孫國(guó)祥

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種高層建筑數(shù)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(fā)生火災(zāi)時(shí)，一旦防排煙系統(tǒng)未發(fā)揮作用，煙氣進(jìn)入豎井就極易產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，從而導(dǎo)致煙氣在建筑內(nèi)豎向蔓延加劇，進(jìn)而危及其他樓層。與此同時(shí)，在煙囪效應(yīng)抽吸作用下，大量新鮮空氣流入建筑內(nèi)部，促使火勢(shì)迅速擴(kuò)大，引燃周圍可燃物。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)高層建筑豎向通道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)特征，尤其是煙囪效應(yīng)現(xiàn)象開(kāi)展了大量研究。張靖巖通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了煙囪效應(yīng)實(shí)際上是豎井內(nèi)外壓差與煙氣自身浮力聯(lián)合作用的猜想。李一帆等發(fā)現(xiàn)同等條件下，開(kāi)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(fā)現(xiàn)在火災(zāi)熱煙氣誘導(dǎo)的煙囪效應(yīng)中，高層建筑內(nèi)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(fēng)環(huán)境中。

前人的研究只針對(duì)豎井頂部外窗開(kāi)啟的場(chǎng)景，在實(shí)際情況中豎井空間結(jié)構(gòu)的外窗開(kāi)口可能在任意樓層開(kāi)啟，那么當(dāng)豎井的外窗開(kāi)口在不同的樓層開(kāi)啟時(shí)，豎井-走廊空間內(nèi)的煙氣會(huì)出現(xiàn)哪些蔓延特征，目前還沒(méi)有相關(guān)研究。因此，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用FDS 火災(zāi)數(shù)值模擬室外正向風(fēng)環(huán)境下，豎井上的外窗開(kāi)口開(kāi)啟高度不同時(shí)，分析正向風(fēng)速、走廊火源位置以及豎井窗口開(kāi)啟高度對(duì)豎井煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

1 數(shù)值建模

本文采用FDS 軟件建立了如下圖1 所示的數(shù)值模擬計(jì)算模型。在計(jì)算模型中，豎井由6 層組成，每層高0.50m，豎井水平截面長(zhǎng)0.75 m，寬0.50m。走廊長(zhǎng)2.00m，寬0.50m，高0.50m。走廊兩端各有一個(gè)門，其中門洞1 連接著走廊和外界環(huán)境，門洞2 連接著走廊和豎井，門寬0.30m、高0.35m。室外風(fēng)的具體位置，可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行調(diào)整，一樓升高到六樓，其中六樓窗口開(kāi)啟的工況與前人文獻(xiàn)中研究的工況相對(duì)應(yīng)，可以作為數(shù)值模擬研究與實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)比參照。

圖1 利用FDS 建立的豎井——走廊建筑空間數(shù)值模擬計(jì)算模型

室外風(fēng)速設(shè)定為0.74m/s，0.86m/s，1.00m/s 和1.26m/s。火源尺寸為10cm×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(shí)間為200s，室內(nèi)溫度為20℃，環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。為準(zhǔn)確捕捉走廊熱煙氣流入豎井空間后的蔓延擴(kuò)散特征，豎井中間位置豎向設(shè)置15 個(gè)熱電偶，間隔0.20m，用來(lái)測(cè)量溫度變化；在門洞1 處豎向設(shè)置4 個(gè)速度探針用來(lái)測(cè)量流過(guò)門洞1 的氣體流速。在中軸線上設(shè)置了slice 切片功能，測(cè)量空間整體的溫度分布特征。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

表1 給出了外界風(fēng)的風(fēng)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(kāi)啟高度在6 層樓時(shí)，煙氣在蔓延擴(kuò)散過(guò)程中典型特征的數(shù)值模擬結(jié)果匯總。從表中可以看出，在火災(zāi)發(fā)展前期的階段，走廊煙氣并沒(méi)有進(jìn)入豎井空間；在火災(zāi)發(fā)展后期，當(dāng)外界風(fēng)風(fēng)速為0.74m/s 時(shí)，走廊煙氣最終進(jìn)入豎井空間形成了煙囪效應(yīng)，而當(dāng)外界風(fēng)速為0.86m/s、1.00m/s 和1.26m/s 時(shí)，走廊煙氣最終沒(méi)有進(jìn)入豎井空間。

