《建筑防排煙工程》 課件 2火災(zāi)煙氣的流動(dòng)

第二章火災(zāi)煙氣的流動(dòng)2.1煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力2.1.1熱浮力引起的煙氣運(yùn)動(dòng)2.1.2熱膨脹引起的煙氣運(yùn)動(dòng)2.1.3煙囪效應(yīng)引起的煙氣運(yùn)動(dòng)2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)2.1.5通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)引起的煙氣運(yùn)動(dòng)2.1.6電梯活塞效應(yīng)2.2煙氣的擴(kuò)散路線內(nèi)容梗概2.3著火房間及走廊內(nèi)煙氣流動(dòng)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(nèi)煙氣流動(dòng)2.4豎井中煙氣流動(dòng)2.4.1具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫豎井2.4.2具有上下側(cè)向開(kāi)口的豎井2.4.3具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫和一個(gè)上部側(cè)向開(kāi)口的豎井2.4.4頂部水平開(kāi)口的豎井2.1煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力1、浮力2、煙囪效應(yīng)3、膨脹力4、外界風(fēng)5、空調(diào)系統(tǒng)6、電梯活塞效應(yīng)煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力建筑火災(zāi)過(guò)程中，在熱浮力的作用，煙氣從火焰區(qū)直接上升到達(dá)樓板或者頂棚，然后會(huì)改變流動(dòng)方向沿頂棚水平擴(kuò)散。由于受冷空氣摻混以及樓板、頂棚等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的阻擋，水平方向流動(dòng)擴(kuò)散的煙氣溫度逐漸下降并向下流動(dòng)。逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒區(qū)，形成了室內(nèi)的自然對(duì)流流動(dòng)，火越燒越旺。。2.1.1熱浮力引起的煙氣流動(dòng)熱浮力作用下著火房間內(nèi)煙氣的自然對(duì)流2.1.2熱膨脹引起的煙氣運(yùn)動(dòng)溫度升高引起的氣體膨脹是影響煙氣流動(dòng)的重要因素。忽略燃料燃燒所增加的質(zhì)量，再假設(shè)煙氣的熱性質(zhì)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(dá)為絕對(duì)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(duì)溫度，K；Tin——流入著火房間空氣的絕對(duì)溫度，K。若流入空氣溫度為20℃，當(dāng)煙氣溫度為250℃時(shí)，煙氣熱膨脹的系數(shù)為1.8；當(dāng)煙氣溫度為500℃時(shí)，熱膨脹的系數(shù)為2.6；當(dāng)煙氣溫度達(dá)到600℃時(shí)，其體積約膨脹到原體積的三倍。由此可見(jiàn)，火災(zāi)燃燒過(guò)程中，從體積流量來(lái)說(shuō)，因膨脹產(chǎn)生了大量體積煙氣。若著火房間的門(mén)窗開(kāi)著，由于流動(dòng)面積較大，燃?xì)馀蛎浺鸬拈_(kāi)口處的壓差較小可忽略。如果著火房間門(mén)窗關(guān)閉，并假定其中有足夠多的氧氣支持較長(zhǎng)時(shí)間的燃燒，則，燃?xì)馀蛎浺鸬膲翰顚⑹篃煔馔ㄟ^(guò)各種縫隙向非著火區(qū)流動(dòng)。2.1.3煙囪效應(yīng)煙囪效應(yīng)：在建筑的豎直通道中，由于溫度差的存在使得自然對(duì)流循環(huán)加強(qiáng)，促使煙氣流動(dòng)的效應(yīng)。正煙囪效應(yīng)：當(dāng)建筑物內(nèi)部溫度較高，室外溫度較低時(shí)，豎井通道（樓梯間、電梯井、強(qiáng)弱電橋架等）中存在一股上升氣流。逆煙囪效應(yīng)：內(nèi)部溫度＜室外溫度，豎井通道內(nèi)氣流向下。煙囪效應(yīng)是建筑火災(zāi)中煙氣流動(dòng)的主要因素。正煙囪效應(yīng)作用：火災(zāi)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(nèi)氣溫升高，產(chǎn)生的浮力作用增大，豎井內(nèi)上升氣流加強(qiáng)。一旦煙氣上升到中性面以上，煙氣便可由豎井流出，進(jìn)入建筑物上部各樓層，然后隨氣流通過(guò)各樓層的外墻開(kāi)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(méi)有煙氣進(jìn)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(jìn)入豎井向上流動(dòng)?