非封閉式天井開口對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

文康

摘要：本文采用數(shù)值模擬軟件FDS模擬了不同開口尺寸、數(shù)量及位置對(duì)非封閉式天井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律的影響。研究表明，非封閉式天井溫度（煙囪效應(yīng)）隨開口寬度增大先緩慢下降（減弱），然后迅速降低（減弱），當(dāng)開口寬度達(dá)到一定比例后，溫度（煙囪效應(yīng)）幾乎不變。開口總寬度相同，僅有1個(gè)開口時(shí)，開口處巻吸氣流較為集中，對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的擾動(dòng)較大，開口數(shù)量增加到2個(gè)和3個(gè)時(shí)，火災(zāi)煙氣受開口數(shù)量的影響較小。與開口位于火源同側(cè)相比，開口位于火源不同側(cè)更容易產(chǎn)生火旋風(fēng)，更有利于火災(zāi)煙氣豎向蔓延。

關(guān)鍵詞：非封閉式天井;火災(zāi)煙氣;煙囪效應(yīng);溫度;火旋風(fēng)

中圖分類號(hào)：TU998.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）04-0012-04

非封閉式天井在高層住宅建筑中較為常見，天井對(duì)建筑防火較為不利，發(fā)生火災(zāi)時(shí)容易產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)非封閉式天井火災(zāi)煙氣蔓延的研究多集中在凹槽型，如陳龍飛等學(xué)者[1-3]研究了凹槽型天井進(jìn)深和寬度對(duì)天井火災(zāi)煙氣蔓延的影響，李建濤等學(xué)者[4-6]研究了凹槽型天井結(jié)構(gòu)因子（凹槽進(jìn)深與寬度的比值）對(duì)天井火災(zāi)煙氣蔓延的影響，袁滿[7]研究了在天井面積相同、形狀不同的情況下凹槽型天井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律，尹越等學(xué)者[8-9]研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)因子凹槽型天井火災(zāi)煙氣蔓延的影響。國內(nèi)學(xué)者對(duì)其他開口形式非封閉式天井的火災(zāi)煙氣蔓延鮮有研究，本文將對(duì)非封閉式天井的開口尺寸、數(shù)量及開口位置對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響進(jìn)行研究。

1? 研究內(nèi)容

1.1? 研究模型

潘曉菲[5]等人的研究表明，凹槽模型結(jié)構(gòu)因子（凹槽進(jìn)深與凹槽寬的比值）不小于0.6時(shí)，凹槽模型才具備一定的煙囪效應(yīng)。本文研究模型結(jié)構(gòu)因子為1.0，利用FDS軟件建立一個(gè)長、寬、高分別為4.0m、4.0m、40.0m的天井，火源位置位于天井正中心，火源尺寸為2.0m×2.0m，火源功率為4.0MW。天井中心豎向共設(shè)置13個(gè)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為T1～T13），測(cè)點(diǎn)布置間距3.0m，最下緣測(cè)點(diǎn)距地面高度3.0m，研究模型如圖1所示。

1.2? 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

開口數(shù)量為1，研究開口尺寸對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，研究工況如表1所示。

總開口寬度相同、開口均位于天井同側(cè)，研究開口數(shù)量對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，研究工況如表2所示。

開口總寬度相同、開口數(shù)量為2，研究開口位置對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，研究工況如圖2所示。

2? 研究結(jié)果

2.1? 開口寬度對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

2.1.1? 壓差分析

圖3為非封閉式天井中心位置壓差（測(cè)點(diǎn)與環(huán)境之間壓差）隨豎向高度變化圖（火災(zāi)400～500s的平均值），開口寬度占比37.5%及以下時(shí)（A1～A3工況），天井內(nèi)壓差（絕對(duì)值）較大，且壓差隨豎向高度變化較快，說明天井內(nèi)煙囪效應(yīng)較強(qiáng);當(dāng)天井開口寬度占比達(dá)到50.0%時(shí)（A4工況），天井內(nèi)壓差迅速減小，煙囪效應(yīng)明顯減弱;當(dāng)天井開口寬度占比達(dá)到62.5%及以上時(shí)（A5～A8工況），天井內(nèi)壓差變化減弱，煙囪效應(yīng)進(jìn)一步減弱。

2.1.2? 溫度分析

圖4為非封閉式天井中心位置溫度（火災(zāi)400～500 s的平均值）隨豎向高度變化圖，開口寬度占比37.5%及以下時(shí)（A1～A3工況），天井內(nèi)火災(zāi)燃燒較穩(wěn)定，溫度分布受開口寬度的影響較小;當(dāng)天井開口寬度占比達(dá)到50%時(shí)（A4工況），天井內(nèi)火災(zāi)煙氣受巻吸氣流影響，高溫?zé)煔獗淮抵撂炀诿嫦蛏下?，天井中心處煙氣溫度急劇降?隨著天井開口寬度進(jìn)一步增大（A5～A8工況），氣流擾動(dòng)對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延影響下降，火災(zāi)煙氣溫度隨開口寬度增加變化不大。

