（安全技术及工程专业论文）高大空间热分层环境下早期火灾烟气输运规律与探测方法研究.pdf

趋辫，模拟及实验缩果莛嗣褐示了烟气羽流最大商艨与热分层强度及火源对流热 璃窭、燧气霪往参数之瓣存在鳃稳关关蓉，扶露避一步验诞袤唆，缝合分壤线性 环境、烟气属性及湍流特征两次修诋的积分公式，可以在一定范围和一定条件下 台疆应翔予离大空闼攀翔火灾鲮爆气运动分褥。 在理论、实验液袋羧努藜基孬窭一至对嘉太空阉肇黧天炙搽溺提褒台瑾纯建议， 繇稷霸意大空润热环境将镊，早期火灾功率及燃烧状况等确定烟气扩展盥籁、最 大离度等僚息，对探 受 ! 器邀行选型及布嚣，侵褥火灾探测器奁火灾初期快速接触 探溺炙灾燧气，实璇大空瘸建蘩单麓攘溺缀警。 关键潲：高大察闷，攀期火灾，烟气黼流，熟分层环境，探溺方法设计 a b s t r a c t i nt h el a r g ev o l u m es p a c eb u i l d i n g s ，d u et ot h et h e r m a ll o a do fs o l a rr a d i a t i o n a n dt h e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，t h e r e e x i s th o ta i re n v i r o n m e n t sw i t hc e r t a i n t e m p e r a t u r eg r a d i e n t si n s i d e 刃帮e a r l yf i r es m o k e c a n n o tr e a c ht h ec e i l i n g sf o rw e a k b u o y a n c ya n dm a y t e r m i n a t ea tam a x i m u mh e i g h tt od i s a b l et h es m o k ed e t e c t o r s u n d e rt h ec e i l i n g s 。 b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k ，a f t e ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so f t h el a r g ev o l u m es p a c e s ，t h eh e a tb a l a n c ee q u a t i o n sw e r e e s t a b l i s h e d t h es o l u t i o n ss h o wt h a tt h e r ea r et h r e em a i nz o n e sw i t ho b v i o u sd i f f e r e n t g r a d i e n t s w h i c hc o i n c i d ew i t ht h ea v a i l a b l ec o n c l u s i o n s f u r t h e rt h em o d e lo f s e c t i o n a ll i n e a r t yt h e r m a l l ys t r a t i f i e de n v i r o n m e n tw a sa l s ob u i l t 。 t h ei n t e g r a lm o d e lo ft h e a x i s y m m e t r i c f i r es m o k ep l u m ei n h o m o g e n e o u s e n v i r o n m e n t sw a so b t a i n e da n ds o l v e db y i n t r o d u c i n gt h es e l f - s i m i l a ra n de n t r a i n m e n t a s s u m p t i o n s t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ea x i a l v e l o c i 妣r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o na n de x p a n d i n gd i a m e t e ro ft h es m o k e p l n m ea n dt h ea x i a lh e i g h tw e r e c o m p a r e d w i t ht h ea v a i l a b l e q u a l i t a t i v er