；馂?zāi)發(fā)生在中性面上，由正煙囪效應(yīng)引起的空氣流從豎井進(jìn)入著火層能夠阻止煙氣流進(jìn)豎井。當(dāng)樓層間存在縫隙時(shí)，如果著火層的燃燒強(qiáng)烈，熱煙氣的浮力克服了豎井內(nèi)的煙囪效應(yīng)，則煙氣仍可進(jìn)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(guò)外墻開(kāi)口排至室外。逆煙囪效應(yīng)作用：火災(zāi)發(fā)生在中性面上，火災(zāi)開(kāi)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(nèi)的氣溫有所升高，但仍然低于外界空氣溫度，豎井內(nèi)氣流方向朝下，煙氣被帶到中性面以下，然后隨氣流進(jìn)入各樓層中。隨著火災(zāi)發(fā)展，高溫?zé)煔膺M(jìn)入豎井后將導(dǎo)致井內(nèi)氣溫高于室外氣溫，浮力作用克服了豎井內(nèi)的逆煙囪效應(yīng)，則煙氣在豎井內(nèi)轉(zhuǎn)而向上流動(dòng)。2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)風(fēng)的存在對(duì)建筑物將產(chǎn)生壓力，這種壓力會(huì)影響建筑屋內(nèi)的煙氣流動(dòng)，因素包括：風(fēng)向風(fēng)速建筑物高度幾何外形鄰近建筑物一般說(shuō)來(lái)，風(fēng)朝建筑物吹過(guò)來(lái)會(huì)在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較高的滯止壓力，這可增強(qiáng)建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)向的流動(dòng)。2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)風(fēng)級(jí)風(fēng)級(jí)名稱風(fēng)速/（m/s）地面動(dòng)態(tài)0無(wú)風(fēng)0~0.2靜，煙直上1軟風(fēng)0.3~1.5煙能表示方向，樹(shù)葉略有搖動(dòng)2輕風(fēng)1.6~3.3樹(shù)葉微響，旗子開(kāi)始搖動(dòng)，人臉部感到有風(fēng)3微風(fēng)3.4~5.4樹(shù)上有細(xì)樹(shù)枝搖動(dòng)不停，旗子展開(kāi)4和風(fēng)5.5~7.9小樹(shù)枝搖動(dòng)，地面上灰塵和紙屑被吹起5勁風(fēng)8.0~10.7有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸水面有小波6強(qiáng)風(fēng)10.8~13.8大樹(shù)枝搖動(dòng)，舉傘困難，電線呼呼作響7疾風(fēng)13.9~17.1全樹(shù)搖動(dòng)，迎風(fēng)步行感到不便8大風(fēng)17.2~20.7折毀小樹(shù)枝，迎風(fēng)步行感到阻力很大9烈風(fēng)20.8~24.4小房子被破壞，屋頂平瓦移動(dòng)10狂風(fēng)24.5~28.4陸地上少見(jiàn)，能把樹(shù)木拔起，把建筑物摧毀11暴風(fēng)28.5~32.6陸地上少見(jiàn)，摧毀力很大，造成嚴(yán)重災(zāi)害12臺(tái)風(fēng)32.7~36.9陸地上絕少見(jiàn)，摧毀力極大2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)風(fēng)速隨著高度的變化情況為：靠近地面的風(fēng)速較小，隨著高度的增加，風(fēng)速相應(yīng)增大，始時(shí)，風(fēng)速增大得很快，后來(lái)逐漸減緩：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)提供的風(fēng)速或?qū)崪y(cè)的風(fēng)速值的具體測(cè)定位置與所設(shè)計(jì)的建筑物的具體位置的地面狀態(tài)加以修正，即：設(shè)計(jì)建筑物的位置風(fēng)速測(cè)定位置ψ值開(kāi)闊地開(kāi)闊地1.0市區(qū)1.2市區(qū)開(kāi)闊地0.8市區(qū)1.0表2-2風(fēng)速修正系數(shù)2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)風(fēng)的動(dòng)壓：風(fēng)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(fēng)壓作用，若以遠(yuǎn)處未受干擾的氣流的壓力為基準(zhǔn)，靜壓升高，風(fēng)壓為正，稱為正壓；靜壓降低，風(fēng)壓為負(fù)，稱為負(fù)壓。2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)在某一風(fēng)向下，建筑物外圍上任一點(diǎn)的風(fēng)壓為：表2-3建筑物外墻面的風(fēng)壓系數(shù)值風(fēng)向夾角風(fēng)壓系數(shù)k值迎風(fēng)面背風(fēng)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(fēng)力作用下的壓壓系數(shù)分布