外界風(fēng)速為0.74m/s 的場(chǎng)景，火災(zāi)初起階段，煙氣未充滿整個(gè)走廊上部空間，外界風(fēng)通過(guò)豎井窗戶開(kāi)口進(jìn)入豎井，經(jīng)過(guò)門洞2 流向走廊，致使火焰向遠(yuǎn)離豎井方向傾斜；隨著火災(zāi)發(fā)展，煙氣充滿整個(gè)走廊上部，由于通過(guò)豎井流入的外部空氣流速比較小，無(wú)法阻擋熱煙氣通過(guò)連接門洞2 流入豎井，熱煙氣進(jìn)入豎井開(kāi)始形成煙囪效應(yīng)，抵擋外界風(fēng)的流入，火焰也不再發(fā)生傾斜。隨著越來(lái)越多熱煙氣流入豎井，豎井內(nèi)外溫差升高，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，不僅完全抵擋外界風(fēng)流入，而且通過(guò)抽吸作用使大量熱煙氣進(jìn)入豎井，并通過(guò)門洞1 進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，造成走廊內(nèi)氣流場(chǎng)流向反轉(zhuǎn)，火焰也最終向豎井方向偏轉(zhuǎn)。而外界風(fēng)速為0.86m/s、1.00m/s 以及1.26m/s 的場(chǎng)景，從表1 可以看出，不論是初始階段，還是最終穩(wěn)定階段，走廊內(nèi)火災(zāi)煙氣均未能進(jìn)入豎井空間形成煙囪效應(yīng)，火焰始終向門洞1 方向傾斜，說(shuō)明整個(gè)豎井-走廊空間內(nèi)的氣流場(chǎng)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(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。

表1 火源靠近門洞1 時(shí)，不同外界風(fēng)速條件下豎井—走廊空間煙氣蔓延擴(kuò)散特征模擬結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)信息可知，當(dāng)外界風(fēng)的風(fēng)速大于等于0.86m/s 時(shí)，走廊內(nèi)的火災(zāi)煙氣就無(wú)法進(jìn)入豎井空間形成煙囪效應(yīng)。

2.2 外界風(fēng)的影響

從表2 匯總結(jié)果可以看出，對(duì)于火源在走廊一端靠近門洞1 的場(chǎng)景，外界風(fēng)速V≥0.86m/s 時(shí)，走廊內(nèi)的火災(zāi)煙氣就無(wú)法進(jìn)入豎井空間形成煙囪效應(yīng)；而對(duì)于火源位于走廊中間位置的場(chǎng)景，當(dāng)外界風(fēng)速V≥1.26m/s 時(shí)，才能完全抑制走廊熱煙氣進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)。走廊內(nèi)火災(zāi)煙氣能否進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)，主要取決于外界風(fēng)風(fēng)速的大小，跟豎井窗口開(kāi)啟高度的關(guān)系不大。

表2 走廊煙氣是否進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)的模擬結(jié)果匯總

當(dāng)外界風(fēng)速為1.00m/s 時(shí)，豎井窗口開(kāi)啟位置在1 層和6 層的場(chǎng)景下，熱煙氣仍進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)，豎井窗口開(kāi)啟位置在2 層至5 層時(shí)雖然有微量熱煙氣流入豎井，但是并沒(méi)有形成煙囪效應(yīng)，這主要是由于豎井窗口開(kāi)啟位置在1 層或者6 層時(shí)，熱煙氣在初始階段通過(guò)門洞2 少量持續(xù)的流入豎井，并最終形成煙囪效應(yīng)；而當(dāng)豎井窗口開(kāi)啟位置在2 層至5 層時(shí)，通過(guò)門洞2 進(jìn)入豎井熱煙氣量比較少，且為間歇性的流入，在上升過(guò)程中該部分熱煙氣溫度快速冷卻，無(wú)法形成煙囪效應(yīng)抵擋外界風(fēng)流入。

