第二章火災煙氣的流動2.1煙氣流動的驅動力2.1.1熱浮力引起的煙氣運動2.1.2熱膨脹引起的煙氣運動2.1.3煙囪效應引起的煙氣運動2.1.4外界風作用下的煙氣運動2.1.5通風空調系統(tǒng)引起的煙氣運動2.1.6電梯活塞效應2.2煙氣的擴散路線內容梗概2.3著火房間及走廊內煙氣流動2.3.1煙氣羽流2.3.2頂棚射流2.3.3煙氣層沉降2.3.4走廊內煙氣流動2.4豎井中煙氣流動2.4.1具有連續(xù)側向開縫豎井2.4.2具有上下側向開口的豎井2.4.3具有連續(xù)側向開縫和一個上部側向開口的豎井2.4.4頂部水平開口的豎井2.1煙氣流動的驅動力1、浮力2、煙囪效應3、膨脹力4、外界風5、空調系統(tǒng)6、電梯活塞效應煙氣流動的驅動力建筑火災過程中，在熱浮力的作用，煙氣從火焰區(qū)直接上升到達樓板或者頂棚，然后會改變流動方向沿頂棚水平擴散。由于受冷空氣摻混以及樓板、頂棚等建筑圍護結構的阻擋，水平方向流動擴散的煙氣溫度逐漸下降并向下流動。逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒區(qū)，形成了室內的自然對流流動，火越燒越旺。。2.1.1熱浮力引起的煙氣流動熱浮力作用下著火房間內煙氣的自然對流2.1.2熱膨脹引起的煙氣運動溫度升高引起的氣體膨脹是影響煙氣流動的重要因素。忽略燃料燃燒所增加的質量，再假設煙氣的熱性質與空氣相同，則煙氣流出與空氣流入的體積流量之比可表達為絕對溫度之比：式中，Vout——從著火房間流出的煙氣體積流量，m3/s；Vin——流入著火房間的空氣流量，m3/s；Tout——從著火房間流出煙氣的絕對溫度，K；Tin——流入著火房間空氣的絕對溫度，K。若流入空氣溫度為20℃，當煙氣溫度為250℃時，煙氣熱膨脹的系數(shù)為1.8；當煙氣溫度為500℃時，熱膨脹的系數(shù)為2.6；當煙氣溫度達到600℃時，其體積約膨脹到原體積的三倍。由此可見，火災燃燒過程中，從體積流量來說，因膨脹產(chǎn)生了大量體積煙氣。若著火房間的門窗開著，由于流動面積較大，燃氣膨脹引起的開口處的壓差較小可忽略。如果著火房間門窗關閉，并假定其中有足夠多的氧氣支持較長時間的燃燒，則，燃氣膨脹引起的壓差將使煙氣通過各種縫隙向非著火區(qū)流動。2.1.3煙囪效應煙囪效應：在建筑的豎直通道中，由于溫度差的存在使得自然對流循環(huán)加強，促使煙氣流動的效應。正煙囪效應：當建筑物內部溫度較高，室外溫度較低時，豎井通道（樓梯間、電梯井、強弱電橋架等）中存在一股上升氣流。逆煙囪效應：內部溫度＜室外溫度，豎井通道內氣流向下。煙囪效應是建筑火災中煙氣流動的主要因素。正煙囪效應作用：火災發(fā)生在中性面下，煙氣將隨建筑物中空氣流入豎井，并沿豎井上升。煙氣流入豎井后，井內氣溫升高，產(chǎn)生的浮力作用增大，豎井內上升氣流加強。一旦煙氣上升到中性面以上，煙氣便可由豎井流出，進入建筑物上部各樓層，然后隨氣流通過各樓層的外墻開口排至室外。如果樓層間的縫隙可以忽略，則中性面以下的樓層，除了著火層外都將沒有煙氣進入；如果樓層上下之間存在縫隙，則著火層所產(chǎn)生的煙氣將向上一層滲漏，中性面以下樓層的煙氣將隨空氣進入豎井向上流動。