《建筑防排烟工程》 课件 2火灾烟气的流动

第二章火灾烟气的流动2.1烟气流动的驱动力2.1.1热浮力引起的烟气运动2.1.2热膨胀引起的烟气运动2.1.3烟囱效应引起的烟气运动2.1.4外界风作用下的烟气运动2.1.5通风空调系统引起的烟气运动2.1.6电梯活塞效应2.2烟气的扩散路线内容梗概2.3着火房间及走廊内烟气流动2.3.1烟气羽流2.3.2顶棚射流2.3.3烟气层沉降2.3.4走廊内烟气流动2.4竖井中烟气流动2.4.1具有连续侧向开缝竖井2.4.2具有上下侧向开口的竖井2.4.3具有连续侧向开缝和一个上部侧向开口的竖井2.4.4顶部水平开口的竖井2.1烟气流动的驱动力1、浮力2、烟囱效应3、膨胀力4、外界风5、空调系统6、电梯活塞效应烟气流动的驱动力建筑火灾过程中，在热浮力的作用，烟气从火焰区直接上升到达楼板或者顶棚，然后会改变流动方向沿顶棚水平扩散。由于受冷空气掺混以及楼板、顶棚等建筑围护结构的阻挡，水平方向流动扩散的烟气温度逐渐下降并向下流动。逐渐冷却的烟气和冷空气流向燃烧区，形成了室内的自然对流流动，火越烧越旺。。2.1.1热浮力引起的烟气流动热浮力作用下着火房间内烟气的自然对流2.1.2热膨胀引起的烟气运动温度升高引起的气体膨胀是影响烟气流动的重要因素。忽略燃料燃烧所增加的质量，再假设烟气的热性质与空气相同，则烟气流出与空气流入的体积流量之比可表达为绝对温度之比：式中，Vout——从着火房间流出的烟气体积流量，m3/s；Vin——流入着火房间的空气流量，m3/s；Tout——从着火房间流出烟气的绝对温度，K；Tin——流入着火房间空气的绝对温度，K。若流入空气温度为20℃，当烟气温度为250℃时，烟气热膨胀的系数为1.8；当烟气温度为500℃时，热膨胀的系数为2.6；当烟气温度达到600℃时，其体积约膨胀到原体积的三倍。由此可见，火灾燃烧过程中，从体积流量来说，因膨胀产生了大量体积烟气。若着火房间的门窗开着，由于流动面积较大，燃气膨胀引起的开口处的压差较小可忽略。如果着火房间门窗关闭，并假定其中有足够多的氧气支持较长时间的燃烧，则，燃气膨胀引起的压差将使烟气通过各种缝隙向非着火区流动。2.1.3烟囱效应烟囱效应：在建筑的竖直通道中，由于温度差的存在使得自然对流循环加强，促使烟气流动的效应。正烟囱效应：当建筑物内部温度较高，室外温度较低时，竖井通道（楼梯间、电梯井、强弱电桥架等）中存在一股上升气流。逆烟囱效应：内部温度＜室外温度，竖井通道内气流向下。烟囱效应是建筑火灾中烟气流动的主要因素。正烟囱效应作用：火灾发生在中性面下，烟气将随建筑物中空气流入竖井，并沿竖井上升。烟气流入竖井后，井内气温升高，产生的浮力作用增大，竖井内上升气流加强。一旦烟气上升到中性面以上，烟气便可由竖井流出，进入建筑物上部各楼层，然后随气流通过各楼层的外墙开口排至室外。如果楼层间的缝隙可以忽略，则中性面以下的楼层，除了着火层外都将没有烟气进入；如果楼层上下之间存在缝隙，则着火层所产生的烟气将向上一层渗漏，中性面以下楼层的烟气将随空气进入竖井向上流动。