第三節煙氣流動與控制

統計表明：火災中85%以上的死亡者是由于煙氣的作用，有毒和高溫煙氣的吸入是造成火災中人員傷亡的主要原因。因此為了及時排除有害煙氣，阻止煙氣向防煙分區外擴散，確保建筑物內人員的安全疏散，安全避難和為消防隊員創造有利撲救條件，需要在建筑中設置防煙和排煙設施。

總體上建筑的防煙和排煙的設計理論就是煙氣控制理論。對于一幢建筑物，當內部某個房間或部位發生火災時，應循序采取必要的防排煙措施，對火災區域實行排煙，使火災產生的煙氣和熱量能迅速排除;對非火災區域的疏散通道等應采用機械加壓送風等防煙措施，使該區域的氣壓高于火災和煙氣侵入區域的氣壓，阻止煙氣的侵入。

對于大規模建筑其內部結構相當復雜，建筑物的煙氣控制往往組合應用幾種方法。防排煙形式的合理性，不僅關系到煙氣控制的效果，而且具有很大的經濟意義。

一、煙氣流動的驅動作用

為了減少煙氣的危害，應當了解建筑煙氣流動的各種驅動作用，以便對火勢發展做出正確的判斷，在建筑設計中做好煙氣控制系統的設計。

(一)煙囪效應

當外界溫度較低時，在諸如樓梯井、電梯井、垃圾井、機械管道、郵件滑運槽等建筑物中的豎井內，與外界空氣相比，由于溫度較高而使內部空氣的密度比外界小，便產生了使氣體向上運動的浮力，導致氣體自然向上運動，這一現象就是煙囪效應。當外界溫度較高時，則在建筑物中的豎井內存在向下的空氣流動，這也是煙囪效應，可稱之為逆向煙囪效應。在標準大氣壓下，由正、逆向煙囪效應所產生的壓差為：

為距中性面的距離(m)。此處的中性面指內外靜壓相等的建筑橫截面，高于中性面為正，低于中性面為負。圖5-4-1給出了煙囪效應所產生的豎井內外壓差沿豎井高度的分布，其中正壓差表示豎井的氣高于外界氣壓，負壓差則相反。

煙囪效應通常是發生在建筑內部和外界環境之間，圖5-4-2分別給出了正、逆向煙囪效應引起的建筑物內部空氣流動示意圖。

在考慮煙囪效應時，如果建筑與外界之間空氣交換的通道沿高度分布較為均勻，則中性面位于建筑物高度的一半附近;否則，中性面的位置將有較大偏離。

煙囪效應是建筑火災中豎向煙氣流動的主要因素，煙氣蔓延在一定程度上依賴于煙囪效應，在正向煙囪效應的影響下，空氣流動能夠促使煙氣從火區上升很大高度。如果火災發生在中性面以下區域，則煙氣與建筑內部空氣一道竄入豎井并迅速上升，由于煙氣溫度較高，其浮力大大強化了上升流動，一旦超過中性面，煙氣將竄出豎井進入樓道。若相對于這一過程，樓層間的煙氣蔓延可以忽略，則除起火樓層外，在中性面以下的所有樓層中相對無煙，直到著火區的發煙量超過煙囪效應流動所能排放的煙量。

如果火災發生在中性面以上的樓層，則煙氣將由建筑內的空氣氣流攜帶從建筑外表的開口流出。若樓層之間的煙氣蔓延可以忽略，則除著火樓層以外的其它樓層均保持相對無煙，直到火區的煙生成量超過煙囪效應流動所能排放的煙量。若樓層之間的煙氣蔓延非常嚴重，則煙氣會從著火樓層向上蔓延。

