非封閉式天井開口對火災煙氣蔓延的影響

文康

摘要：本文采用數值模擬軟件FDS模擬了不同開口尺寸、數量及位置對非封閉式天井內火災煙氣蔓延規律的影響。研究表明，非封閉式天井溫度（煙囪效應）隨開口寬度增大先緩慢下降（減弱），然后迅速降低（減弱），當開口寬度達到一定比例后，溫度（煙囪效應）幾乎不變。開口總寬度相同，僅有1個開口時，開口處巻吸氣流較為集中，對火災煙氣蔓延的擾動較大，開口數量增加到2個和3個時，火災煙氣受開口數量的影響較小。與開口位于火源同側相比，開口位于火源不同側更容易產生火旋風，更有利于火災煙氣豎向蔓延。

關鍵詞：非封閉式天井;火災煙氣;煙囪效應;溫度;火旋風

中圖分類號：TU998.1? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）04-0012-04

非封閉式天井在高層住宅建筑中較為常見，天井對建筑防火較為不利，發生火災時容易產生煙囪效應。目前國內學者對非封閉式天井火災煙氣蔓延的研究多集中在凹槽型，如陳龍飛等學者[1-3]研究了凹槽型天井進深和寬度對天井火災煙氣蔓延的影響，李建濤等學者[4-6]研究了凹槽型天井結構因子（凹槽進深與寬度的比值）對天井火災煙氣蔓延的影響，袁滿[7]研究了在天井面積相同、形狀不同的情況下凹槽型天井內火災煙氣蔓延規律，尹越等學者[8-9]研究了環境風對不同結構因子凹槽型天井火災煙氣蔓延的影響。國內學者對其他開口形式非封閉式天井的火災煙氣蔓延鮮有研究，本文將對非封閉式天井的開口尺寸、數量及開口位置對火災煙氣蔓延的影響進行研究。

1? 研究內容

1.1? 研究模型

潘曉菲[5]等人的研究表明，凹槽模型結構因子（凹槽進深與凹槽寬的比值）不小于0.6時，凹槽模型才具備一定的煙囪效應。本文研究模型結構因子為1.0，利用FDS軟件建立一個長、寬、高分別為4.0m、4.0m、40.0m的天井，火源位置位于天井正中心，火源尺寸為2.0m×2.0m，火源功率為4.0MW。天井中心豎向共設置13個測點（編號為T1～T13），測點布置間距3.0m，最下緣測點距地面高度3.0m，研究模型如圖1所示。

1.2? 場景設計

開口數量為1，研究開口尺寸對火災煙氣蔓延的影響，研究工況如表1所示。

總開口寬度相同、開口均位于天井同側，研究開口數量對火災煙氣蔓延的影響，研究工況如表2所示。

開口總寬度相同、開口數量為2，研究開口位置對火災煙氣蔓延的影響，研究工況如圖2所示。

2? 研究結果

2.1? 開口寬度對火災煙氣蔓延的影響

2.1.1? 壓差分析

圖3為非封閉式天井中心位置壓差（測點與環境之間壓差）隨豎向高度變化圖（火災400～500s的平均值），開口寬度占比37.5%及以下時（A1～A3工況），天井內壓差（絕對值）較大，且壓差隨豎向高度變化較快，說明天井內煙囪效應較強;當天井開口寬度占比達到50.0%時（A4工況），天井內壓差迅速減小，煙囪效應明顯減弱;當天井開口寬度占比達到62.5%及以上時（A5～A8工況），天井內壓差變化減弱，煙囪效應進一步減弱。

2.1.2? 溫度分析

圖4為非封閉式天井中心位置溫度（火災400～500 s的平均值）隨豎向高度變化圖，開口寬度占比37.5%及以下時（A1～A3工況），天井內火災燃燒較穩定，溫度分布受開口寬度的影響較小;當天井開口寬度占比達到50%時（A4工況），天井內火災煙氣受巻吸氣流影響，高溫煙氣被吹至天井壁面向上蔓延，天井中心處煙氣溫度急劇降低;隨著天井開口寬度進一步增大（A5～A8工況），氣流擾動對火災煙氣蔓延影響下降，火災煙氣溫度隨開口寬度增加變化不大。