火灾发生在中性面上，由正烟囱效应引起的空气流从竖井进入着火层能够阻止烟气流进竖井。当楼层间存在缝隙时，如果着火层的燃烧强烈，热烟气的浮力克服了竖井内的烟囱效应，则烟气仍可进入竖井继而流入上层楼层。着火房间中的烟气将随着建筑物中的气流通过外墙开口排至室外。逆烟囱效应作用：火灾发生在中性面上，火灾开始阶段烟气温度较低，烟气将随着建筑物中空气流入竖井，烟气流入竖井后虽然使井内的气温有所升高，但仍然低于外界空气温度，竖井内气流方向朝下，烟气被带到中性面以下，然后随气流进入各楼层中。随着火灾发展，高温烟气进入竖井后将导致井内气温高于室外气温，浮力作用克服了竖井内的逆烟囱效应，则烟气在竖井内转而向上流动。2.1.4外界风作用下的烟气运动风的存在对建筑物将产生压力，这种压力会影响建筑屋内的烟气流动，因素包括：风向风速建筑物高度几何外形邻近建筑物一般说来，风朝建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，这可增强建筑物内的烟气向下风向的流动。2.1.4外界风作用下的烟气运动风级风级名称风速/（m/s）地面动态0无风0~0.2静，烟直上1软风0.3~1.5烟能表示方向，树叶略有摇动2轻风1.6~3.3树叶微响，旗子开始摇动，人脸部感到有风3微风3.4~5.4树上有细树枝摇动不停，旗子展开4和风5.5~7.9小树枝摇动，地面上灰尘和纸屑被吹起5劲风8.0~10.7有叶的小树摇摆，内陆水面有小波6强风10.8~13.8大树枝摇动，举伞困难，电线呼呼作响7疾风13.9~17.1全树摇动，迎风步行感到不便8大风17.2~20.7折毁小树枝，迎风步行感到阻力很大9烈风20.8~24.4小房子被破坏，屋顶平瓦移动10狂风24.5~28.4陆地上少见，能把树木拔起，把建筑物摧毁11暴风28.5~32.6陆地上少见，摧毁力很大，造成严重灾害12台风32.7~36.9陆地上绝少见，摧毁力极大2.1.4外界风作用下的烟气运动风速随着高度的变化情况为：靠近地面的风速较小，随着高度的增加，风速相应增大，始时，风速增大得很快，后来逐渐减缓：设计时应根据当地气象部门提供的风速或实测的风速值的具体测定位置与所设计的建筑物的具体位置的地面状态加以修正，即：设计建筑物的位置风速测定位置ψ值开阔地开阔地1.0市区1.2市区开阔地0.8市区1.0表2-2风速修正系数2.1.4外界风作用下的烟气运动风的动压：风由于受到建筑物阻挡而造成建筑物四周气流静压发生升高或降低的现象称为风压作用，若以远处未受干扰的气流的压力为基准，静压升高，风压为正，称为正压；静压降低，风压为负，称为负压。2.1.4外界风作用下的烟气运动在某一风向下，建筑物外围上任一点的风压为：表2-3建筑物外墙面的风压系数值风向夹角风压系数k值迎风面背风面00.75-0.4150.75-0.5300.72-0.48450.45-0.5600.28-0.48750-0.590-0.4-0.4建筑物在风力作用下的压压系数分布