2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)風(fēng)壓對(duì)建筑物外墻開(kāi)口處壓力分布的影響2.1.4外界風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)（a）風(fēng)壓為正時(shí)（迎風(fēng)）（b）風(fēng)壓為負(fù)時(shí)（背風(fēng)）無(wú)外界風(fēng)時(shí)，著火房間的開(kāi)口處在中性層以下外部空氣流入，中性層以上室內(nèi)煙氣流出。在有外界風(fēng)的情況下，且建筑物房間外墻面開(kāi)口位于迎風(fēng)側(cè)，即開(kāi)口受到的風(fēng)壓為正壓時(shí)，外墻面開(kāi)口的中性層因正壓作用而升高；在有外界風(fēng)的情況下，且建筑物房間外墻面開(kāi)口位于背風(fēng)側(cè)，即開(kāi)口受到的風(fēng)壓為負(fù)壓時(shí)，外墻面開(kāi)口的中性層因負(fù)壓作用而降低。在高層建筑發(fā)生火災(zāi)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(fēng)面，大量外界新鮮空氣在高風(fēng)壓的作用下進(jìn)入高層建筑內(nèi)部，將驅(qū)動(dòng)整個(gè)高層建筑內(nèi)熱煙氣迅速流動(dòng)，使火災(zāi)迅速蔓延，給建筑內(nèi)人員的安全疏散及消防人員的滅火作戰(zhàn)帶來(lái)極大影響。若破碎的外窗處于背風(fēng)面，則外部風(fēng)壓在高層建筑背風(fēng)面產(chǎn)生的強(qiáng)大負(fù)壓會(huì)將熱煙氣從高層建筑內(nèi)抽出，為建筑內(nèi)人員的安全疏散贏得寶貴時(shí)間。

2.1.5通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)引起的煙氣流動(dòng)在火災(zāi)情況下，即使風(fēng)機(jī)不開(kāi)動(dòng)，采暖、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HeatVentilationandAirCondition，簡(jiǎn)稱HVAC系統(tǒng)）的管道也能成為煙氣流動(dòng)的通道。在前面所說(shuō)的幾種力（尤其是煙囪效應(yīng)）的作用下，煙氣將會(huì)沿管道流動(dòng)，從而促使煙氣在整個(gè)樓內(nèi)蔓延。

防止措施：關(guān)閉HVAC防火閥和風(fēng)機(jī)，切斷著火區(qū)與其他部位的聯(lián)系。

2.1.6電梯活塞效應(yīng)當(dāng)電梯在電梯井中運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠使電梯井內(nèi)出現(xiàn)瞬時(shí)壓力變化，稱為電梯的活塞效應(yīng)。當(dāng)電梯向下運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)使其下部的空間向外排氣，其上部的空間向內(nèi)吸氣，而電梯向上運(yùn)動(dòng)時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)則正好相反。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電梯的活塞效應(yīng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)影響電梯附近空間和房間的煙氣流動(dòng)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(kuò)散路線2.3著火房間及走廊內(nèi)

煙氣流動(dòng)

2.3.1煙氣羽流燃燒表面上方不太遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)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(nèi)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(dòng)完全由浮力效應(yīng)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(dāng)羽流與頂棚相遇時(shí)，熱煙氣在徑向進(jìn)行擴(kuò)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(nèi)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(duì)于頂棚下建筑橫梁之間和走廊中煙氣的受限流動(dòng)，其最大溫度為