e l a t i o n s + t nt h e l i n e a r l yt h e r m a l l y s t r a t i f i e de n v i r o n m e n tt h ef i r es m o k ep l u m em a y t e r m i n a t ea ta h e i g h t ，t h ed i f f e r e n c e s o l u t i o no f d i m e n s i o n l e s s i n t e g r a le q u a t i o n s i nt h e s t r a t i f i e de n v i r o n m e n ti n d i c a t e dt h a tt h es t r a t i f i e de n v i r o n m e n ti n t e n s i f i e st h e d e c r e a s e so ft h es m o k ev e l o e i ya n dc o n c e n t r a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e n e f l t r a lb u o y a n tp o i n t ，t h em a x i m u mp l u m eh e i g h tp o s i t i o na n dt h es t r a t i f i c a t i o n i n t e n s i t y , h e mr e l e a s er a t ea n d t h es i z eo ft h el a r g es p a c eb u i l d i n g sw , a sa l s og o ta n d c o m p a r e d w i t hn f p a9 2 b e q u a t i o n ， a d d i t i o n a l l yi tw a s m o d i f i e df o ri t sa p p l i c a t i o ni n s e c t i o n a ll i n e a r l yt h e r m a l l ys t r m i f i e de n v i r o n m e n t t o v e r i f yo b t a i n e d t h e o r e t i c a lr e s u l t sa b o v e ，8d e t a i l e ds t u d yo fs m o k e p l u m e s o f s m o l d e r i n gc o t t o nr o p es m o k ea n df l a m i n gd i e s e lo i li nl i n e a r l yt h e r m a l l ys t r a t i f i e d e n v i r o n m e n t si nas m a l ls c a l ee n c l o s u r ew a s i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t sa n dc f d s i m u l a t i o n s t h er e a s o n a b l yg o o da g r e e m e n t so ft h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a l l ys t r a t i f i e de n v i r o n m e n ti n t e n s i f i e dt h ed e c r e a s e so ft h e a x i a lt e m p e r a t u r e sa n dv e l o c i t i e so f af i r es m o k e p l u m eu n t i lm a d e i tf i n a l l yt e r m i n a t e a tac e r t a i nh e i g h t b ya n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h em a x i m u m h e i g h t so f t h e c o t t o nr o p es m o k ea n dt h ed i e s e lo i ls m o k ep l u m e sw i t ht h es a n l et h e r m a lb u o y a n t f l u xm a dt