2.1.4外界风作用下的烟气运动风压对建筑物外墙开口处压力分布的影响2.1.4外界风作用下的烟气运动（a）风压为正时（迎风）（b）风压为负时（背风）无外界风时，着火房间的开口处在中性层以下外部空气流入，中性层以上室内烟气流出。在有外界风的情况下，且建筑物房间外墙面开口位于迎风侧，即开口受到的风压为正压时，外墙面开口的中性层因正压作用而升高；在有外界风的情况下，且建筑物房间外墙面开口位于背风侧，即开口受到的风压为负压时，外墙面开口的中性层因负压作用而降低。在高层建筑发生火灾往往出现外窗玻璃破碎这种情况下，若破碎的外窗处于正迎风面，大量外界新鲜空气在高风压的作用下进入高层建筑内部，将驱动整个高层建筑内热烟气迅速流动，使火灾迅速蔓延，给建筑内人员的安全疏散及消防人员的灭火作战带来极大影响。若破碎的外窗处于背风面，则外部风压在高层建筑背风面产生的强大负压会将热烟气从高层建筑内抽出，为建筑内人员的安全疏散赢得宝贵时间。

2.1.5通风空调系统引起的烟气流动在火灾情况下，即使风机不开动，采暖、通风和空气调节系统（HeatVentilationandAirCondition，简称HVAC系统）的管道也能成为烟气流动的通道。在前面所说的几种力（尤其是烟囱效应）的作用下，烟气将会沿管道流动，从而促使烟气在整个楼内蔓延。

防止措施：关闭HVAC防火阀和风机，切断着火区与其他部位的联系。

2.1.6电梯活塞效应当电梯在电梯井中运动时，能够使电梯井内出现瞬时压力变化，称为电梯的活塞效应。当电梯向下运动时将会使其下部的空间向外排气，其上部的空间向内吸气，而电梯向上运动时气流运动则正好相反。发生火灾时，电梯的活塞效应能够在较短的时间内影响电梯附近空间和房间的烟气流动方向和速度。着火房间→室外着火房间→相邻上层房间→室外着火房间→走廊→楼梯间→上部各楼层→室外烟气蔓延路径2.2烟气的扩散路线2.3着火房间及走廊内

烟气流动

2.3.1烟气羽流燃烧表面上方不太远的区域内存在连续的火焰面，称为连续火焰区；在往上的一定区域内火焰则是间断出现的，称为间歇火焰区。火焰区的上方为燃烧产物（烟气）的羽流区，其流动完全由浮力效应控制，一般称其为浮力羽流，或称烟气羽流。

2.3.2顶棚射流当羽流与顶棚相遇时，热烟气在径向进行扩展，形成顶棚射流。

2.3.2顶棚射流多数情况下顶棚射流层的厚度约为顶棚高度H的5%~12%，而顶棚射流层内最大温度和最大速度出现在顶棚以下顶棚高度H的1%处。

2.3.2顶棚射流对于顶棚下建筑横梁之间和走廊中烟气的受限流动，其最大温度为

2.3.3烟气层沉降

2.3.4走廊内烟气流动1.着火房间扩散到走廊中的烟气流动特点烟气在上层流动，空气在下层流动，分层流动状态能保持40~50m的流程；但若流动过程中遇到外部气流干扰时，如室外空气送进或排气设备排气时，则层流状态将变成紊流状态。烟气层的厚度在20-30m的流程内能维持不变。

2.3.4走廊内烟气流动2.着火房间蔓延到走廊中的烟气量外窗打开、门关闭的情况下

2.3.4走廊内烟气流动2.着火房间蔓延到走廊中的烟气量外窗关闭、门打开的情况下，大量气扩散到走道中，严重影响人员疏散安全如果门窗同时打开，大部分烟气将通过窗孔的上部排至窗外，扩散到走道中的烟气量仍较少2.4压力中性面本节学习内容2.4.1具有连续侧向开缝竖井2.4.2具有上下侧向开口的的竖井2.4.3具有连续侧向开缝和一个上部侧向开口的

竖井2.4.4顶部水平开口的竖井2.4.1具有连续侧向开缝竖井具有连续侧向开缝竖井，从其顶部到底部有连续的宽度相同的侧向开缝与外界连通。由于竖井内温度高于竖井外温度，则由正烟囱效应而引起的该竖井内气流状况如图2-19。图2-19与外界具有连续开缝竖井的气流状况2.3.1具有连续侧向开缝竖井由于中性面处竖井内外压力相等，所以我们不妨假设此处压力为p0。在距中性面N上方垂直距离h处的竖井内外压力分别为：pin=p0+ρinghpout=p0+ρoutgh两式相减2.3.1具有连续侧向开缝竖井∵竖井内外压差变化远小于绝对大气压力patm（Pa），因此，可以用patm和竖井内外气体温度来表示气体密度，则式（2-18）可写为∴孔口流动——流量平方根法则当烟气从出口向外蔓延时，其流动遵从流体孔口流动规律。与开口壁的厚度相比，开口面积很大的孔洞（如门窗洞口）的气体流动，叫做孔口流动，如图2-20。