火災發(fā)生在中性面上，由正煙囪效應引起的空氣流從豎井進入著火層能夠阻止煙氣流進豎井。當樓層間存在縫隙時，如果著火層的燃燒強烈，熱煙氣的浮力克服了豎井內的煙囪效應，則煙氣仍可進入豎井繼而流入上層樓層。著火房間中的煙氣將隨著建筑物中的氣流通過外墻開口排至室外。逆煙囪效應作用：火災發(fā)生在中性面上，火災開始階段煙氣溫度較低，煙氣將隨著建筑物中空氣流入豎井，煙氣流入豎井后雖然使井內的氣溫有所升高，但仍然低于外界空氣溫度，豎井內氣流方向朝下，煙氣被帶到中性面以下，然后隨氣流進入各樓層中。隨著火災發(fā)展，高溫煙氣進入豎井后將導致井內氣溫高于室外氣溫，浮力作用克服了豎井內的逆煙囪效應，則煙氣在豎井內轉而向上流動。2.1.4外界風作用下的煙氣運動風的存在對建筑物將產(chǎn)生壓力，這種壓力會影響建筑屋內的煙氣流動，因素包括：風向風速建筑物高度幾何外形鄰近建筑物一般說來，風朝建筑物吹過來會在建筑物的迎風側產(chǎn)生較高的滯止壓力，這可增強建筑物內的煙氣向下風向的流動。2.1.4外界風作用下的煙氣運動風級風級名稱風速/（m/s）地面動態(tài)0無風0~0.2靜，煙直上1軟風0.3~1.5煙能表示方向，樹葉略有搖動2輕風1.6~3.3樹葉微響，旗子開始搖動，人臉部感到有風3微風3.4~5.4樹上有細樹枝搖動不停，旗子展開4和風5.5~7.9小樹枝搖動，地面上灰塵和紙屑被吹起5勁風8.0~10.7有葉的小樹搖擺，內陸水面有小波6強風10.8~13.8大樹枝搖動，舉傘困難，電線呼呼作響7疾風13.9~17.1全樹搖動，迎風步行感到不便8大風17.2~20.7折毀小樹枝，迎風步行感到阻力很大9烈風20.8~24.4小房子被破壞，屋頂平瓦移動10狂風24.5~28.4陸地上少見，能把樹木拔起，把建筑物摧毀11暴風28.5~32.6陸地上少見，摧毀力很大，造成嚴重災害12臺風32.7~36.9陸地上絕少見，摧毀力極大2.1.4外界風作用下的煙氣運動風速隨著高度的變化情況為：靠近地面的風速較小，隨著高度的增加，風速相應增大，始時，風速增大得很快，后來逐漸減緩：設計時應根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T提供的風速或實測的風速值的具體測定位置與所設計的建筑物的具體位置的地面狀態(tài)加以修正，即：設計建筑物的位置風速測定位置ψ值開闊地開闊地1.0市區(qū)1.2市區(qū)開闊地0.8市區(qū)1.0表2-2風速修正系數(shù)2.1.4外界風作用下的煙氣運動風的動壓：風由于受到建筑物阻擋而造成建筑物四周氣流靜壓發(fā)生升高或降低的現(xiàn)象稱為風壓作用，若以遠處未受干擾的氣流的壓力為基準，靜壓升高，風壓為正，稱為正壓；靜壓降低，風壓為負，稱為負壓。2.1.4外界風作用下的煙氣運動在某一風向下，建筑物外圍上任一點的風壓為：表2-3建筑物外墻面的風壓系數(shù)值風向夾角風壓系數(shù)k值迎風面背風面00.75-0.4150.75-0.5300.72-0.48450.45-0.5600.28-0.48750-0.590-0.4-0.4建筑物在風力作用下的壓壓系數(shù)分布