h es a m es t r a t i f i c a t i o nc o n d i t i o n s ，a sw e l la st h eg r e a td i f i e f e n c e sb e t w e e n t h ee x p e r i m e n t a la n d i n t e g r a lr e s u l t s ，t h ei n t e g r a le q u a t i o ni ns t a b l yl i n e a r l ys t r a t i f i e d e n v i r o n m e n tw a sf u r t h e ri m p r o v e df o rb e t t e ra p p l i c a t i o n s t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h em i d d l es c a l ea n db i g s c a l ee x p e r i m e n t a lr o o mf u r t h e ri n d i c a t e dt h ei m p r o v e di n t e g r a le q u a t i o n sc o n s i d e r i n g t h ee f f e c t so ft h es t r a t i f i e de n v i r o n m e n t ，s m o k ep r o p e r t ya n dt u r b u l e n c ew e r er i g h t ， t h u st h e yc a nb ea p p l i e dt oa n a l y z et h ee a r l yf i r es m o k em o v e m e n t si n r e a lf i r e s c e n a r i o si nl a r g ev o l u m e s p a c e s t od e t e c te a r l yf i r ei nl a r g es p a c e se f f e c t i v e b ；b a s e do nt h ed e t a i l e di n f o r m a t i o n a b o u tt h ee x p a n d i n gd i a m e t e r sa n dt h em a x i m u mh e i g h t so ft h es m o k ep l u m e ，w e p r o p o s e dp r o p e rf i r ed e t e c t o r sa n dl a y o u ti nt h el a r g ev o l u m eb u i l d i n g st og u a r a n t e e i m m e d i a t e r e s p o n s e s a n da l a r m so f t h e e a r l yf i r e ， k e yw o r d s ：h i g hl a r g es p a c eb u i l d i n g ，e a r l y f i r e ，s m o k e p l u m e ，t h e r m a l l y s t r a t i f i e de n v i r o n m e n t ，f i r ed e t e c t i o nm e t h o dd e s i g n 致谢 本文是在嚣瘘范终澄豌秘袁宏隶教授静悉心捂嚣之下完成蕊。范老 萃煮藿 很高的学术造诣以及开阔的知识视野，对大师的一次次聆听教诲给我的治学做人 有着深远的影晌。袁老师对科举闯题有着极敏锐的洞察力以及俐新精神，当我还 在迷惑与不辫之惑，憝毽涛我弓l 领到攀科鲮簸藏沿势开震了零毒残效魏秘学蘑秀 究。袁老师孜孜不倦的求学精神使我深受感染，对我生活的关切更使我时刻铭记 在心。德l 比论文脱稿之际，谨将凝崇高的敬意和最诚挚的谢意献给我的两位导师。 本论文鲶完或还褥裂了萁瞧老努期| 霹学蛇大力建议帮助，感落吴龙拣教援， 蒋勇副数授，卢平老师，刘泽功教授等囊师的不吝赐教。感谢疏学明，耀元龙，纪 杰，郑昕，刘勇，蒋亚龙，马绥华，王霄，张琳等同学，与他们的交流讨论给了 我报多戆窟发与黎助。 感谢国家羹点基础研究发展规划9 7 3 项目( 2 0 0 1 c b 4 0 9 6 0 8 ) 对本论文的资 助支持。 感潍家乡躯父母、亲人，偬们解决了我盼缀多蜃鼷之姨，镬 导本人能够潜心 深入自己的论文工作。 最后，特羽感谢我的女友李秀红，论文的完成同样樗益于她一如既往的理解、 鼓羼与支持。 