環境風對高層建筑樓梯井內火災煙氣運動特性的影響

袁 威，梁 棟，褚燕燕，王 偉

(1.中山大學智能工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣東省消防科學技術重點實驗室，廣東 廣州 510006；3.中山大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510006；4.應急管理部上海消防研究所滅火理論研究室，上海 200032)

近年來，全國各省市全面推進城市化建設，高層建筑與日俱增，隨之而來的高層建筑火災事故頻繁發生，造成大量的人員傷亡和財產損失[1-3]。在高層建筑火災中，煙氣是造成人員傷亡的最主要危害因素，據統計，因煙氣致死的人數可達到火災總死亡人數的80%以上[4]。高層建筑發生火災后，在煙囪效應等作用驅動下，煙氣會隨著樓梯井、電梯井、管道井和電纜井等豎向井道從下往上傳播到各個樓層[5]。由于高層建筑樓層較高，發生火災時通常利用樓梯井作為人員疏散與救援的通道。因此，研究高層建筑樓梯井內火災煙氣的運動情況具有重要的意義。

在高層建筑中，外部環境風在很大程度上會影響建筑內部火災煙氣的運動趨勢。目前前人的大量研究主要致力于描述高層建筑豎井內部火焰羽流的運動特征和不考慮環境風作用影響下建筑內部煙氣的運動特性[6-11]，而關于環境風影響高層建筑樓梯井內火災煙氣運動特性的研究較少。Poreh等[12]將多層建筑的每一層樓梯間設置為對外開口，分析了在有增壓系統和無增壓系統下環境風對室內火災煙氣運動的影響，認為環境風會極大地增強增壓系統的性能；周允基等[13]研究了多層建筑不同樓層位置的房間發生火災時外界環境風對房間內外穩態溫度場與流場的影響，并建立了多層建筑火災流場特性數學模型，結果發現當多層建筑發生火災時，外界環境風向和風速對有、無熱源的房間內部火災煙氣流動特性均有影響，且風速不同影響程度不同；李耀莊等[14]利用Phoenics軟件研究了環境風對小城鎮多層建筑火災流場的影響，結果發現不同風向和風速的環境風對有、無熱源的房間內部火災煙氣流動特性均有影響；黃冬梅等[15]利用FDS軟件建立數值模型，模擬研究了在有風條件下高層建筑豎井內火災煙氣的運動規律，發現迎風向對豎井內火災煙氣蔓延的影響程度要大于背風向和側風向；Wang等[16]模擬了10層公寓中環境風對室內火災煙氣運動、溫度、能見度和一氧化碳濃度的影響，結果發現在迎風條件下，火災煙氣溫度與風速呈正相關關系；Ji等[17]模擬了在風速為0～6 m/s情況下，環境風對高層建筑樓梯間內火災煙氣運動情況的影響，結果發現羽流達到特定高度所需要的上升時間隨風速增加而增加。

綜上，前人的研究中對于環境風對高層建筑樓梯間內火災煙氣運動特性的研究仍不完善，環境風對樓梯井內火災煙氣特性影響的相關研究不足。鑒于此，本文采用理論分析和數值模擬相結合的方法，基于廣州市某地真實高層建筑樓梯井原型，利用火災動力學仿真軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)建立了該16層高層建筑樓梯井全尺寸FDS數值模型，并通過數值模擬，分析了環境風對高層建筑樓梯井內火災煙氣運動發展態勢的影響。

1 FDS數值模型建立

1.1 FDS軟件介紹

FDS數值模擬軟件采用大渦數值模擬(Large Eddy Simulation,LES)火災煙氣流動過程，火災煙氣流動過程由以下控制方程進行描述[18]：

連續性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分守恒方程：

(4)

1.2 FDS數值模型建立

如圖1所示，建立了某16層高層建筑樓梯井全尺寸FDS數值模型。該高層建筑樓梯井尺寸為5 m(長)×3 m(寬)×56 m(高)，共16層，層高3.5 m；樓梯井內窗戶設置于兩層樓中間位置，尺寸為1.2 m(高)×1 m(寬)；16層頂部中心處設有排煙口，尺寸為1 m×1 m，第1層與窗戶相對位置設有門，尺寸為2 m(高)×1 m(寬)；火源位于第1層正中心處，面積為1 m×1 m；模型中從下至上共設置16個熱電偶，分別為T1～T16，用于測量所在位置的溫度，分布在相鄰樓層中心位置；頂部通風口和底部門在模擬過程中始終處于開啟狀態，兩處分別設置煙氣質量流率監測裝置；窗戶開口朝向與風向一致時為背風向，如圖1(b)中紅色箭頭所示方向與y軸平行，表示為背風向；建筑整體材料類型設置為混凝土，其密度為2 280.0 kg/m3，比熱容為1.04 kJ/(kg·K)；環境初始溫度設定為20℃，初始壓力設定為101.325 kPa，并設定火災類型為快速增長型，模擬時間為600 s。