逆向煙囪效應對冷卻后的煙氣蔓延的影響與正向煙囪效應相反，但在煙氣未完全冷卻時，其浮力還會很大，以至于甚至在理想煙囪效應的條件下煙氣仍向上運動。

(二)浮力作用

著火區產生的高溫煙氣由于其密度降低而具有浮力，著火房間與環境之間的壓差可用與公式(5-4-11)類似的形式來表示：

Fung進行了一系列的全尺寸室內火災實驗測定壓力的變化，試驗結果指出對于高度約3.5m的著火房間，其頂部壁面內外的最大壓差為16Pa。對于高度較大的著火房間，由于中性面以上的高度h較大，可能產生很大的壓差。如果著火房間溫度為700℃，則中性面以上10.7m高度上的壓差約為88Pa，這對應于強度很高的火，所形成的壓力已超出了目前的煙氣控制水平。圖5-4-3給出了由煙氣浮力所引起的壓差曲線。

若著火房間頂棚上有開口，則浮力作用產生的壓力會使煙氣經此開口向上面的樓層蔓延。同時浮力作用產生的壓力還會使煙氣從墻壁上的任何開口及縫隙、或是門縫中泄露。當煙氣離開火區后，由于熱損失及與冷空氣摻混，其溫度會有所降低，因而，浮力的作用及其影響會隨著與火區之間距離的增大而逐漸減小。

(三)氣體熱膨脹作用

燃料燃燒釋放的熱量會使氣體明顯膨脹并引起氣體運動。若考慮著火房間只有一個墻壁開口與建筑物其它部分相連，則在火災過程中，建筑內部的空氣會從開口下半部流入該著火房間，而熱煙氣也會經開口的上半部從著火房間流出。因燃料熱解、燃燒過程所增加的質量與流入的空氣相比很小，可將其忽略，則著火房間流入與流出的體積流量之比可簡單地表示為溫度之比：

若建筑內部空氣溫度為20℃，當空氣溫度達到600℃時，其體積約膨脹到原來的三倍。對有多個門或窗敞開的著火房間，由于流動面積較大，因氣體膨脹在開口處引起的壓差較小而可以忽略，但對于密閉性較好或開口很小的著火房間，如燃燒能夠持續較長時間，則因氣體膨脹作用產生的壓差將非常重要。

(四)外部風向作用

在許多情況下，外部風可在建筑的周圍產生壓力分布，這種壓力分布可能對建筑物內的煙氣運動及其蔓延產生明顯影響。一般，風朝著建筑物吹過來會在建筑物的迎風側產生較高的滯止壓力，這可增加建筑物內的煙氣向下風方向流動。風作用于某一表面上的壓力可表示為：

在建筑發生火災時，經常出現著火房間窗玻璃破碎的情況。如果破碎的窗戶處于建筑的背風側，則外部風作用產生的負壓會將煙氣從著火房間中抽出，這可以大大緩解煙氣在建筑內部的蔓延;而如果破碎的窗戶處于建筑的迎風側，則外部風將驅動煙氣在著火樓層內迅速蔓延，甚至蔓延至其他樓層，這種情況下外部風作用產生的壓力可能會很大，而且可以輕易地驅動整個建筑內的氣體流動。

(五)供暖、通風和空調系統

許多現代建筑都安裝有供暖、通風和空調系統(HVAC)，火災過程中，HAVC能夠迅速傳送煙氣。在火災的開始階段，處于工作狀態的HVAC系統有助于火災探測，當火情發生在建筑中的無人區內，HVAC系統能夠將煙氣迅速傳送到有人的地方，使人們能夠很快發現火情，及時報警和采取補救措施。然而，隨著火勢的增長，HVAC系統也會將煙氣傳送到它能到達的任何地方，加速了煙氣的蔓延，同時，它還可將大量新鮮空氣輸入火區，促進火勢發展。

為了降低HVAC在火災過程中的不利作用，延緩火災的蔓延，應當在HVAC系統中采取保護措施。例如在空氣控制系統的管道中安裝一些可由某種煙氣探測器控制的閥門，一旦某個區域發生火災，它們便迅速關閉，切斷著火區域其他部分的聯系;或者根據對火災的探測信號，設計可迅速關閉HVAC系統的裝置，不過即使及時關閉了HVAC系統可避免其向火區輸入大量新鮮空氣，然而卻無法避免煙氣的煙囪效應、浮力或外部風力的作用下通過其通風管道和建筑中其他開口四處蔓延。