綜上可知，外界風(fēng)對(duì)走廊火災(zāi)煙氣進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)具有重要抑制作用，外界風(fēng)速越大，抑制作用越強(qiáng)。當(dāng)外界風(fēng)速增大到一定程度，走廊內(nèi)的火災(zāi)煙氣將無(wú)法進(jìn)入豎井，無(wú)法形成煙囪效應(yīng)。

2.3 走廊火源位置的影響

如表3 所示，在外界風(fēng)速為0.86m/s，火源位于靠近門洞1時(shí)，走廊內(nèi)熱煙氣并沒(méi)有進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)，而當(dāng)火源位于走廊中間位置時(shí)，走廊熱煙氣成功進(jìn)入豎井，形成了煙囪效應(yīng)。由此可知，火源具體位置對(duì)走廊火災(zāi)煙氣能否進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)具有重要影響。

從表3 中可以看出，當(dāng)火源位于走廊門洞口1 附近時(shí)，由于外界風(fēng)通過(guò)豎井-走廊空間形成了相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)流場(chǎng)，火源燃燒產(chǎn)生的熱煙氣很大一部分被直接吹到走廊之外，導(dǎo)致留在走廊內(nèi)煙氣量少且溫度低，無(wú)法進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)；而當(dāng)火源位于走廊中間時(shí)，初期階段盡管有穩(wěn)定的風(fēng)流場(chǎng)，但是火源燃燒產(chǎn)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(dǎo)致走廊煙氣量大溫度高，產(chǎn)生的熱浮力大，相對(duì)比較容易地進(jìn)入豎井最終形成煙囪效應(yīng)，而且隨著豎井窗戶開(kāi)口從1 層位置上升到6 層高度時(shí)，進(jìn)入豎井熱煙氣量是逐漸增大的。由此可知，走廊煙氣能否進(jìn)入豎井空間并形成煙囪效應(yīng)，走廊熱煙氣自身的熱物特性是其中一個(gè)決定因素，而火源具體位置對(duì)于走廊熱煙氣自身熱物特性具有重要影響?；鹪催h(yuǎn)離門洞1，走廊可以積聚更多的高溫火災(zāi)煙氣，有利于形成煙囪效應(yīng)。

表3 外界風(fēng)速為0.86m/s 的空間溫度分布云圖

表3 續(xù)

2.4 豎井窗口開(kāi)啟高度的影響

圖2 給出了外界風(fēng)速為0.74m/s 和0.86m/s，火源位于走廊中間位置時(shí)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(kāi)啟高度從1 層升高到4 層，豎井空間內(nèi)相同位置處的溫度是逐漸上升的，而豎井窗口開(kāi)啟高度從4 層升高的6 層的過(guò)程中，豎井空間內(nèi)相同位置處的溫度基本上不變。這說(shuō)明在豎井窗口開(kāi)啟高度從1 層升高到4 層的過(guò)程中，豎井內(nèi)熱煙氣形成的熱煙氣效應(yīng)是逐漸增強(qiáng)的，而且在與外界風(fēng)的相互作用過(guò)程中，逐漸呈現(xiàn)主導(dǎo)作用，外界風(fēng)對(duì)煙囪效應(yīng)的抑制作用在逐漸降低；而在豎井窗戶開(kāi)啟高度從4 層升高到6 層的過(guò)程中，豎井空間內(nèi)相同位置處溫度基本不變，這說(shuō)明煙囪效應(yīng)已經(jīng)完全發(fā)揮主導(dǎo)作用，外界風(fēng)對(duì)煙囪效應(yīng)的抑制作用已經(jīng)基本消失。

