煙口布置方式對(duì)走廊煙氣的流動(dòng)的影響，故火源材料經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選擇了燃燒時(shí)產(chǎn)煙量較大的橡膠產(chǎn)品，并在點(diǎn)火位置附近點(diǎn)燃純酒精以提高煙氣層的溫度，便于測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)的走廊按照《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB50045-95)》進(jìn)行比例縮小，實(shí)驗(yàn)中所采用的風(fēng)機(jī)的規(guī)格如表所示，所采用的擋煙垂壁亦是按照規(guī)范縮小，尺寸為5cm。[7]

表1　排煙風(fēng)機(jī)的規(guī)格

實(shí)驗(yàn)所需測(cè)量的數(shù)據(jù)為煙氣層溫度和煙氣層高度，煙氣層溫度的測(cè)量通過(guò)安裝熱電偶來(lái)實(shí)現(xiàn)；而煙氣層高度的測(cè)量需要按照走廊的尺寸來(lái)繪制醒目的坐標(biāo)系圖紙，并粘貼在走廊的一側(cè)，選擇走廊在實(shí)驗(yàn)中都能看到的視野點(diǎn)放置錄影設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)保存的影像按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行讀數(shù)，便可得到煙氣層高度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1　實(shí)驗(yàn)走廊意圖

二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

表2　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一覽表

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

煙氣層溫度數(shù)據(jù)為熱電偶顯示的讀數(shù)，每5秒記一次讀數(shù)；煙氣層高度數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)錄像，讀取走廊背景的坐標(biāo)數(shù)值，每10秒記一次讀數(shù)。將記錄好的數(shù)據(jù)輸入電腦后，制成統(tǒng)計(jì)表格，并繪制曲線進(jìn)行分析和對(duì)比。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1號(hào)位置距離著火源最近，不同的實(shí)驗(yàn)的煙氣層高度和溫度的數(shù)據(jù)變化并不顯著；2號(hào)位置煙氣量比較穩(wěn)定，不同的實(shí)驗(yàn)中煙氣層高度和溫度的數(shù)據(jù)變化顯著，能夠反映出各個(gè)排煙口布置方式對(duì)煙氣流動(dòng)的影響；3號(hào)位置的煙氣層高度和溫度的數(shù)據(jù)對(duì)有否擋煙垂壁有明顯變化；4號(hào)位置的相關(guān)數(shù)據(jù)制成的曲線能夠反映不同排煙方式(自然排煙條件、頂部風(fēng)機(jī)排煙、側(cè)面風(fēng)機(jī)排煙)下煙氣的流動(dòng)趨勢(shì)。因此，選擇2號(hào)位置為實(shí)驗(yàn)的主要分析測(cè)點(diǎn)，并同時(shí)結(jié)合3號(hào)、4號(hào)位置的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)明各個(gè)不同排煙口布置方式對(duì)走廊煙氣流動(dòng)的影響。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2中，燃燒開始后，1號(hào)位置煙氣層高度逐漸增加并在100s時(shí)達(dá)到最大約18cm，之后緩慢下降，并在320s時(shí)降到最低約8cm。2號(hào)位置煙氣層高度煙氣層高度逐漸增加，并在100s時(shí)達(dá)到最大，之后逐漸下降，并在320s時(shí)降到4cm。3號(hào)位置煙氣層高度逐漸增加，在70s時(shí)達(dá)到最大18cm，之后有小幅波動(dòng)，接著緩慢下降，與320s時(shí)降到最低4cm。4號(hào)位置煙氣層高度逐漸增加，并在70s到150s基本保持不變，之后慢慢下降。

圖2　實(shí)驗(yàn)1煙氣層高度曲線圖

圖3　實(shí)驗(yàn)2煙氣層高度曲線圖

圖3中，在燃燒開始，1號(hào)位置煙氣層高度緩慢增加，在100s時(shí)達(dá)到最大約18cm，之后煙氣層高度逐漸下降。2號(hào)位置煙氣層高度緩慢增加，在100s時(shí)達(dá)到最大約22cm，之后煙氣層高度逐漸下降。3號(hào)位置煙氣層高度開始增加緩慢，30s后增加速度加快，并在100s時(shí)達(dá)到最大值15cm，之后逐漸下降。4號(hào)位置煙氣層高度逐漸增加，在100s時(shí)達(dá)到最大約20cm，之后煙氣層高度逐漸下降。