图2-20孔口处的气流

2.2烟气等效流通面积从开口面积为A的出口喷出的气流发生缩流现象，流体发生缩流后的截面面积变为A’。故引入收缩系数a,则a=A’/A，由流体力学实验得知取值一般为0.62~0.64，一般圆形薄壁小孔口的a=0.62~0.64。那么通过孔口处的容积流量Q（m3/s）为：

Q=aAv

（2-20）2.2烟气等效流通面积根据伯努利方程（不考虑孔口入口处的缩流阻力和孔口内的摩擦阻力）：

（2-21）则将（2-15）代入（2-14），烟气总流量Q、开口两侧总压差△p=

p1-p2，和流通面积A之间的关系式为

（2-22）对于多数烟气控制计算来说，可以假定通过某一孔口的烟气温度不变和收缩系数相同。下面分别讨论各种情形下等效流通面积的计算。2.4.1具有连续侧向开缝竖井从h处起向上取微元高dh，设w为竖井的宽度。根据流量平方根法则，通过该微元面积向外排出的气体质量流量为则从竖井中性面至上缘之间的开口面积中排出的气体质量流量为同理，可以得到从竖井中性面至下缘之间的开口面积中流入的空气质量流量为式中，a——竖井的流量系数；

ρout——外界空气的密度，kg/m3；

ρin——室内空气的密度，kg/m3。顺便指出，大开口房间的压力中性面与上述具有连续侧向开缝的竖井类似。火灾发展过程中，中性面位置的变化过程如下列图a--d所示火灾初期，室内气体分为上部热烟气层和下部冷空气层，因而室内压力分布由两段斜率不同的直线组成，下半段直线与室外压力分布线平行，室内外压力分布线没有交点，不存在压力中性面；随着火灾的发展，热烟气层逐渐变厚，室内压力分布线上半段随之变长，并与室外压力分布线相交，交点所在的水平面即为压力中性面；发生轰然后，室内气体不再分层，压力分布线成为一条直线。2.4.2具有上下侧向开口的竖井图2-15具有上下双开口竖井的气流状况这种类型的竖井与上节具有连续侧向开缝竖井的不同在于：两个侧向开口间的距离比开口本身的尺寸大得多，这样可忽略沿开口自身高度的压力变化，也就省去了积分的麻烦。但分析方法与上节相类似。由于中性面处竖井内外压力相等，所以我们不妨假设此处压力为p0。在竖井下部开口处，竖井内外压力分别为：p1in=p0+ρingHN

（1）p1out=p0+ρoutgHN

（2）则竖井下部开口处的内外压力差：

（3）在竖井上部开口处，竖井内外压力分别为：p2in=p0+ρing（H-HN）

（4）p2out=p0+ρoutg（H-HN）

（5）则竖井上部开口处的内外压力差：

（6）根据流量平方根法则，当Tin>Tout时，通过下部流入口流进室内的空气质量流量为通过上部排出口流出的气体质量流量为由于流量连续，即min=mout，故两边平方，根据理想气体定律移项整理得

开口形式相同，则a1=a22.4.2具有上下侧向开口的竖井（1）火灾温度越高，即Tin越大，HN

越小，即中性面下移。（2）下部开口面积A1越大，HN

越小，即中性面下移，有利于对外排烟。所以，在进行自然排烟设计时，应适当加大竖井底部的开口面积，这样有利于上层的对外排烟。中性面位置计算公式：中性面位置与上下开口面积、竖井内气体温度及外界空气温度有关。2.4.3具有连续侧向开缝和一个上部侧向开口的竖井这种情况相当于连续侧向开缝和侧向开口