2.3.3煙氣層沉降

2.3.4走廊內(nèi)煙氣流動(dòng)1.著火房間擴(kuò)散到走廊中的煙氣流動(dòng)特點(diǎn)煙氣在上層流動(dòng)，空氣在下層流動(dòng)，分層流動(dòng)狀態(tài)能保持40~50m的流程；但若流動(dòng)過(guò)程中遇到外部氣流干擾時(shí)，如室外空氣送進(jìn)或排氣設(shè)備排氣時(shí)，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(nèi)能維持不變。

2.3.4走廊內(nèi)煙氣流動(dòng)2.著火房間蔓延到走廊中的煙氣量外窗打開(kāi)、門(mén)關(guān)閉的情況下

2.3.4走廊內(nèi)煙氣流動(dòng)2.著火房間蔓延到走廊中的煙氣量外窗關(guān)閉、門(mén)打開(kāi)的情況下，大量氣擴(kuò)散到走道中，嚴(yán)重影響人員疏散安全如果門(mén)窗同時(shí)打開(kāi)，大部分煙氣將通過(guò)窗孔的上部排至窗外，擴(kuò)散到走道中的煙氣量仍較少2.4壓力中性面本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容2.4.1具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫豎井2.4.2具有上下側(cè)向開(kāi)口的的豎井2.4.3具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫和一個(gè)上部側(cè)向開(kāi)口的

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

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

p1-p2，和流通面積A之間的關(guān)系式為

（2-22）對(duì)于多數(shù)煙氣控制計(jì)算來(lái)說(shuō)，可以假定通過(guò)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(jì)算。2.4.1具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫豎井從h處起向上取微元高dh，設(shè)w為豎井的寬度。根據(jù)流量平方根法則，通過(guò)該微元面積向外排出的氣體質(zhì)量流量為則從豎井中性面至上緣之間的開(kāi)口面積中排出的氣體質(zhì)量流量為同理，可以得到從豎井中性面至下緣之間的開(kāi)口面積中流入的空氣質(zhì)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(nèi)空氣的密度，kg/m3。順便指出，大開(kāi)口房間的壓力中性面與上述具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫的豎井類似。火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中，中性面位置的變化過(guò)程如下列圖a--d所示火災(zāi)初期，室內(nèi)氣體分為上部熱煙氣層和下部冷空氣層，因而室內(nèi)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(nèi)外壓力分布線沒(méi)有交點(diǎn)，不存在壓力中性面；隨著火災(zāi)的發(fā)展，熱煙氣層逐漸變厚，室內(nèi)壓力分布線上半段隨之變長(zhǎng)，并與室外壓力分布線相交，交點(diǎn)所在的水平面即為壓力中性面；發(fā)生轟然后，室內(nèi)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(cè)向開(kāi)口的豎井圖2-15具有上下雙開(kāi)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(cè)向開(kāi)縫豎井的不同在于：兩個(gè)側(cè)向開(kāi)口間的距離比開(kāi)口本身的尺寸大得多，這樣可忽略沿開(kāi)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(nèi)外壓力相等，所以我們不妨假設(shè)此處壓力為p0。在豎井下部開(kāi)口處，豎井內(nèi)外壓力分別為：p1in=p0+ρingHN

（1）p1out=p0+ρoutgHN

（2）則豎井下部開(kāi)口處的內(nèi)外壓力差：

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

（4）p2out=p0+ρoutg（H-HN）

（5）則豎井上部開(kāi)口處的內(nèi)外壓力差：

（6）根據(jù)流量平方根法則，當(dāng)Tin>Tout時(shí)，通過(guò)下部流入口流進(jìn)室內(nèi)的空氣質(zhì)量流量為通過(guò)上部排出口流出的氣體質(zhì)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(xiàng)整理得

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

越小，即中性面下移。（2）下部開(kāi)口面積A1越大，HN

越小，即中性面下移，有利于對(duì)外排煙。所以，在進(jìn)行自然排煙設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大豎井底部的開(kāi)口面積，這樣有利于上層的對(duì)外排煙。中性面位置計(jì)算公式：中性面位置與上下開(kāi)口面積、豎井內(nèi)氣體溫度及外界空氣溫度有關(guān)。2.4.3具有連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫和一個(gè)上部側(cè)向開(kāi)口的豎井這種情況相當(dāng)于連續(xù)側(cè)向開(kāi)縫和側(cè)向開(kāi)口