二、煙氣流動分析

(一)火羽流的形成

在火災中，火源上方的火焰及燃燒生成的煙氣通常稱為火羽流。實際上，所有的火災都要經歷這樣一個重要的初始階段：即在火焰上方由浮力驅動的熱氣流持續地上升進入新鮮空氣占據的環境空間，這一階段從著火(包括連續的陰燃)然后經歷明火燃燒過程直至轟燃前結束。圖5-4-5給出了包括中心線上溫度和流速分布在內的火羽流示意圖，可燃揮發成份與環境空氣混合形成擴散火焰，平均火焰高度為L，火焰兩邊向上伸展的虛線表示羽流邊界，即由燃燒產物和卷吸空氣構成的整個浮力羽流的邊界。圖5-4-5b為理想化的軸對稱火羽流模型，

定性地給出了實驗觀測得到的火羽流中心線上溫度和縱向流速分布，其中溫度以相對于環境的溫差表示。從圖中可以看到，火焰的下部為持續火焰區，因而溫度較高且幾乎維持不變;而火焰的上部為間歇火焰區，從此溫度開始降低。這是由于燃燒反應逐漸減弱并消逝，同時環境冷空氣被大量卷入的緣故。火焰區的上方為燃燒產物(煙氣)的羽流區，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。火羽流中心線上的速度在平均火焰高度以下逐漸趨于最大值，然后隨高度的增加而下降。

(二)頂棚射流

頂棚射流是一種半無限的重力分層流，當煙氣在水平頂棚下積累到一定厚度時，它便發生水平流動，圖5-4-6表示了這種射流的發展過程。

羽流在頂棚上的撞擊區大體為圓形，剛離開撞擊區邊緣的煙氣層不太厚，頂棚射流由此向四周擴散。頂棚的存在將表現出固壁邊界對流動的粘性影響，因此在十分貼近頂棚的薄層內，煙氣的流速較低。隨著垂直向下離開頂棚距離的增加，其速度不斷增大，而超過一定距離后，速度便逐步降低為零。這種速度分布使得射流前鋒的煙氣轉向下流，然而熱煙氣仍具有一定的浮力，還會很快上浮。于是頂棚射流中便形成一連串的漩渦，它們可將煙氣層下方的空氣卷吸進來，因此頂棚射流的厚度逐漸增加而速度逐漸降低。

研究表明，許多情況下頂棚射流的厚度為頂棚高度的5%～12%，而在頂棚射流內最大溫度和速度出現在頂棚以下頂棚高度的1%處。這對于火災探測器和灑水淋頭等的設置有特殊意義，如果它們被設置在上述區域以外，則其實際感受到的煙氣溫度和速度將會低于預期值。

煙氣頂棚射流中的最大溫度和速度是估算火災探測器和灑水淋頭響應的重要基礎。對于穩態火，為了確定不同位置上頂棚射流的最大溫度和速度，通過大量的實驗數據擬合可得到不同區域內的關系式，應該指出的是，這些實驗是在不同可燃物(木垛、塑料、紙板箱等)、不同大小火源(668kW～98MW)和不同高度頂棚(4.6m～15.5m)情況下進行的，得到的關系式僅適用于剛著火后的一段時期，這一時期內熱煙氣層尚未形成，頂棚射流可以被認為是非受限的。

在撞擊頂棚點附近煙氣羽流轉向的區域，最大平均溫度和速度與以撞擊點為中心的徑向距離無關，Alpert推導出此時最大溫度和速度可按公式5-4-16、5-4-17計算：

以上公式組不適用于以下幾種情況。

1.火源是瞬時的而且(或者)受到滅火劑的影響;長寬比大于等于2的矩形火源;空氣入口受限或者平均火焰高度小于等于火源高度的三維火源;由噴焰組成的火源(如管道或加壓燃料儲液罐小孔泄漏造成的);火焰在火源以上分散到一定程度，具有多重火羽流的火源。