圖1 某16層高層建筑樓梯井全尺寸FDS數值模型

1.3 模擬工況設置

本次數值模擬的具體工況設置，見表1。

表1 模擬工況設置

1.4 網格劃分

在模擬時，需要對建筑模型進行網格劃分，網格大小將會影響最終數值模擬結果的精度。然而，網格劃分過小會使得計算時間過長。基于FDS軟件用戶手冊，火災特征直徑與網格尺寸比D*/δx可作為網格劃分的參考標準，其中D*可由下式計算[19]：

(5)

綜合考慮，本模型中采用的網格尺寸大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m，單個模型網格數量為2 333 856個。

2 環境風對高層建筑樓梯井內火災煙氣運動特性的影響

2.1 不同窗戶開合狀態下環境風對樓梯井內火災煙氣蔓延的影響

在底部火源作用下，樓梯井內部溫度高于外部環境溫度，內部熱空氣沿著垂直通道上升，通過上部縫隙滲出，外部冷空氣從底層縫隙處補充，產生煙囪效應。煙囪效應在自然通風條件下主要受到熱壓和風壓兩種壓差作用的控制[20]。4種窗戶開合狀態下環境風對某高層建筑樓梯井內火災煙氣蔓延的影響模擬結果，見圖2。

圖2 4種窗戶開合狀態下環境風對某高層建筑樓梯井內火災煙氣蔓延的影響

由圖2可知：當t=60 s時，工況A4即樓梯井內下部窗戶關閉、上部窗戶開啟工況下，火災煙氣在垂直方向上的蔓延速度顯著高于其他3種工況；當t=120 s時，工況A2即窗戶全部關閉工況下火災煙氣的蔓延速度逐漸超過工況A4，并均顯著高于另外幾種工況。由此可見，高層建筑樓梯井內上部窗戶開啟在一定程度上促進了火災煙氣的蔓延。在火災初期，樓梯井內煙囪效應并不顯著，不同窗戶開合狀態對于火災煙氣蔓延的影響較小；到了火災中后期，樓梯井內上部窗戶開啟和全部關閉情況下，煙囪效應較為明顯，在熱壓和風壓共同作用下，火災煙氣的蔓延速度顯著加快。

2.2 窗戶迎風向和背風向下環境風對樓梯井內火災煙氣蔓延和煙氣溫度的影響

窗戶迎風向和背風向下環境風對某高層建筑樓梯井內火災煙氣蔓延和煙氣溫度的影響，見圖3。

圖3 窗戶迎風向和背風向下環境風對某高層建筑樓梯井內火災煙氣蔓延和煙氣溫度的影響

由圖3可見：在相同的環境風速條件下，背風向條件下樓梯井內部火災煙氣的蔓延速度略快于迎風向；迎風向條件下樓梯井內底部火災煙氣溫度顯著高于背風向，說明迎風向條件下樓梯井內部熱量相對難以散發，局部更容易產生高溫。

2.3 不同環境風速對樓梯井內火災煙氣運動特性的影響

火災產生的熱煙氣團會在樓梯井中上升，通過沿樓梯每3.5 m設置的溫度監測裝置實時記錄火災煙氣溫度，并以60℃作為火災煙氣前鋒溫度，得到火災煙氣前鋒到達各個測點高度的時間，見圖4。該瀑布圖可以清楚地描述在不同環境風速下火災煙氣前鋒的運動趨勢。