圖4中，隨著燃燒的開始，1號(hào)位置煙氣層高度逐漸升高，在20s時(shí)達(dá)到最大，之后保持不變。2號(hào)位置煙氣層高度逐漸升高，在80s時(shí)達(dá)到最大值20cm，之后逐漸下降至200s后基本保持不變。3號(hào)位置的曲線先逐漸上升，期間還有波動(dòng)，至160s時(shí)達(dá)到最大值24cm，之后逐漸下降至180s之后基本保持不變。4號(hào)位置煙氣層高度40s之前基本不變，之后急劇升高至20cm，之后又基本不變，后又升高至24cm，之后基本保持不變。

圖4　實(shí)驗(yàn)4煙氣層高度曲線圖

圖5　實(shí)驗(yàn)5煙氣層高度曲線圖

圖5中，在燃燒開始后，1號(hào)位置煙氣層高度急劇增加，在30s時(shí)達(dá)到最大約10cm，之后煙氣層高度基本保持不變。2號(hào)位置煙氣層高度在燃燒開始后急劇增加，在30s時(shí)達(dá)到最大約10cm，之后煙氣層高度至120s基本保持不變，之后下降保持不變交替進(jìn)行。3、4號(hào)位置煙氣層高度一直為0。

圖6　實(shí)驗(yàn)6煙氣層高度曲線圖

圖6中，1號(hào)位置煙氣層高度在火災(zāi)初期迅速上升至10cm，并持續(xù)處于較穩(wěn)定狀態(tài)，2號(hào)位置煙氣層高度不斷增加，在100s時(shí)達(dá)到最大值26cm后出現(xiàn)小幅波

動(dòng)，隨后曲線呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，3號(hào)位置煙氣層高度不斷增加，在90s時(shí)達(dá)到最大值28cm后出現(xiàn)小幅波動(dòng)，隨后曲線呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，4號(hào)位置煙氣層高度在火災(zāi)初期迅速達(dá)到最高值30cm，并一直持續(xù)到130s，隨后緩慢下降至230s，繼而迅速下降至0。

圖7中，1號(hào)位置煙氣層高度在80s時(shí)就到達(dá)最高點(diǎn)20cm，最高點(diǎn)附近出現(xiàn)小幅波動(dòng)，曲線繼而呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，2號(hào)位置煙氣層高度在火災(zāi)初期迅速上升，在80s時(shí)至其最高值16cm，并維持此值至200s，隨后煙氣層高度曲線緩慢下降至0，3號(hào)位置煙氣層高度在火災(zāi)發(fā)生后50s后迅速上升，在80s時(shí)至其最高值16cm，隨后煙氣層高度曲線緩慢下降，其間伴隨小幅波動(dòng)，4號(hào)位置煙氣層高度在60s時(shí)開始增長(zhǎng)，在200s達(dá)到最大值24cm，然后由于風(fēng)機(jī)作用迅速下降。

通過(guò)研究圖8，在2號(hào)位置與3號(hào)位置之間加設(shè)了擋煙垂壁后，由于擋煙垂壁阻擋煙氣的作用使得煙氣流動(dòng)受阻，沿著分界面向下蔓延，在2號(hào)測(cè)點(diǎn)位置積聚，因此2號(hào)位置加設(shè)擋煙垂壁后的煙氣層高度要比未加設(shè)的值要大。

圖8　各實(shí)驗(yàn)2號(hào)測(cè)點(diǎn)煙氣層高度曲線圖

圖9中，各實(shí)驗(yàn)中3號(hào)、4號(hào)位置的煙氣層高度曲線反映了不同排煙方式及不同排煙口的位置條件下高度曲線的趨勢(shì)不同。

自然排煙方式的高度曲線迅速上升，且有明顯的峰值，之后緩慢下降；頂部風(fēng)機(jī)排煙方式的高度曲線相比而言起伏比較?。粋?cè)面風(fēng)機(jī)排煙方式的高度曲線緩慢上升到峰值，且峰值持續(xù)出現(xiàn)，繼而緩慢下降。