2.2? 開口數(shù)量對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

2.2.1? 壓差分析

圖5為非封閉式天井中心位置壓差隨豎向高度變化圖，在開口總寬度不變的情況下，開口數(shù)量增加，豎向壓差減?。ń^對(duì)值），煙囪效應(yīng)減弱。

?。ń^對(duì)值），煙囪效應(yīng)減弱。

2.2.2? 溫度分析

圖6為非封閉式天井中心位置溫度隨豎向高度變化圖，研究表明開口數(shù)量為1個(gè)時(shí)（B1工況），進(jìn)入天井內(nèi)的空氣氣流集中，氣流對(duì)煙氣擾動(dòng)較大，火災(zāi)煙氣沿天井壁面向上蔓延，火災(zāi)中心處的溫度相對(duì)較低;當(dāng)開口數(shù)量增加到2個(gè)（B2工況）、3個(gè)（B3工況）時(shí)，進(jìn)入天井的氣流分散，氣流擾動(dòng)效果降低，兩工況天井中心處溫度相差不大。

2.3? 開口位置對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

2.3.1? 壓差分析

圖7為非封閉式天井中心位置壓差隨豎向高度變化圖，可以看出C1工況和C3工況的煙囪效應(yīng)相近，C2工況、C4工況、C5工況煙囪效應(yīng)相近，而前者煙囪效應(yīng)明顯弱于后者。

C2工況、C4工況、C5工況的最高溫度明顯高于C1工況和C3工況。

2.3.2? 溫度分析

圖8為非封閉式天井中心位置不同測(cè)點(diǎn)位置溫度的樣本標(biāo)準(zhǔn)差（火災(zāi)穩(wěn)定階段400～500s的數(shù)據(jù)），樣本標(biāo)準(zhǔn)差的值越大，說明溫度變化越劇烈，可以看出C2工況、C4工況、C5工況溫度變化劇烈程度明顯高于C1工況、C3工況。圖9是非封閉式天井內(nèi)不同高度處火災(zāi)500s內(nèi)的最高溫度圖，可以看出C2工況、C4工況、C5工況的最高溫度明顯高于C1工況和C3工況。

這是由于火災(zāi)煙氣在豎向狹長的非封閉式天井內(nèi)容易產(chǎn)生旋渦，C2工況、C4工況、C5工況的開口位于火源不同側(cè)，開口卷吸進(jìn)入的空氣圍繞火源旋轉(zhuǎn)有利于火旋風(fēng)的形成，有利于高溫?zé)煔庳Q向蔓延;當(dāng)開口位于火源同側(cè)時(shí)，不同開口卷吸進(jìn)入的空氣氣流相遇，氣流紊亂不利于旋渦的形成。

3? 結(jié)語

本文利用FDS數(shù)值模擬軟件建立了非封閉式天井模型，分析了開口尺寸、數(shù)量及位置對(duì)非封閉式天井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，主要研究結(jié)果如下：

在本文設(shè)定的計(jì)算模型下，開口寬度占比37.5%及以下時(shí)，天井火災(zāi)煙氣蔓延受開口寬度影響較小，天井豎向壓差、溫度基本不隨開口寬度變化而變化，天井煙囪效應(yīng)較強(qiáng)、溫度較高;天井開口寬度占比達(dá)到50.0%時(shí)，天井火災(zāi)煙氣受開口寬度影響急劇變大，天井煙囪效應(yīng)快速減弱、溫度急劇降低;天井開口寬度占比62.5%及以上時(shí)，天井火災(zāi)煙氣與室外空氣得到了充分交換，天井豎向壓差、溫度隨開口寬度的增加幾乎不變。

在開口總寬度不變的情況下，開口數(shù)量增加煙囪效應(yīng)減弱。僅有1個(gè)開口時(shí)，開口處卷吸空氣氣流集中，火災(zāi)煙氣受氣流擾動(dòng)影響天井中心處溫度較低;當(dāng)開口數(shù)量增加到2個(gè)和3個(gè)時(shí)，卷吸氣流的擾動(dòng)影響很小，火災(zāi)煙氣蔓延幾乎不受開口數(shù)量的影響。

與開口位于火源同側(cè)比，開口位于火源不同側(cè)的天井煙囪效應(yīng)更強(qiáng)，更有利于火災(zāi)煙氣豎向蔓延。這是因?yàn)榉欠忾]式天井有多個(gè)開口的情況下，當(dāng)開口位于火源同側(cè)時(shí)，不同開口卷吸進(jìn)入的空氣氣流相遇導(dǎo)致氣流紊亂，而當(dāng)開口位于火源不同側(cè)時(shí)，開口卷吸進(jìn)入的空氣圍繞火源旋轉(zhuǎn)形成火旋風(fēng)。

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