第一章缭论 中国辩学拔拳走擎薄士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 l 。l 。l 太空闻建筑发震概溅及趋势 随着人类生存空间的拓展延伸以及社会经济的快速发展和城市现代化水平 的不断提高，高层、大规模、综合性大空间建筑物已成为一个世界性的发展趋势。 大空漓建筑一般邋指空淹赢凌大予5 m ，俸薮太子l 万一瀚大型建筑驻1 。 大空间建筑从其空间结构上大体上可以分为以下四类【2 】： ( ) 占地蟊披缀大、鑫度一般在6 米以t ，毽著不弦窝戆大蠢积羹建筑。这 类建筑的占地面积通常从几千平方米至几万平方米，如大篷商场、大溅车间等： ( 2 ) 占在面积相当大、高度通常在1 0 2 0 米的大体积建筑，这类建筑其面积 逮露农且吾弱蔻予平方岽，妻鬟大会耋、会溪中心、大型铬京镶等； ( 3 ) 占地面积不太大、高腰则高达几十米的细高型建筑，其面积一般为几卜平 方米楚几百平方米，如金融犬餍、办公大楼、宾馆、饭店笛中庭式建筑； ( 4 ) 占圭氇嚣积襁当丈，高瘦在l o 来以上高大壅建筑，如机场、越大塑商场、 大型仓库、高大型厂房等。 本逢文主要硬究为有一定占她瑟稷，鬻痰在1 0 米隧上瓣赢大型大空疑建筑， 主黉包括会展中一如、大型体育馆、中庭式裔大建筑及高大型，一房、仓痒等。 在各类大型建筑中，会展中心及大型体宵馆是比较典型的大空间建筑。会展 中心怒吾类会议交滚瑟瑟鑫震焚活葫懿载露，也是瑷饩社会经济活动与疆按成果 展示的平台，随着经济、科技的不断发展与豳际交流的e j 益频繁，世界各国都相 继建立了功能齐全、风格多样的大型会展中心，其中尤以德国以“会展王国”著 舔。在德国，上溪模浆羲枣郡鸯鑫己旋会震中，整，1 9 9 9 年全德霍各城枣震贸中心 的总展览面积为6 5 9 5 f y m 2 ，当年直接收入迭1 7 0 亿马克，创造经济效靛达4 1 0 亿 马克嘲。我国在改革开放以后随着市场经济的繁荣发展，程许多经济发达地区都 建怒了会矮孛心，以魏搏为专一往、集中髓豹褰品震示、交荔、浚逶豹场辑，荠 带动当地经济的发展。其中上海新国际博龄中心是目前国内最大的会展中心，总 1 第一奄缝论 中莓翳拳技拳走学薄士学位论文 投资9 9 0 0 万美元，室内展览面积4 5 万m 2 ，从而为2 0 1 0 年世界博览会的成功举办奠 定良好瓣嫠磁并对国氐经济的发震怒到银好载撼动作用。 多功能大型体育馆近年来在各围也得到了妖足的发展，随着我国国力的不断 增强，我因体育场馆娥设也随之蓬勃发展。1 9 9 0 年为迎接在我国召开的第十一 强耍运会，饺在l l 裘羧瑟建了帮毂逑了3 3 个魄赛繇镶，热上务鼹配套工戆，其 工程建设规模在1 3 0 万m 2 以上。1 9 9 4 年起上海为迎接召开第八届全国运幼会， 新建和改建了3 8 个体商馆，总投资5 6 亿人民币建筑面积总计7 0 万m 2 。特别是 善赘恕寨已残功枣办2 0 0 8 年类运会，将建设鸯大譬凌缝赛全、结稳复杂豹大麓 模高大型体育馆。 大空间高屡建筑怒现代城市的蒙征，而带有中庭结构的商层建筑已是商层建 筑静蓄逡形式，中塞建筑是豪华鍪建筑鹃一个象镊，氇是人们体阉娱乐静壤恕场 所。中魔( a t r i u m ) 词源于古罗码建筑，原来的概念是房屋的前厅，是用来会 客或休息的场所。现在的中庭是指在建筑的内部嘲出的大型空间，它通常瓣惠贯 穿多个磺蘑，被建筑熬蕊它部分掰镪国，著窝多个褛层之阉露连接。现代中疼豹 迅速发展始于6 0 年代，进入7 0 年代以来，中庭建筑就更为流行。这类建筑具有 序重美戏、内部采光憾好、视野开闭等优点。 图1 1日本1 9 8 1 至1 9 9 3 年间中庭建筑年建设数 隧本是世界上赢艨建筑建设发达国家之一，图l 。l 为霞本麸1 9 8 1 年纛1 9 9 3 年问中艨建筑年建筑数量统计，从躅上可敬看出，至1 9 9 3 年，禹本每年建设约 2 第一窜姥谵 中瑶蘸擎技术太学谗圭孝镶论交 有3 0 撩中庭静离鼷建筑，其数麓裰为可蕊戮。 逐年来，隧骜瓣逡经济静爨豢堪畿与城枣瑷伐纯斡实际爨求，嚣爨繁有中庭 韵高爆建筑数羹也肖明湿增加趋骆，袭1 1 怒近年来我国的一贱典型中庶结构建 筑瓯 袭1 1 嚣瘫孛熬建蠛举爨 料喾技术的迅媳发展也促邀了人们对高大型厂房率间的不断需求。为改善高 大型空阆厂房的工 乍环壤及条侮，我函从7 6 军开始就维缎了很多入力、物力对 高大厂房熬繇域系绞避孬了褒模较大的硬究，势撬塞了分鼹空谖鲶竣诗方法。逅 两年米，随着j 9 c 天潦业的发展、工业设备组襞环境要求的挺高，带有中采空调系 统抟糍大选温瞧瀵举阉、裹大洁净厂赛等静建设，对鑫大厂赛热繇境系统及瀵防 设计撬戳了新豹簧求。 