圖4 火災煙氣前鋒到達各測點高度的時間

由圖4可見：靜風時，火災煙氣前鋒到達最低點T1測點所需的時間最短，為7.8 s，而當環境風速為5 m/s時火災煙氣前鋒到達T1測點所需的時間最長，為12.6 s；當環境風速為2 m/s時火災煙氣前鋒到達T1測點所需的時間為10.8 s，當環境風速為4 m/s時火災煙氣前鋒到達T1測點所需的時間為12.5 s，環境風速增加一倍，所需的時間增加15.7%；火災煙氣前鋒到達最高測點T16所需的時間同樣隨環境風速變大而變長。總體來看，火災煙氣前鋒上升速度在遠離樓梯井頂部通風口處較快，在接近樓梯井頂部通風口處較慢；且隨著環境風速的增大，火災煙氣前鋒向上蔓延的速度被延緩，說明環境風速的增大能夠加強樓梯井內熱量耗散，減慢樓梯井內溫升速度。

某高層建筑樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率隨時間變化的關系曲線，見圖5。

圖5 某高層建筑樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率隨時間變化的關系曲線

由圖5可見，環境風速越大，樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率越大，使得樓梯井內火災煙氣的蔓延速度加快。在火災前期，樓梯井頂部排煙口處在5 m/s的環境風速條件下僅僅需要2.4 s就能夠監測到穩定的煙氣正向流率(即向樓梯井外排氣)，比無風條件下提前51.0 s；在0～5 m/s 6種環境風速條件下，樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率峰值分別為1.9 kg/s、2.3 kg/s、2.3 kg/s、2.5 kg/s、3.0 kg/s、4.0 kg/s，環境風速越大，樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率峰值越高；在5 m/s環境風速條件下，樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率峰值比無風時增加了110.5%。

2.4 無量綱火災煙氣上升速度與環境風速的關系

1998年，Chow等[21]在研究中假設火源對樓梯井壁的壁面效應可以忽略，根據火源熱釋放速率與火羽流上升速度之間的關系，提出火源熱釋放速率、煙團上升速度、煙團運動時間的無量綱表示形式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

根據Chow等[21]在研究中提出的假設，對火災煙氣上升速度進行了無量綱化處理，研究環境風速對火災煙氣上升速度的影響，并模擬火源熱釋放速率分別為2 000 kW/m2、4 000 kW/m2和6 000 kW/m2時該高層建筑樓梯井內部火災煙氣運動特性，根據模擬結果，繪制出溫度監測裝置T16所在測點的無量綱火災煙氣上升速度與環境風速的關系曲線，見圖6。結合不同火源熱釋放速率情況，對比擬合曲線可知，對于高層建筑，Chow模型能夠較好地解釋無量綱火災煙氣上升速度與環境風速之間的關系，但仍然存在一定的誤差，且隨著環境風速的增大，Chow模型的誤差逐漸減小。由圖6可見，隨著環境風速的增大，無量綱火災煙氣上升速度隨之減小；當環境風速為1～3 m/s時，無量綱火災煙氣上升速度的降幅顯著大于環境風速為3～5 m/s時，說明環境風對于火災煙氣前鋒的上升具有抑制作用，且在低環境風速時其影響程度更大，再次印證了前文中關于火災煙氣前鋒上升速度的分析結果，且符合煙囪效應描述。

圖6 無量綱火災煙氣上升速度與環境風速的關系曲線

3 結 論

(1) 高層建筑發生火災時開啟樓梯井上部窗戶在一定程度上會加速火災煙氣的蔓延；在相同的環境風速條件下，背風向樓梯井內部火災煙氣的蔓延速度略快于迎風向。

(2) 通風條件會加速高層建筑樓梯井內火災煙氣的蔓延，但同樣會抑制樓梯井內溫升；環境風速越大，樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率峰值越高，在5 m/s環境風速下，樓梯井頂部排煙口處煙氣質量流率峰值比無風時增加了110.5%；以60℃作為火災煙氣前鋒溫度，當環境風速為2 m/s時火災煙氣前鋒到達3.5 m高度測點所需的時間比環境風速為4 m/s時快1.7 s，即環境風速增加一倍，所需的時間增加15.7%。

(3) 對于高層建筑，Chow模型能夠較好地解釋無量綱火災煙氣上升速度與環境風速之間的關系，但仍然存在一定的誤差，且隨著環境風速的增大，該模型的誤差逐漸減小。

(4) 高層建筑發生火災時，可關閉樓梯井上部窗戶以減緩煙囪效應，樓梯井下部窗戶應保持常開狀態，以加快建筑內部排煙，為高樓層人員疏散逃生爭取更多的時間。