2.在無阻平面空間內，火焰平均高度L高于頂棚高度

的50%，而且(或者)火源直徑D大于火源最小寬度的10%。

3.受空氣動力紊亂度的影響產生的頂棚射流。空氣動力紊亂度是由氣流場中的障礙物而產生，或者受自然通風及機械通風的影響而產生。

4.含有梁、煙幕或其他分界面，能夠引起非軸對稱流或者導致熱氣層向下朝著火源流動的頂棚，和(或)易燃的和(或)不水平的頂棚。

5.火源或者其火焰到分界面的距離在火源直徑D之內;火羽流中軸線到分界面的距離在2

(頂棚高度)之內。

(三)大空間窗口羽流

從墻壁上的開口(如門、窗等)流出而進入其他開放空間中的煙流通常被稱為“窗口羽流”。一般情況下，在房間起火之后，火災全面發展的性狀(即可燃物的燃燒速度、熱釋放速率等)是墻壁上的門窗等通風開口的空氣流速控制的，即熱釋放速率與通風口的特性有關。根據木材及聚氨酯等實驗數據可得到平均熱釋放率的計算公式：

在確定火源高度時，可以假定火源處于開放空間中，并具有與窗口射流火焰頂端處的窗口射流相同卷吸量的火源高度。而且，假定位于火焰頂端處的空氣卷吸與開放空間中的火災相同。

三、煙氣層有關參數計算

煙層高度對人員疏散是一個重要的影響因素，人員在到達安全位置之前，應希望疏散過程中不會在建筑煙氣中穿過。

封閉空間的煙氣填充過程

直到煙氣層界面下移到垂直開口的上邊緣為止，煙氣始終在封閉空間的上部累積，如下圖所示。由于熱膨脹，過量的空氣被擠出封閉空間。當煙氣層降低到開口上界面以下位置時，隨著新鮮空氣的進入，煙會流出封閉空間。

2——底部面積。

四、煙氣流動的計算方法及模型選用原則

(一)概述

在火災科學的研究方法中，采用計算機實現火災過程或某火災分過程階段的模擬研究是一個飛躍。它具有信息代價少、模擬工況靈活、可重復性強等優點。隨著計算機技術的不斷發展，流體數學物理模型進一步完善，將成為未來研究火災問題的主要手段。火災的計算機模擬方法的核心是火災模型，火災模型是由火災各分過程子模型在特定的模擬平臺上融合而成的。

運用數學模型模擬計算防火的發展過程，是認識火災特點和開展有關消防安全水平評估的重要手段，尤其對建筑物的性能和設計來說尤為重要。經過最近二、三十年的研究，在火災煙氣流動研究領域已經發展出了多種分析火災的數學模型。據統計，現在有大約60~70種比較完善的火災模型可供使用。綜合實際計算要求和客觀條件限制，對火災過程的同一個分過程進行模擬時，各火災模型采用的子模型形式往往是不同的。各子模型形式從不同的角度、不同的程度對分過程采用合理的簡化形式進行模化。同一分過程采用不同的子模型形式時，其適用范圍內的模擬結果可能都是合理的。有的模型適用于模擬計算火災產生的環境，主要反映出建筑在火災時室內溫度隨時間的變化、火災中煙氣的流動、煙氣中有毒氣體的濃度、火災中人員的可耐受時間等;有的模型適用于計算建筑、裝修材料的耐火性能、火災探測器和自動滅火設施的響應時間等。