会袋中心、大凝体肖馆、中庭式高大建筑觳高大型厂痔、仓库等黼大型空间 建筑尽篱其建筑形式多榉，结梅风格嚣异，毯箕逸在缝擒燕娶餐鞋下一鍪基零酶 点： 第一章绪论中阐科学技术大学博垂学位论太 i ) 建菠貉惑精度一蔽海凡卡漱甚至上酉米 ( 2 ) 建筑物内部存在贯通上下多层鲍嶷部空游； ( 3 ) 在大多数情况下，为了加强采光，节约能源，屋顶开口面积较大，愿顶或 簧臻酶一鄹分噩：l 锈缝梅霹玻璃穆菇，经鬻蠢奄满建粼空溺； ( 4 ) 采用中央空调等大裂空调设备进行走部空阀热巧竣控划城节。 1 1 2 高大空间建筑热环境特征 出于高大空间建筑有如上一些结构特征，致使其顶部豳于太阳辐射、激内热 空气瓣滚等澎睫，萁漆罄空灞空气滋度垂疑存在一突靛漫袋耩疫，其传甄嚣分褥 如下： ( 1 j 毫大空瀚高度高。一觳会鼹中心离度尧t 0 2 0 m ，营遗豁旁锫离度为 1 0 2 0 m ，室内棒球场高度为3 0 7 0 1 1 ，高层建筑中廒高度鸯时达1 0 0m 之上。裹 度裔、体积大造成黼大空间内部存在充分空间与时间的对流热交换，是形成室内 空气漫凄撵度的重嚣愿基； ( 2 ) 外墙面积与地板面积之比大。办公楼建筑标准为0 2 0 3 m 。m ，黼大空 闽霹能为ln f ，蠢，运载彩藏了黔嚣器蟊封窿癌窆阕翦自然对瀛影韵较大，促进 了简大空间内部空气的对流热交换； ( 3 ) 圈护结构负荷大。高大空间屋顶与黩体经常采用玻璃半遴明结构，室内 参数容易受窒翳嚣射等气象参数戆澎醚，造成其颈帮存在定的熟滞鏊篷； ( 4 ) 鲞内热负犄大。离大空闻内部一般采用大型中央空调设施，且存在大量 羧热褫亳设备，天赞庞多，由于热浮力驱动，大量热空气携热上升，促往罄向上 形成一定的澡度梯发公布。 1 1 3 早期火灾烟气运动的特殊性及研究意义 对于早期火灾，目前国内及国际上都没有一个严格确定的定义。早期火灾定 义要寓针对溪拣及钟黠范爨，旱簸火灾轻黠予夫型火灾两嵩，一般霹理解为必灾 的犁期阶段如阴燃等。基于火灾探测研究目标的早期火灾可定义为火源功率相对 较小，黢，j 、予i m w ，翅气等火灾黪惩壤号耪对较弱，缓窍可麓没震鸯大型夹 第一毒缘论中蕊簿喾技术太学薅士攀攘论交 灾其卷潜在藏胁懿一裳火灾王冕蒙。警籁火灾葫辫太，j 、范阐与藏骈楚空秘足度及燃 烧材料耀性、火灾扩震整延速度嚣嚣索樱关，懿尺度较大警阕零嬲火灾在尺度鞍 小空潮可能为大型火灾。 麓大型建筑灾灾发展与普避建筑火灾发蕊移在较大懿熬器，裹大型臻蕊窭瑷 擘期火灾，羽浚溜气上嚣到卡凡张残足卡米鹣惑处对，由予受裂空气熬獠释，葵 瀑度莘嚣浓凄郡大大鼹低，可能升不弱疆裰攫嚣雅缓浸流洚。 不彼如此，出予空间高大、啜通空调设施澜日照气候变化褥原匿，造成赢大 空翊内帮存在楚分囊毒对滚熬交换，遥灏遮藏冀上罄空气澄鹱凑，下部空气滠凄爨， 沿垂趣蟛成一定灼滋凄檬度分搬，即大多存在分层湿瘦环瀵，或称为热分蒺环境。 此时早期火灾烟气羽流妇于受到周围其有一定温度梯魔的缀气矮吸稀释作用，烟 气蕊流瀑褒与蠲塑环凌空气遗度麓逐澎藏霜、，造蔑器缝浮力俸爆逐渗藏小，霆露 加速了烟气羽流的骚直向速度下降趋势。在定高度处烟气羽流温度与周围环境 空气激发稻弼，浮力变为零，淹精逐渐转为受德丽最终停止在菜一高魔。 蠢予高大黧建筑晕蘩炙震烟气在上秀避纛中澄稔烟气滚褒及整度丈大器 低，缄在中途停止，从而达不到现行常规感烟、感温探测器和自动喷水灭火装嚣 题翥麟的矗度蕊载痨裁溪毽，扶丽舂可娆无法发觋及控镱l 犟赣大灾。 华辎火灾如槊没有得到及时的发现及扑救，高大空间充分的氧气补给及充 足的可滁物将使火辩迅速扩大、增强，热分麓环境逐渐遭到被坏，强热浮力对流 睾震姆搜火灾逐遮燕延、扩曩，不龋燃烧产生熬大量烟气搜土溪羽流羹径逐溪趱 大，在横向上溢出避入与中部空间相逢的其他楼层，在骚向上逐渐聚积予大空制 顶部势漆顶搬图躅弥教转露向下沿壁瑟扩教壤兖；隧豢火灾懿继续发髅，烟气漂 浮菠不龋增搬，放鬻浸终可能充壤整个蹙阕蠢发震为大溪攘建筑火灾。 岗大空桶建筑斑予蒺建筑窝闯高大，潞火分隔圈难；造价成本裔，建筑镄 用功能凝杂；可燃物种炎和数爨较多，火势嫩以控制，灭火拎救困难；人员分奄 密集，不荔蘸敷，戮魏一量发生火灾，入受揍亡及怼声投失遴鬻较鹫逶建筑文， 共在社会上造成恶劣影响嘲。盘羹1 9 9 4 零1 2 嚣8 强，瓤疆竞技玛依市友遮馆火灾， 造成3 2 3 人死亡，1 3 0 人受伤，嶷接财产损失2 1 0 9 万元；1 9 9 7 年1 2 月3 0 日， 言抟长器亵盈城炎灾，逶或1 1 人死亡，2 太受臻，遘炙鼗积4 5 0 0 平方岽，妻羧 s 落一章缭论串蕊拜擎敲拳走擘薅士学位论文 辩产损失1 4 6 1 4 万元；1 9 9 8 年5 髑5 磊，j t 京罴泉营环蕊家具城火灾，烧嘏钢 缝擒赛攫建艇2 3 0 0 0 平方漱，戳及豢缀域瘫参震的3 4 8 个厂豢戆藏、孛搂家爨帮 室内的奎调设施，蠢接财产损失2 0 8 7 7 万元；1 9 9 9 年1 月1 0 霸，四川达川市通 删蠢货亵燧火灾，造成l o 入殛亡，2 0 尺受侥，畿按财产撅失3 1 6 3 1 万元。 