小面積房間與走廊中煙霧運動特點的模擬分析

李俊峰

(山東臨邑縣公安消防大隊，山東 德州 251500)

通常樓房內著火，會因火勢的蔓延，使整個走廊內煙氣彌漫，向樓梯內擴散，而后經門窗流走。火災發生初期消防人員極易控制火情也能夠盡快疏散被困人員，是確保人身安全的最佳時段。掌握該時段內煙氣的流向特點，消防人員才能對失火房間作出準確的判斷，按照樓梯、走廊、失火房間的行進步驟采取救護措施及滅火工作。因此，針對室內及走廊的煙氣流向特點，合理設計通風排煙系統、安全設置人員疏散預案以避免樓房內煙氣的彌漫，降低火災導致的人身傷亡和經濟損失。故而以模型房間為例，對火災初始屋內及走廊內煙氣流向特點作了進一步探討。

一 煙氣流動理論分析

1.室內煙氣流向特點

樓房內起火時，失火房間內的空氣被加熱升溫，燃燒所產生的煙霧及釋放的氣體與周圍空氣密度同比要低，因而會浮于空氣上方，當升至屋頂后流向即刻變為斜向下運動，此即為頂棚射流。屋頂和墻壁在一定程度上制約著熱煙氣的四散，從而使得熱煙氣上升匯聚在頂棚附近，最終形成熱煙氣層，熱氣層的厚度不斷的增加，當它的體積占據屋門以上的空間并超出屋門上面的邊框時，便會有部分熱煙氣形成射流從屋門流向走廊。

2.走廊煙氣流向的特征

以射流形式從居室流入走廊的熱煙氣會形成一個個的浮力羽流并不斷地碰撞走廊的頂棚，而且此時著火的房間會產生一個小的射流并向外排出。射流速度要比冷空氣和熱煙氣交界處的重力波速度快得多，在交界處，冷空氣和熱煙氣的末端和前緣相互沖擊從而產生了跳躍氣體。跳躍氣體吸收了大量的環境空氣，此時在它下面的熱煙氣流動的速度逐漸變慢，質量流量由于處于跳躍狀態時吸收了大量氣體而增加。熱煙氣撞擊到走廊頂棚之后便四散蔓延，直到充滿整個頂棚。當熱煙氣觸到頂棚邊緣的墻壁上時，就會被反彈回來，反彈回來的熱煙氣沿著分界面流動，最終折回著火的房間。但持續反彈過程中并沒有大量環境空氣可吸收。一般反彈回來的熱煙氣在流動到著火房間門口周圍的跳躍點時，就會把跳躍氣體吞噬，而且去除了這個點對底層冷空氣的吸收，反彈活動進行幾次之后，就會逐漸削弱最終消失，走廊頂棚的熱煙氣一般厚度均勻，熱煙氣從著火房間流出進入走廊，匯集到走廊頂棚，使其厚度不斷增加，并沿著建筑物的頂層四散開去。

(1)制作實驗物理模型。制作房間到走廊的煙氣流動模型。為了在試驗中更容易更清晰地觀察，我們一般選取耐高溫的透明有機玻璃作為模型的原材料，制作中，我們必須保證模型的密封性，從而防止煙氣的散失，杜絕外界環境的的干擾，使火焰在房間的中間位置保持不變。

(2)實驗的過程和解析。實驗的目的是分析火災初始階段煙氣的流動特點，因此我們一般選用燃燒時產煙率較高的橡膠制品作為火源的原材料，點燃時，為了方便引燃橡膠制品，可以在其周圍卷上一層海綿。我們把火源放到模型著火房間底部的中心位置，當實驗開始進行時，我們通過模型窗口把點燃的火柴伸進模型房間引燃海綿。實驗開始后，需要把模型房間的窗戶緊閉，并封閉走廊的末端。在點燃火源后的15s、30s、60s的時刻，分別記錄房間和走廊中煙氣的狀態。火源熄滅以后，將走廊末端的密閉擋板拿開，從而了解不同時間段的煙氣流動情況。

從實驗的現象可以知道：火源被點燃之后，會產生大量煙氣，這些煙氣上升至房間頂部后，與頂棚發生碰撞改變流動方向，與頂棚成各種角度斜向下流動，從而形成頂棚射流。熱煙氣的蔓延受到房間在空間上的限制，它們匯集在房間頂部形成熱煙氣層，這時候我們可以清晰的看到房間內顯示的分層現象。燃燒一直持續的情況下，熱煙氣層的厚度也在不斷的增大，當厚度達到一定程度，占滿屋門上端至頂棚的空間，就會有部分熱煙氣從房間排除，形成煙氣羽流。從房門上邊框以射流形式流入走廊，其會變為一個浮力羽流并與走廊頂棚發生碰撞，從而形成頂棚射流。熱煙氣在走廊頂棚不斷地四散蔓延，致使走廊也出現鮮明的分層現象，流動的熱煙氣的前端與所觸到的環境冷空氣相互碰撞從而產生跳躍氣體，且持續著跳躍狀態。

3.網絡數值模擬

網絡模型和實驗模型的尺寸保持統一。制作模型時，建造的模型實體必須以長方體作為最小單元，它并不具有可以建造傾斜模型實體、弧狀模型實體的特殊功效。我們利用分解的方法對不規則形狀的實體進行研究，通過把某個不規則形狀的實體分解成多少個小立方體單元來創建，小立方體單元被分解的數量越多，最后制造的實體與原實體就會越接近。

二 結論

(1)火災發生的初級階段對小尺寸房間到走廊的煙氣流動特征進行理論分析探索、實驗模型模擬、網絡模型模擬。且三種研究方式的結果具有一致性。從而我們可以得知，各類各樣的建筑物其火災場景的煙氣流動特點都可以利用與房屋成比例的模型和網絡模擬方式進行形象的展示，從而使研究者以及設計人員避免盲目設計，增強建筑防排煙設計的針對性和有效性。

(2)比例模型房間到走廊的煙氣流動特點：火災發生時，由于熱能的作用使有毒的氣體呈直線向上高速上升，從而形成火羽流，毒煙氣上升至房間頂棚后四散蔓延，即產生了頂棚射流;燃燒一直持續的情況下，會制造更多的熱煙氣，房間頂部的熱煙氣層厚度不斷增加，體積不斷擴大，當煙氣層充滿整個房間頂部，且抵達屋門上邊框時便會從屋門上檐以煙氣羽流的形式射出，此煙氣羽流進入走廊后與走廊頂棚撞擊會形成頂棚射流，且這個位置的熱煙氣流速較大。熱煙氣在走廊頂棚四散流動，最后與走廊盡頭的墻壁發生碰撞，然后被反彈回來至分界面，這樣的反彈在持續發生幾次后會不復存在，最后熱煙氣會占滿整個房間以及走廊。

［1］孫萌陽.基于物理模型的煙霧模擬技術的研究［D］.新疆大學.2010

［2］翟松青.脈動風場中煙霧模擬方法的優化研究［D］.燕山大學.2010