各排煙方式中，在2號(hào)與3號(hào)位置之間加設(shè)擋煙垂壁的實(shí)驗(yàn)得到的高度曲線與未加擋煙垂壁的曲線相比，曲線中各個(gè)值均有所減小，使得加設(shè)擋煙垂壁后曲線出現(xiàn)了滯后性，表明了擋煙垂壁對(duì)防煙工程有顯著效果。

圖9　各實(shí)驗(yàn)3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)煙氣層高度曲線圖

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到煙氣在走廊中的流動(dòng)過(guò)程：當(dāng)長(zhǎng)直走廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入到長(zhǎng)直走廊時(shí)，熱煙氣流從房門上檐射出，將形成一個(gè)短小的浮力羽流撞擊走廊頂棚，從而形成走廊頂棚射流。熱煙氣沿走廊頂棚向前蔓延，走廊內(nèi)的煙氣出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，熱煙氣流動(dòng)邊界與它前面的環(huán)境冷空氣的前緣相互作用形成一個(gè)跳躍狀態(tài)。走廊下部的冷空氣被卷吸進(jìn)來(lái)，且煙氣層下部流動(dòng)速度減慢。熱煙氣沿走廊頂棚不斷蔓延，直至走廊盡頭，煙氣經(jīng)過(guò)走廊末端敞開的開口排出。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)按照實(shí)驗(yàn)5在走廊設(shè)置擋煙垂壁，并在擋煙垂壁靠近著火房間的一側(cè)設(shè)置頂部風(fēng)機(jī)機(jī)械排煙時(shí)，可燃物開始燃燒，進(jìn)入長(zhǎng)直走廊的煙氣沿著走廊頂棚向前蔓延，煙氣流動(dòng)至風(fēng)機(jī)處被抽出；隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，煙氣量不斷增加，未被風(fēng)機(jī)及時(shí)抽出的煙氣繼續(xù)沿頂棚向前流動(dòng)，撞擊擋煙垂壁后，煙氣被反射回來(lái)，并沿著走廊和擋煙垂壁壁面向下蔓延，由于風(fēng)機(jī)的作用，煙氣在擋煙垂壁的下部回流，被風(fēng)機(jī)抽出。實(shí)驗(yàn)中并幾乎沒(méi)有煙氣越過(guò)擋煙垂壁向另一側(cè)蔓延，所以走廊3、4號(hào)位置幾乎沒(méi)有煙氣。因此，此排煙口布置方式使得火災(zāi)過(guò)程中走廊的煙氣層高度相對(duì)較低，能夠保證一定的疏散所需能見度，是實(shí)驗(yàn)效果最好的排煙方式。

此外，本次實(shí)驗(yàn)還探索了將風(fēng)機(jī)裝在走廊側(cè)面對(duì)走廊煙氣流動(dòng)的影響。將風(fēng)機(jī)裝在走廊側(cè)面后，煙氣沿著走廊頂棚蔓延，靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)流動(dòng)的煙氣被風(fēng)機(jī)排出；未排出的部分沿著走廊頂棚繼續(xù)蔓延，只有少許煙氣通過(guò)走廊盡頭的開口流到室外，風(fēng)機(jī)的作用一定程度上也加速了外部空氣的進(jìn)入，外部空氣的進(jìn)入對(duì)煙氣層下部產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)了明顯的卷吸現(xiàn)象，大部分煙氣隨著空氣回流至風(fēng)機(jī)處而被排出。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，下部煙氣層對(duì)空氣的卷吸作用十分顯著，此現(xiàn)象從火災(zāi)發(fā)生初期約50秒出現(xiàn)到3分50秒結(jié)束，持續(xù)時(shí)間近3分鐘，占該實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)的44%。此現(xiàn)象使得走廊下部空氣中有毒有害氣體和煙塵的含量增加，含氧量減少，能見度降低，很不利于人員逃生。因此，此方式不能作為最好的排煙方式。

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