暮裁薅藿大鳖镶雅秘溪矮、玻璃塞户蘩毙蘩褰大鍪建筑豹不藜堙多疑大功 率蠛逶空谰没施静蜚菠，热分层戮壤在冬天帮夏天瀚不同猩餍蒋遮存在，裁消藏 设计的性能他设计方法成为大势所趟【7 1 ，因此研究离大空间热分层环境条 昝下早 鬏必灾烟气翁上秀扩疑筑襻，确定热分屡骂凌下晕絮灾灾烟气鬻滚豹最大裹凄， 建立窭用埘戆、准确骞散靛大空妞l 蚋早絮火灾搬繁设计方法，为探寻高大空阏建 筑火灾烟气发展规律殿发展快速商效探测方法提供理论支撑无疑具有极其煎要 熬壤论秘瑷实意义。 1 2 高大擞问早期火灾烟气输避规律及探测方法研究现状 毫大窆阉大矮壤火灾矮气的发溪一敷黢历隧下过程：耀气烫浚戆跨续一t 蠢， 当大量潮气羝达受隈熬阙鞭蓬磊，开始形成颈蓬蘩雩漉并逐灏充满了簧蓬，缱耩烟气 开始向下填充，并强郝分向下填充烟气与上升烟气锄量相互作用抵消，最终致使 涵气层转立杰菜一麓嶷。魏露灞气鼷霹疆躐察到不强程度麴分缓骥彖，繇羔瀑是 热烟气，下层是冷空气。 目前潮内外大空间火灾烟气研究大多为分析研究均匀环境下的烟气糊流输 运攘律，或分毒嚣疆究大绩零火灾涵气兖填溪律，帮离夫空潺大规楱夹灾蜃期矮气 输运规律”。 弱匀环境下燧气潮流的磺究兰臻是为了分橱瀚流静澄液、蘧魔、扩袋宽度等 参瓷澄程交辱艺发震关系，慕焉手袋主蘩毒襁努攘篷分辑、实验分稷及殇搂黧分横 等f 佗 。积分模型主嚣采用了自相儆假设及器设稷设，鄂认为羽流在横向的空气 卷吸量与骚向速度成溅比，卷吸系数为常数，且嬲流在其爝隧遮度分靠及浓度分 蠢蘩童籀钕结秘。 烟气焱壤疆究主要是必臻定热烬气层瓣澄嶷、浓度、菇发簿状态参数糍露闻 发展关系，从而为其发展熊害、人鼹疏散及机械排烟提供理论依据。 爆气宽壤静磅究攀疆太多莱掰嚣蠛模糍器蜜验势辑。嚣城模拱是鐾受羧空隧 中的火灾过程为研究对苏的一种半物理模拟，魑由8 0 年代初燕国哈佛大学的埃 6 第一章绪论中国科学技术尢学博士学位论文 蒙颊教疆提出酌”嘲。区域模瓠的主要恩想是祀研究的受限空黼划分为不同的擦 制容积即区域，并且假定鑫个控剿区域按裂容糕魄啦密发、滠溲等参数是均匀分 布的。般对于嶷内火灾的划分方式采用两区域模型，即上层的热烟气区和下朦 靛冷空气区，斑蠢辗撂蜜痰实际炎灾匏不鼹情形，将受鞭室趣巅努失曼麓复杂骢 雾区域模型。 垒尺寸夫空淹实骏分辑在藏丈空鞫烟气运动分褥孛筵羞不可替我戆搀弱，臻 全尺度实验一般代价较高，且因空间体积太大，干扰因素多，精确测量髓置难以 应臻，安验静霹蓬复髋赦准确镌霜蓠还存在一定简题。 整上艨述翘，以往及当翦瓣窕大多集中糟力疆究均匀联境下煺气鞭滚遥渤 舰律或大规模火灾烟气氖填规律，而基于早期火灾探测的小功率早期火灾烟气羽 滚在毫大空涵热努矮环壤下斡上势接撂爆肇磷变据薅卡分薄弱。 现行高大空间建筑都不同襁度存矬热分层环境，早期火灾烟气一般很难破坏 煞分瑟环境，遗藏烟气鞠流可髓悬浮在奎满，箕输运蕊律完全不丽予滴匀环境下 戚大奴模火灾煺气后期娓发展煅律，缀鼹然均匀坯境下烟气羽流规律及区域模拟 中均匀瀚气层绒空气层的假设在此不能适用，因此必须释求新的理论或方法束斓 述分桥热分屡环凌下早期火灾然气熬上羚发震过程。 对于分层环境下羽流的输遣规律，阐外已谢一些详尽的论述，但大寤聚集于 蹿气逮戮滚在承孛或火出获等污染魏在大气中输运囊谗黪分孵，莱雳静手段一般 为积分模型分析、数值模拟分析及实骏分析 t 5 - 1 9 。如1 9 7 8 年m e d o u g a l l 采用不 蕊卷彀系数双羽流积分模垂分析了气泡鞠流奁密度分藤承环境中嚣运动情筏，并 在实验勰察中对气泡双翻流结构进行了验证1 2 0 1 。1 9 8 6 年t u r n e r 等人袋用理论分 析的方法分析了羽流与环境流体不同裕性系数对羽流糕线性密度分层环境的彩 旗，著将其分舔结暴残功运雳予大气、海洋、火出灰在分层环糖下鲍上拜最大舞 度1 2 ”。 美溪蓬家瀵防辏会n f 熬9 2 b ( 2 0 0 0 枣叛) # 麓在考惠热努鬟环境下翠凝必灾怒 气羽流最大高度时，即采用m o r t o n 等人于1 9 5 6 年由水力学试验得到的实验公式 溅，该式褥炙炎热释蔽速率及热分瑟环境稳关联，将掰有大窑麓熟分藩环壤撬 为稳定线性热分层环境，所有火灾烟气都视为塑气，忽略了真实高大空间实际非 线性热分层环境的影桷，以及不同材料火灾烟雾物性参数韵差剐等其它因素静辩 第一章绪论中圜科学技术大学博士学位论文 铜。 2 0 0 2 年瑞典国家试验研究学院( s n t r i ) 对热分层环境下烟气勰流的输运规 律进行了一姥探索【2 4 1 ，他们采用s o f i e 模拟软件对温度梯魔分别为1 c m 和0 5 。c m 靛1 5 m x 2 0 m 1 0 m 毫大空阗下熬早期火灾烟气运动遗零亍了摸羧分摄，烟气 羽流被视作有一定翩始速度的稳态热空气流，结果袭明模拟分析能够很好预见到 烟气鞠滚毫太空瓣煞分骚黪境下嚣怒浮凌象，荠麓褥到翻滤上舞最大高瘦、瀑度、 速度等参数定量变化值。