高层建筑利用竖井进行负压控烟的研究

摘要

近年来，随着经济和城市建设的发展，各地兴建了大量高层和超高层建筑，高层建筑的出现在实现城市建设和经济效益的同时，也存在巨大的火灾风险隐患，高层建筑发生火灾时，热烟气一旦进入楼梯井、电梯井以及管线井等竖向通道时，由于烟囱效应，烟气通过竖井迅速蔓延至其他楼层，严重威胁人员疏散安全，因此，采取烟气控制措施将火灾产生的烟气控制在着火房间以及前室内，对于整个建筑的人员安全具有重要意义。从上世纪80年代，科研工作者对高层建筑火灾烟气的流动与控制进行了大量的研究，主要包括竖井内烟气运动机理、烟囱效应、楼梯井防排烟等，对于利用竖井内烟气产生烟囱效应进行排烟、控烟而少有涉及。
　　 规范中对于防排烟的要求主要集中在高层建筑的较大公共区域或楼梯井，对于一些火灾荷载较高的房间并无要求，本文采用理论分析，数值模拟并结合模型实验研究的方法，对高层建筑房间以及前室等区域利用竖井进行烟气控制的可行性和影响因素以及临界条件展开了研究。具体工作包括:
　　 基于烟囱效应理论与伯努利方程，分别分析了热烟气在竖井内的运动和热烟气与冷空气在补风口处的运动形式，结合质量守恒的定律，得到了关于竖井高度、竖井排烟口与补风口面积以及火源功率的高层建筑利用竖井排烟与自然补风抑制烟气溢出补风口的临界条件。
　　 在实体建筑中开展了有无排烟竖井以及不同火源功率的对比实验，通过对竖井内烟气运动速度和温度、补风口处温度与风速以及室内温度的测量分析，通过实验验证，高层建筑房间设置有排烟竖井，发生火灾时，热烟气在浮力驱动下进入竖井，由于烟囱效应，热烟气被迅速排出房间，在竖井排烟口处产生负压，通过自然补风可以抑制烟气溢出补风口，有效地将烟气控制在着火房间内。
　　 在竖井负压全尺寸实验台开展实验，变化火源功率、补风口、竖井排烟口等条件设置工况，测量排烟速度、补风速度、补风温度、室内温度以及气体组分浓度等数据，分析不同火源功率、补风口与排烟口面积对负压烟气控制效果的影响，使用临界控烟条件分析预测烟气溢出补风口的结果和趋势，分析结果与实验结果相符。
　　 采用火灾动力学模拟的方法研究了竖井高度、竖井排烟口面积与补风口面积以及火源功率对高层建筑竖井控烟效果的影响，对实验进行补充研究，为了独立研究上述因素对控烟效果的影响，总计设计了27组数值模拟工况，分析模拟结果，解释了补风口处温升与烟气溢出的定性关系，其中24组工况的模拟结果与理论预测结果一致，3组不相符的工况是烟气溢出量较小，说明本文推导的临界条件是较为准确可信的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 高层建筑火灾的典型案例

1．1．2 高层建筑防排烟的必要性

1．2 研究现状

1．3 本文章节安排

第二章 负压控烟理论分析

2．1 引言

2．2 竖井负压控烟的理论分析

2．2．1 高层建筑房间烟气控制的途径与方式

2．2．2 烟囱效应

2．2．3 着火房间补风口内外气体流动分析的简化

2．3 结论

第三章 高层建筑房间利用竖井进行烟气控制的可行性研究

3．1 引言

3．2 实体建筑实验

3．3 测量方法与数据采集

3．4 实验设计

3．5 结果分析

3．5．1 室内温度分布与CO浓度

3．5．2 排烟口处温度与风速

3．5．3 补风口处温度与风速

3．6 结论

第四章 竖井控烟的影响因素的实验研究

4．1 引言

4．2 竖井负压控烟实验台

4．3 实验设计

4．4 结果分析

4．4．1 烟气溢出情况与排烟速度

4．4．2 室内温度分布与CO浓度

4．4．3 补风口温度与自然补风速度

4．5 结论

第五章 竖井控烟的临界条件研究

5．1 引言

5．2 火灾过程的计算模拟

5．3 CFD模拟验证

5．3．1 物理模型设置

5．3．2 工况设计

5．3．3 模拟结果分析

5．4 结论

第六章 结论与展望

6．1 本文的主要结论

6．2 本文的创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文