2.1.4外界風作用下的煙氣運動風壓對建筑物外墻開口處壓力分布的影響2.1.4外界風作用下的煙氣運動（a）風壓為正時（迎風）（b）風壓為負時（背風）無外界風時，著火房間的開口處在中性層以下外部空氣流入，中性層以上室內煙氣流出。在有外界風的情況下，且建筑物房間外墻面開口位于迎風側，即開口受到的風壓為正壓時，外墻面開口的中性層因正壓作用而升高；在有外界風的情況下，且建筑物房間外墻面開口位于背風側，即開口受到的風壓為負壓時，外墻面開口的中性層因負壓作用而降低。在高層建筑發(fā)生火災往往出現(xiàn)外窗玻璃破碎這種情況下，若破碎的外窗處于正迎風面，大量外界新鮮空氣在高風壓的作用下進入高層建筑內部，將驅動整個高層建筑內熱煙氣迅速流動，使火災迅速蔓延，給建筑內人員的安全疏散及消防人員的滅火作戰(zhàn)帶來極大影響。若破碎的外窗處于背風面，則外部風壓在高層建筑背風面產(chǎn)生的強大負壓會將熱煙氣從高層建筑內抽出，為建筑內人員的安全疏散贏得寶貴時間。

2.1.5通風空調系統(tǒng)引起的煙氣流動在火災情況下，即使風機不開動，采暖、通風和空氣調節(jié)系統(tǒng)（HeatVentilationandAirCondition，簡稱HVAC系統(tǒng)）的管道也能成為煙氣流動的通道。在前面所說的幾種力（尤其是煙囪效應）的作用下，煙氣將會沿管道流動，從而促使煙氣在整個樓內蔓延。

防止措施：關閉HVAC防火閥和風機，切斷著火區(qū)與其他部位的聯(lián)系。

2.1.6電梯活塞效應當電梯在電梯井中運動時，能夠使電梯井內出現(xiàn)瞬時壓力變化，稱為電梯的活塞效應。當電梯向下運動時將會使其下部的空間向外排氣，其上部的空間向內吸氣，而電梯向上運動時氣流運動則正好相反。發(fā)生火災時，電梯的活塞效應能夠在較短的時間內影響電梯附近空間和房間的煙氣流動方向和速度。著火房間→室外著火房間→相鄰上層房間→室外著火房間→走廊→樓梯間→上部各樓層→室外煙氣蔓延路徑2.2煙氣的擴散路線2.3著火房間及走廊內

煙氣流動

2.3.1煙氣羽流燃燒表面上方不太遠的區(qū)域內存在連續(xù)的火焰面，稱為連續(xù)火焰區(qū)；在往上的一定區(qū)域內火焰則是間斷出現(xiàn)的，稱為間歇火焰區(qū)?；鹧鎱^(qū)的上方為燃燒產(chǎn)物（煙氣）的羽流區(qū)，其流動完全由浮力效應控制，一般稱其為浮力羽流，或稱煙氣羽流。

2.3.2頂棚射流當羽流與頂棚相遇時，熱煙氣在徑向進行擴展，形成頂棚射流。

2.3.2頂棚射流多數(shù)情況下頂棚射流層的厚度約為頂棚高度H的5%~12%，而頂棚射流層內最大溫度和最大速度出現(xiàn)在頂棚以下頂棚高度H的1%處。

2.3.2頂棚射流對于頂棚下建筑橫梁之間和走廊中煙氣的受限流動，其最大溫度為

2.3.3煙氣層沉降

2.3.4走廊內煙氣流動1.著火房間擴散到走廊中的煙氣流動特點煙氣在上層流動，空氣在下層流動，分層流動狀態(tài)能保持40~50m的流程；但若流動過程中遇到外部氣流干擾時，如室外空氣送進或排氣設備排氣時，則層流狀態(tài)將變成紊流狀態(tài)。煙氣層的厚度在20-30m的流程內能維持不變。

2.3.4走廊內煙氣流動2.著火房間蔓延到走廊中的煙氣量外窗打開、門關閉的情況下

2.3.4走廊內煙氣流動2.著火房間蔓延到走廊中的煙氣量外窗關閉、門打開的情況下，大量氣擴散到走道中，嚴重影響人員疏散安全如果門窗同時打開，大部分煙氣將通過窗孔的上部排至窗外，擴散到走道中的煙氣量仍較少2.4壓力中性面本節(jié)學習內容2.4.1具有連續(xù)側向開縫豎井2.4.2具有上下側向開口的的豎井2.4.3具有連續(xù)側向開縫和一個上部側向開口的

豎井2.4.4頂部水平開口的豎井2.4.1具有連續(xù)側向開縫豎井具有連續(xù)側向開縫豎井，從其頂部到底部有連續(xù)的寬度相同的側向開縫與外界連通。由于豎井內溫度高于豎井外溫度，則由正煙囪效應而引起的該豎井內氣流狀況如圖2-19。圖2-19與外界具有連續(xù)開縫豎井的氣流狀況2.3.1具有連續(xù)側向開縫豎井由于中性面處豎井內外壓力相等，所以我們不妨假設此處壓力為p0。在距中性面N上方垂直距離h處的豎井內外壓力分別為：pin=p0+ρinghpout=p0+ρoutgh兩式相減2.3.1具有連續(xù)側向開縫豎井∵豎井內外壓差變化遠小于絕對大氣壓力patm（Pa），因此，可以用patm和豎井內外氣體溫度來表示氣體密度，則式（2-18）可寫為∴孔口流動——流量平方根法則當煙氣從出口向外蔓延時，其流動遵從流體孔口流動規(guī)律。與開口壁的厚度相比，開口面積很大的孔洞（如門窗洞口）的氣體流動，叫做孔口流動，如圖2-20。