火災過程是可燃物在熱作用下發生的復雜物理化學過程，與周圍的環境有著密切的相互作用。任何一種火災模型都是以對實際火災過程的分析為依據，各種火災模型的有效性取決于對實際過程分析的合理性。火災數值研究的困難主要表現在幾個方面：第一，火災事件具有隨機性特點，現實生活中可能出現的火災場景數不勝數;第二，對于大多數火災過程很難進行深入的機理方面的分析。火災研究涉及空氣動力學、多相流、湍流的混合與燃燒、輻射以及導熱等多學科知識，許多相關內容在各個學科領域還都是研究的熱點，其中某些現象至今仍無法建立成熟的理論對其進行解釋;第三，火災過程中可能發生燃燒的物質多種多樣，因此無法應用單一的數學模型及經驗數據描述物質由聚合狀態熱解為可燃氣體并發生燃燒的過程。

建筑火災的計算機模型有隨機性模型和確定性模型兩類。隨機性模型把火災的發展看成一系列連續的事件或狀態，由一個事件轉變到另一個事件，如由引燃到穩定燃燒等。而由一種狀態轉變到另一種狀態有一定的概率，在分析有關的實驗數據和火災事故數據的基礎上，通過這種事件概率的分析計算，可以得到出現某種結果狀態的概率分布，建立概率與時間的函數關系。而確定性模型是以物理和化學定律為基礎，如質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等基本物理定律。用相互關聯的數學公式來表示建筑物的火災發展過程。如果給定有關空間的幾何尺寸、物性參數、相應的邊界條件和初始條件，利用這種模型可以得到相當準確的計算結果。

在開展火災危險性分析時，應當綜合考慮火災發展的確定性和隨機性的特點，單純依據任何一種模型都難以全面反映火災的真實過程。出于火災研究的定量分析和定性分析需要，大家更關心的是火災過程的確定性數學模型。本節主要介紹火災發展的確定性火災模型，包括有經驗模型、區域模型、場模型和場區混合模型。

(二)經驗模型

多年來，人們在與火災斗爭的過程中收集了很多實際火場的資料，也開展過大量的火災實驗，測得了很多數據，并分析、整理出了不少關于火災分過程的經驗公式。經驗模型則是指以實驗測定的數據和經驗為基礎，通過將實驗研究的一些經驗性模型或是將一些經過簡化處理的半經驗模型加上重要的熱物性數據編制成的數學模型。它是對火災過程的較淺層次的經驗模擬，應用這些經驗模型，可以對火災的主要分過程有較清楚的了解。經驗模型不同于其它理論模型能夠對火源空間以及關聯空間的火災發展過程進行估計，現有的經驗模型通常局限于描述火源空間的一些特征物理參數，如煙氣溫度、濃度、熱流密度等隨時間的變化，因此經常被稱為“局部模型”，常用的經驗模型有美國標準與技術研究院(NIST)開發的FPETOOL模型、計算煙羽流溫度的Alpert模型和計算火焰長度的Hasemi模型。

(三)區域模型

20世紀70年代，美國哈佛大學的Emmons教授提出了區域模擬思想：把所研究的受限空間劃分為不同的區域，并假設每個區域內的狀態參數是均勻一致的，而質量、能量的交換只發生在區域與區域之間、區域與邊界之間以及它們與火源之間。從這一思想出發，根據質量、能量守恒原理可以推導出一組常微分方程;而區域、邊界及火源之間的質量、能量交換則是通過方程中所出現的各源項體現出來。區域模型一般還有如下的假設：

①各個控制體內的氣體被認為是理想氣體，并且氣體的相對分子質量與比熱視為常數;

②受限空間內部壓力均勻分布;

③不同控制體之間的質量交換主要由羽流傳遞作用與出口處卷吸作用造成;

④能量傳遞除部分由質量交換造成外，還包括輻射與導熱;

⑤受限空間內部物質的質量與熱容相對墻壁、頂棚與地板可以忽略;

⑥忽略煙氣運動的時間，認為一切運動過程在瞬間完成;