圖2 豎井窗口開(kāi)啟高度不同時(shí)，豎井空間內(nèi)不同高度處煙氣溫度值

圖3 給出了外界風(fēng)速為0.74m/s 和0.86m/s，火源位于走廊中間位置時(shí)門洞1 處下部空間空氣流動(dòng)平均速率值。從圖中可以看出，盡管這兩種場(chǎng)景條件下走廊火災(zāi)煙氣均能進(jìn)入豎井形成煙囪效應(yīng)，但是豎井窗口開(kāi)啟高度不同時(shí)，走廊內(nèi)氣流場(chǎng)的流動(dòng)方向是不同的。當(dāng)豎井上窗口開(kāi)啟位置在1 層和2 層時(shí)，門洞1 處的空氣整體上呈現(xiàn)流出走廊的形式，這意味著此時(shí)雖然有火災(zāi)煙氣進(jìn)入豎井空間形成煙囪效應(yīng)，但是煙囪效應(yīng)較弱，外界風(fēng)依然能夠通過(guò)豎井窗口進(jìn)入豎井，進(jìn)入走廊，對(duì)煙囪效應(yīng)具有抑制作用。隨著窗口開(kāi)啟高度從1 層升到2 層，門洞1處的空氣流動(dòng)速率在降低，說(shuō)明煙囪效應(yīng)在增強(qiáng)，外界風(fēng)的抑制作用在減弱。當(dāng)豎井窗口開(kāi)啟在3 層時(shí)，門洞1 處的空氣流向已經(jīng)由流出走廊變?yōu)榱魅胱呃?，形成了穩(wěn)定的補(bǔ)風(fēng)途徑，由此表明煙囪效應(yīng)已經(jīng)足夠強(qiáng)大，外界風(fēng)已經(jīng)無(wú)法通過(guò)豎井窗口流入豎井，進(jìn)入走廊空間。隨著豎井窗口開(kāi)啟樓層的進(jìn)一步升高，補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速也隨之提高，說(shuō)明煙囪效應(yīng)逐步增強(qiáng)，對(duì)走廊的抽吸作用在增強(qiáng)。走廊風(fēng)流場(chǎng)流向的反轉(zhuǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了隨著豎井上窗口開(kāi)啟樓層高度逐漸升高，豎井內(nèi)煙囪效應(yīng)逐漸增強(qiáng)、逐漸克服外界風(fēng)的抑制作用呈現(xiàn)主導(dǎo)作用的過(guò)程。

圖3 豎井窗口開(kāi)啟高度不同時(shí)，門洞1 處下部空間空氣流動(dòng)速率值

對(duì)比外界風(fēng)速為0.74m/s 和0.86m/s 時(shí)門洞1 處下部空間空氣流動(dòng)平均速率可知，在豎井窗口開(kāi)啟樓層在1 層和2 層時(shí)，雖然空氣都是流出走廊，但是外界風(fēng)速為0.86m/s 的場(chǎng)景整體流出速率要比外界風(fēng)速為0.74m/s 的場(chǎng)景大；而當(dāng)在豎井窗口開(kāi)啟樓層在3 層至6 層時(shí)，外界風(fēng)速為0.86m/s 的場(chǎng)景下通過(guò)門洞1 處的補(bǔ)風(fēng)速率又整體相對(duì)偏小，兩者進(jìn)一步證明外界風(fēng)風(fēng)速越大，對(duì)豎井煙囪效應(yīng)的抑制作用越強(qiáng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法針對(duì)外界風(fēng)作用下，豎井窗口開(kāi)啟高度不同時(shí)的豎井——走廊空間內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，得到主要結(jié)論如下：（1）外界正向風(fēng)對(duì)走廊火災(zāi)煙氣進(jìn)入豎井空間形成煙囪效應(yīng)有重要的抑制作用，外界風(fēng)的速度越大，對(duì)走廊火災(zāi)煙氣流入豎井空間的抑制作用就越強(qiáng)?；鹪次恢眠h(yuǎn)離門洞1 便于走廊積聚更多的高溫?zé)釤煔?，有利于形成煙囪效?yīng)。（2）當(dāng)走廊熱煙氣進(jìn)入豎井空間形成煙囪效應(yīng)時(shí)，隨著豎井窗口開(kāi)啟高度的升高，外界風(fēng)的抑制作用逐漸減弱，煙囪效應(yīng)逐漸增強(qiáng)并成為主導(dǎo)作用。隨著煙囪效應(yīng)的增強(qiáng)，走廊內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)的流向發(fā)生反轉(zhuǎn)，空氣由流出變?yōu)榱魅霠顟B(tài)，導(dǎo)致火焰傾斜方向發(fā)生轉(zhuǎn)捩。