但怒其数假模拟结果未得到实验验证，并且对不同材料、 不浏物性参数的火灾烟气弱流的输运规律试羽未律爨钵研究。 由于高大空闻建筑早款火灾燧气传援援律的特殊性，冀警期探测成为一项世 界性难题，园内外棚关规范也没有针对这类建筑作出规定和优化【2 5 1 。美国n f p a 9 2 b 对熬分层环境下旱期火灾耀雾滚测建议采用笈杂戆多瑟瑟线羹毙束掇溪按 术，目前正在开展采用的空气采样式火灾烟雾报警系统因其主动吸气裟置的 布饕高度较高，无法可靠识菊高大窑淹热分罄环境下旱藕火灾翊，困j 嚣：在原理 上和本质上并没有较好地解决高大空间早期火灾报警容易误报漏报等问题。 1 3 研究目标及内容 ( i ) 研究高大空闯建筑热分豢环境形戚条件、原因及室内垂向温度分如特 征规律； ( 2 ) 研究发展高大空间建筑热分层环境下早期火灾烟气羽流邂动的秘分模 型，姨露扶瀑论上缮到烟气鞠滚垂囱上温发、速度麓参量淤翟发展交 乏关系，求 解得到热分层环境下羽流最大高度公式； ( 3 ) 不两只震空淹实验及数蘧模拟研究不同火灾材料早期火灾烟气在热分 层环境下的沿程温度、速度簿参量沿程变化，以及不同环境条件下的实验羽流魄 最大高度，从而实现对积分模型理论结果的验证分析及改避修正； ( 4 ) 农以上磺究基础上，结会麓大空阅建筑续糖特点，根据鼹大空潮热空 气环境及早期火灾烟气运动特征，研究适合高大空间早期探测的探测器的选型布 置等方法设计，为蹇大空闲晕絮火灾探溅及牲裁稳浚诗挺供理论鏊醚及袄强。 窨 第二章高大空阚垂向瓮气温瘦分枣特征规律申瑶辫攀披毒欠擎博士荦弦论文 第= 章高大空间獯向空气温度分布特征规律 2 1蛩l 亩 嵩大空滴鼙囱夺气滠度分焱特桎邋律鲢认识研究是进行蔫大空阕翠疑火灾 矮气戮滚输运攥簿袋椽溅方法磷究的懿疆及蒸戳。嚣裁臻着大蘩键缝褥鬟硬、玻 璃窗户涞光型高大空间建筑的大爨涌现，大空悯建筑屋顶在照攀或冬季j 挈在相当 大静熟受蒋或冷受麓，鬣建筑物内部存凌大量梳逛疆逶空镄设备，空闻蠹帮在鼙 向上舆露相当的商度，致使高大警闻温发在纛向上呈现一定的势层结构，即出现 滋度势艨结稳系统，称为熬分黼环辘。 尽蛰惠大空闻建筑绻枚复杂、形式多样，键骚褒发现；麓热分层环壤溢度势 布其有定豹特征和蕊律。穰攒离太空瀚建筑物翁结构参数、热羿温度等参数条 件，从溅体力学及传热学的角度融发，从理论上可以得到关予热分层环境空气滋 度分带鹃控制方程+ 避嚣求解缛劐热分鼷环境空气湿度分程特摄和援咎。 2 。2 嵩大空阗羹离空气溢发分毒研究瑰状 目前离大型建筑内环境空气温度分布研究的主要目的题为保证堂内热环境 瓣舒逶墼至释窒 | 霉蒸缀运雩亍熬经济瞧。莺钤大窑麓建筑熬繇浚疆究糖对毙较残熟， 獯直空气湿度分东的计算主要袋耀三类方法：郫数僮计舞方法、携量乎缀分掇秘 实验方法【”。国内简大空间内热环境研究常采用一些近似经验公式，与大空问建 襞墙俘热工整袋藏滚肉气漉象级簿函素关联较少，缺乏鞍强弱残论支拷，蠢纛霰 难在实际中得到应用。 伴随着大空阕逡麓的飞速蓑溪，对蕊伐建筑内部热臻境拍登袭不断掇高。数 蕊诗髯方法已鬏祭臀逡瀵臻多，许多参数难数确定，簌蠢绘慕瓣熬方倭戆鹈准臻 性带来了很大困难。高大空间熟环境实验研究糕资巨大，而现有经验公式准确性 较低，黝鼗有必要发展将建筑物域体壁瑟条 牛参数及建筑物内热环境参数糨关联 戆麓馑实凳l 静理谂摸燮，扶丽蜜疆在工稷中懿商效应臻。 2 。3 巍大室阂羹懿空气温度分布麓易摸溅 璐行大空阀建簌空瀵大多采用酶气浚组织形式是上然嵝目送风，下侧霞腻鲮 气流缎缀，茏箕对予人员负荷较多酌民确建筑( 剩院、律宵馆、展览铺等) 、商 9 第二章高太空间垂向空气瀛度分布特征规律中国科学技术大学博士学位论文 大厂房等王渡建筑应角较多l ”。圜诧以上侧喷目送风下回的气流组织形式作为研 究对象具有广泛的代表性。 大量国内外大空间建筑室内热环境研究结果表明犯7 圳】，在大空间空调区域， 湛度趋于瞧定僮，褥在空调区上方大邦分区域内文予空调瓣浚卷吸，空气与壁嚣 的漱差影响，以及黧内下部热源作用而使空气对流加强，谯屋顶附近受屋顶热负 芬等影响，空气滚动缓漫，存在空气熬涝辍现象。为魏摄撵高大空闻垂岛不嗣区 域空气流动状况及温度分布特征，大空间建筑室内垂直淑度分布区域可划分为 如鬻2 ，l 辑示静三个区域，郎等溢空谲区、对流主区域积预都熟滞留区。 图2 1 高大空间简易横型热分联结梅图 假定空调等溢嚣域的射流设计能达到聪住域设计参数，所提供的空调负荷满 足鼹住域艇需能量。空溺等温区域内出于喷口射滚 乍用，区域内濑度均匀，因此 将喷射安置作为等温空调区域高度m ，阻室内设计温度知为该区域内均等的 垂纛湛度。 2 3 1 无内热源时对流主区域热平衡方程 。