⑦忽略壁面對流體運動的摩擦阻礙作用。

區域模型通常把房間分為兩個控制體，如圖5-4-11所示，即上部熱煙氣層與下部冷空氣層。人們普遍認為區域模型模擬給出的近似與相當接近。區域模擬是一種半物理模擬，在一定程度上兼顧了計算機模擬的可靠性和經濟性，在消防工程界具有廣泛的應用。應用區域模型既可以在一定程度上了解火災的成長過程，也可以分析火災煙氣的擴散過程。目前，區域模型在建筑室內火災的計算機模擬中具有重要地位。如果無需了解各種物理量在空間上的詳細分布以及隨時間的演化過程，模型中的假設十分趨近于火災過程的實際情況，可以滿足工程需要。但是區域模擬忽略了區域內部的運動過程，不能反映湍流等輸運過程以及流場參數的變化，只抓住了火災的宏觀特征，因而其近似結果也是較粗糙的。

目前，世界各國的研究者建立了許多室內火災區域模擬的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4以及中國科學技術大學的FAC3等為典型代表。常用的區域模型有ASET和ASET-B、HARVARD-V和FIRST、CFAST和HAZARD 1模型。

(四)場模型

火災的場模擬研究是利用計算機求解火災過程中各參數(如速度、溫度、組分濃度等)的空間分布及其隨時間的變化，是一種物理模擬。場是多種狀態參數(如速度、溫度與組份濃度)的空間分布，是通過計算這些狀態參數的空間分布隨著時間的變化來描述火災發展過程的數學方程集合。隨著計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術的不斷成熟以及計算機性能的提升，場模型越來越廣泛地應用到火災研究領域。火災的孕育、發生、發展和蔓延過程包含了流體流動、傳熱傳質、化學反應和相變，涉及質量、動量、能量和化學成分在復雜多變的環境條件下相互作用，其形式是三維、多相、多尺度、非定常、非線性、非穩態的動力學過程。場模型由于引入的簡化條件少，因而是目前為止可獲取更高精確度的受限空間火災數學模型。計算所得數據較細致，可以詳細了解空間中溫度場、速度場、組分濃度場等數據分布情況及其隨時間變化的詳細信息。但實際計算結果的正確與否還取決于適當的輸入假設。

自從1983年Kumar首先建立火災場模型以來，出現了許多場模擬的大型通用商業軟件和火災專用軟件。通用商業軟件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等為代表，都具有非常友好的用戶界面形式和方便的前后處理系統。用于火災數值模擬的專用軟件有瑞典Lund大學的SOFIE、美國NIST開發的FDS和英國的JASMINE等，它們的特點是針對性較強。場模擬可以得到比較詳細的物理量的時空分布，能精細地體現火災現象。

但由于場模型是通過把一個房間劃分為幾千甚至上萬個控制體，計算得出室內各局部空間的有關參數的變化。計算時通常所使用的場模擬方法有有限差分法、有限元法、邊界元法等。導致這種模型的計算量很大，當用三維不定常方式計算多室火災時，需要占用很長的機時，一般只在需要了解某些參數的詳細分布時才使用這種模型。

(五)場區混合模型

對于復雜多室建筑的火災過程進行計算機模擬，通常是采用區域模擬的方法。然而，實驗研究表明：煙氣層在著火區域或相對強流動區域無明顯的分層現象，區域模擬的雙層假設不能成立，只有在附近相鄰的其它區域，煙氣層才有明顯的分層現象。這樣，若采用區域模擬的方法模擬復雜多室建筑的火災過程則不能真實地反映其火災的特性。如果使用場模擬的方法，由于場模擬是求解流體力學的基本控制方程，整場和多參量描述復雜多室建筑的火災過程，需要大量的計算機資源和時間，目前，由于計算機容量和運算速度等客觀條件的限制，很難對復雜多室建筑的火災過程進行場模擬，另外，在明顯的煙氣層分層區間采用場模型，也增加了計算機資源和時間的耗用。因此，基于試驗研究的結果和計算機客觀條件等限制，我們采用場模擬的方法來研究著火房間或強流動區域，對其它非著火和非強流動區間采用區域模擬的方法。這種混合模擬方法，兼顧場模擬和區域模擬兩者的優點，并能更為準確地反映火災過程的特征，這種方法簡稱為場區模擬方法。

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