圖2-20孔口處的氣流

2.2煙氣等效流通面積從開口面積為A的出口噴出的氣流發(fā)生縮流現(xiàn)象，流體發(fā)生縮流后的截面面積變?yōu)锳’。故引入收縮系數(shù)a,則a=A’/A，由流體力學實驗得知取值一般為0.62~0.64，一般圓形薄壁小孔口的a=0.62~0.64。那么通過孔口處的容積流量Q（m3/s）為：

Q=aAv

（2-20）2.2煙氣等效流通面積根據(jù)伯努利方程（不考慮孔口入口處的縮流阻力和孔口內的摩擦阻力）：

（2-21）則將（2-15）代入（2-14），煙氣總流量Q、開口兩側總壓差△p=

p1-p2，和流通面積A之間的關系式為

（2-22）對于多數(shù)煙氣控制計算來說，可以假定通過某一孔口的煙氣溫度不變和收縮系數(shù)相同。下面分別討論各種情形下等效流通面積的計算。2.4.1具有連續(xù)側向開縫豎井從h處起向上取微元高dh，設w為豎井的寬度。根據(jù)流量平方根法則，通過該微元面積向外排出的氣體質量流量為則從豎井中性面至上緣之間的開口面積中排出的氣體質量流量為同理，可以得到從豎井中性面至下緣之間的開口面積中流入的空氣質量流量為式中，a——豎井的流量系數(shù)；

ρout——外界空氣的密度，kg/m3；

ρin——室內空氣的密度，kg/m3。順便指出，大開口房間的壓力中性面與上述具有連續(xù)側向開縫的豎井類似?；馂陌l(fā)展過程中，中性面位置的變化過程如下列圖a--d所示火災初期，室內氣體分為上部熱煙氣層和下部冷空氣層，因而室內壓力分布由兩段斜率不同的直線組成，下半段直線與室外壓力分布線平行，室內外壓力分布線沒有交點，不存在壓力中性面；隨著火災的發(fā)展，熱煙氣層逐漸變厚，室內壓力分布線上半段隨之變長，并與室外壓力分布線相交，交點所在的水平面即為壓力中性面；發(fā)生轟然后，室內氣體不再分層，壓力分布線成為一條直線。2.4.2具有上下側向開口的豎井圖2-15具有上下雙開口豎井的氣流狀況這種類型的豎井與上節(jié)具有連續(xù)側向開縫豎井的不同在于：兩個側向開口間的距離比開口本身的尺寸大得多，這樣可忽略沿開口自身高度的壓力變化，也就省去了積分的麻煩。但分析方法與上節(jié)相類似。由于中性面處豎井內外壓力相等，所以我們不妨假設此處壓力為p0。在豎井下部開口處，豎井內外壓力分別為：p1in=p0+ρingHN

（1）p1out=p0+ρoutgHN

（2）則豎井下部開口處的內外壓力差：

（3）在豎井上部開口處，豎井內外壓力分別為：p2in=p0+ρing（H-HN）

（4）p2out=p0+ρoutg（H-HN）

（5）則豎井上部開口處的內外壓力差：

（6）根據(jù)流量平方根法則，當Tin>Tout時，通過下部流入口流進室內的空氣質量流量為通過上部排出口流出的氣體質量流量為由于流量連續(xù)，即min=mout，故兩邊平方，根據(jù)理想氣體定律移項整理得

開口形式相同，則a1=a22.4.2具有上下側向開口的豎井（1）火災溫度越高，即Tin越大，HN

越小，即中性面下移。（2）下部開口面積A1越大，HN

越小，即中性面下移，有利于對外排煙。所以，在進行自然排煙設計時，應適當加大豎井底部的開口面積，這樣有利于上層的對外排煙。中性面位置計算公式：中性面位置與上下開口面積、豎井內氣體溫度及外界空氣溫度有關。2.4.3具有連續(xù)側向開縫和一個上部側向開口的豎井這種情況相當于連續(xù)側向開縫和側向開口