2.2? 開口數量對火災煙氣蔓延的影響

2.2.1? 壓差分析

圖5為非封閉式天井中心位置壓差隨豎向高度變化圖，在開口總寬度不變的情況下，開口數量增加，豎向壓差減小（絕對值），煙囪效應減弱。

小（絕對值），煙囪效應減弱。

2.2.2? 溫度分析

圖6為非封閉式天井中心位置溫度隨豎向高度變化圖，研究表明開口數量為1個時（B1工況），進入天井內的空氣氣流集中，氣流對煙氣擾動較大，火災煙氣沿天井壁面向上蔓延，火災中心處的溫度相對較低;當開口數量增加到2個（B2工況）、3個（B3工況）時，進入天井的氣流分散，氣流擾動效果降低，兩工況天井中心處溫度相差不大。

2.3? 開口位置對火災煙氣蔓延的影響

2.3.1? 壓差分析

圖7為非封閉式天井中心位置壓差隨豎向高度變化圖，可以看出C1工況和C3工況的煙囪效應相近，C2工況、C4工況、C5工況煙囪效應相近，而前者煙囪效應明顯弱于后者。

C2工況、C4工況、C5工況的最高溫度明顯高于C1工況和C3工況。

2.3.2? 溫度分析

圖8為非封閉式天井中心位置不同測點位置溫度的樣本標準差（火災穩定階段400～500s的數據），樣本標準差的值越大，說明溫度變化越劇烈，可以看出C2工況、C4工況、C5工況溫度變化劇烈程度明顯高于C1工況、C3工況。圖9是非封閉式天井內不同高度處火災500s內的最高溫度圖，可以看出C2工況、C4工況、C5工況的最高溫度明顯高于C1工況和C3工況。

這是由于火災煙氣在豎向狹長的非封閉式天井內容易產生旋渦，C2工況、C4工況、C5工況的開口位于火源不同側，開口卷吸進入的空氣圍繞火源旋轉有利于火旋風的形成，有利于高溫煙氣豎向蔓延;當開口位于火源同側時，不同開口卷吸進入的空氣氣流相遇，氣流紊亂不利于旋渦的形成。

3? 結語

本文利用FDS數值模擬軟件建立了非封閉式天井模型，分析了開口尺寸、數量及位置對非封閉式天井內火災煙氣蔓延的影響，主要研究結果如下：

在本文設定的計算模型下，開口寬度占比37.5%及以下時，天井火災煙氣蔓延受開口寬度影響較小，天井豎向壓差、溫度基本不隨開口寬度變化而變化，天井煙囪效應較強、溫度較高;天井開口寬度占比達到50.0%時，天井火災煙氣受開口寬度影響急劇變大，天井煙囪效應快速減弱、溫度急劇降低;天井開口寬度占比62.5%及以上時，天井火災煙氣與室外空氣得到了充分交換，天井豎向壓差、溫度隨開口寬度的增加幾乎不變。

在開口總寬度不變的情況下，開口數量增加煙囪效應減弱。僅有1個開口時，開口處卷吸空氣氣流集中，火災煙氣受氣流擾動影響天井中心處溫度較低;當開口數量增加到2個和3個時，卷吸氣流的擾動影響很小，火災煙氣蔓延幾乎不受開口數量的影響。

與開口位于火源同側比，開口位于火源不同側的天井煙囪效應更強，更有利于火災煙氣豎向蔓延。這是因為非封閉式天井有多個開口的情況下，當開口位于火源同側時，不同開口卷吸進入的空氣氣流相遇導致氣流紊亂，而當開口位于火源不同側時，開口卷吸進入的空氣圍繞火源旋轉形成火旋風。

參考文獻：

[1]陳龍飛，袁滿，陳艷秋.天井寬度及進深對火災煙氣運動的影響[J].消防科學與技術，2020，39（05）：628-632.

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[3]王自衡.基于建筑設計的居住建筑外立面火災豎向蔓延探討[D].天津：天津大學，2015.

[4]李建濤，閆維綱，朱紅亞，等.高層建筑外立面U型結構火蔓延特性數值模擬研究[J].火災科學，2012，21（04）：174-180.

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[8]尹越，周汝，何嘉鵬，等.風速對高層建筑凹型外墻火災煙氣擴散的影響[J].消防科學與技術，2020，39（05）：618-623.

[9]張玉濤，張玉杰，李亞清.凹型結構建筑外立面火災蔓延特性模擬研究[J].中國安全科學學報，2020，30（08）：70-78.