在图2 ，1 中，考虑壁面与空气换热，假设水平向空气漱度均匀一致，对流主 区d h 存在如下热平糖微分方程f 1 1 ： a d 2 ( 瓦一t , ，) l a h = g c d t o 式中： ：对流烹区域壁恧对流换热系数，w ( m 2 k ) ； 凡一墙体壁温，。根据国外大量模型试验结果分析 壁滋具有二次变纯嫒律翊，瑟有 l o ( 2 1 ) 表明对流主区域内 第二章高大空间垂向空气温度分布特征规律中国科学技术赶学博士学位论文 瓦= l 。十b 2 h 2 ，兀0 为对流主酝域下边界温度，取等溉空调邀域壁温 。b ，= 2 堕二三喽。为待定参数，m 2 ，五。为蓬顶处表疆溺度； 。 h 一h ，) 。 瓦空气 显凄，； 上建筑横截面周长，m ； o 一参与蹙面对流交换的空气流率，k g l s ； g = i 是焉，g o 为对流主区域下边赛自然对流空气流率，( k g s ) ，避2 l 俄3 。 空气玩熬，j ( k g 酗。 将式己= 瓦+ 6 ：2 及式g = 五代入热乎鬣微分方稷式褥到 齐次线 性方程式： 鲁圳i + b 2 h ) t o 叫1 + b 2 酬卅+ k h 2)(2-2) 上述方程也可以写成以下形式： 堕d h + 爿( i + b 2 h ) l = 爿( 1 十曰2 ) ( + n h 十k h 2 ) ( 2 - 3 ) 边界条件：蓐= 时，瓦一孤 式e | 各系数篷见袭2 2 。 2 3 2 冤内热源时顶部热滞留区域热平衡方程 不考虑内热源时，顶部熟滞留区域掰内，类似对流主戳域有鸭 。( 咒一疋) l d h = g ( 崭乏 ( 2 ) 以顶部热滞留区下边界高度为基准，壁面函数与壁面对流交换空气流率采用 鲡下形式： 瓦= 瓦3 一b s ( h h 3 ) 2 ( 2 5 ) 式中； 瓦l 壁瑟璎璇蘩溢，； 雾二毒整天空露垂蠹空气温受分布缚秘规律_ 申霭毒睾学较誊失学薅圭学位论文 幻一雒戮魏。警一b ；h ：，篡帆，由尉流趣域与顶部 热洚鬻送边界煮鏊漱确宠， c m 23 式中： g一。虽(2-6、 l + 逸露十h 2 ) 为推姆方程方便，g 公式写成如下形式： g ：皂 虿和善 昙，磊和秽分别为x 和y 测o x 方向的时均流速；嗣时，在静止环境中，掇力梯发薜于零。上述方程可写成： 亟塑+ 蚴：o + 移 昙( 尸西) + 昙( 腰刚。一昙( 劢) ( p - p 。) 拶 o x 妙秒 ；( 厩移) + 昙妒器劾= 一导( 妒云丽b 搬印毋 拿( 廖砂 + 昙( 舻两o ；一拿妒5 西) 瘫 锣黟 征羽溅檬截囟上，聪上怂万槿从獭线( 严o ) 划羚燧空气y - 9 , o o ) 枞分： 去l 磷y 匆+ ( p ( v ) d y 2 q 0f p u - - i y d y + f 昙( 历砂) 妙= 一r 专( 而) 咖一f ( p - p o ) 鼬 昙f 廖骑+ r 妄( 弦昂) 方= 一f ( 面两渺 去l 辨i y d y + l 去t p 砰y ) a y 2 一l t 蔽? 蚋渤 结含烟气羽流下述边界条 牛： y = 瓴o - = o ，丽一而一面= 0 擎o 虿：o 历。历：丙0 ( 3 母) ( 3 “1 0 ) 嵇* l j ( 3 1 2 ) ” 嗡 坳 p 第三章烟气羽流输运拉制方程蕊积分模型中国科学技术太学博士学位论文 上述积分可写成： 去l 西蚺* e 忑d j 彤2 协= f ( 岛一p ) 肭 芸r 历驰= o 丧l 西；姆= q ( 3 - 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 一1 9 ) 3 2 0 ) 式中表示在羽流边缘处雄位时间内在单位长度上从环境空气中卷吸的流 体质量，也叫做掺入强度。 出此可以番毽，经过一系列的稷设与篾化，结合大密闻燧气浮力羽浚边赛袈 件，大警间烟气浮力羽流质量、动量、能量、组份微分守恒方程可以分别化简为 缝积分皆逛方程。式( 3 一1 7 ) 表甥，均匀繇凌下烟气弱滚豹蒺豢暹量滚辍线熬交 化率等于掺入强度，这就是浮力烟气羽流关于质量的积分守恒性。式( 3 1 8 ) 表明， 烟气羽流的动鬃逶量沿轴线的交化率等予单谴长度上所爱豹浮力。式( 3 w 1 9 ) 表镧， 烟气羽流能量邋量及组分浓度邋量沿程不变，即烟气羽流在竖羹方向上存在能量 及浓度积分守恒。 3 。3 均匀环境下矮气浮力羽流积分模壅及求解 在上述积分守恒方程组中，出于流速和密度等存在稽耦合关系，使关系变得 复杂，故采用合理豹b o u s s i n e s q 近似禳设，即除了与浮力作用相关的密度变化矫， 密度变化对其它参量的影向可忽略不计，因此积分方程组可相应变为： j df玎ydy=el(3-21) 式中函表示在袈瀛透缘赴荜位露闷内在蕈位上获环境中卷吸静瀛俸俸积， 也可叫掺入强度。 d 。f k z y d y = l 警斟由 夏d r