火灾烟气在高层建筑竖向通道内的流动及控制研究

摘要

随着城市的发展和建设步伐的建快，越来越多的高层建筑在大城市中林立起来，且高度越建越高。高层建筑在给人们带来便利、满足人们的功能要求的美观需求的同时，也给火灾防治带来了很多新问题。同时，近年来发生的几次高层建筑火灾表明，火灾中楼梯井等竖向通道既是人员疏散的重要通道，也有可能像封闭不严的电梯井和管道一样，成为火灾烟气竖向蔓延的途径，严重威胁人员的安全疏散。因此，研究高层建筑竖井、楼梯井等竖向通道的烟气流动特性及其合理的控制策略具有重要意义。 火灾烟气流动本身就是一种复杂的浮力驱动流，同时，由于竖井、楼梯井自身竖直狭长结构和楼梯井内踏步结构等的限制以及可能存在的烟囱效应影响，使得竖向通道内的烟气流动比一般建筑火灾烟气流动更为特殊，本论文就针对这些问题开展研究。论文的具体工作包括： 建立了考虑壁面传热和竖井内空气温度变化的顶部侧向开口竖井的烟气充填模型和一维稳态运动模型。传统的模型中未考虑火灾烟气温度沿着竖井竖向衰减这一重要特征，本论文通过去除Boussinesq近似假设在模型中清晰研究了烟气温度在竖井内的时空分布，并通过小尺寸实验较好地验证了模型预测结果。在羽流上升充填阶段，竖井内温升随时间变化大致符合指数规律，无量纲温升变化大致随无量纲时间呈线性变化，羽流前锋大致随时间呈现指数关系上升，且其无量纲关系式大致满足线性关系；在稳定燃烧阶段，竖井内竖向烟气温度分布及其无量纲形式均呈指数规律衰减。 在高度为27m的实际楼梯井内系统地开展了一系列的全尺寸现场实验，并结合数值模拟研究了封闭楼梯井内的烟气充填和运动规律。测量了烟气在封闭楼梯井内的温度分布和烟气在楼梯井内的特殊流动形式，研究表明，在两层踏步之间上部和下部的涡流加剧了烟气与空气的热对流，这种涡流是由踏步间上下部分的温差决定的；并进一步验证了Qin在高度较低的楼梯井中发现的烟气分层现象。全尺寸现场实验为高层建筑楼梯井烟气运动研究积累了宝贵的实验数据。 通过1/3尺度的小尺寸实验研究了顶部楼层开门的楼梯井内烟气流动特性和烟囱效应对相邻着火房间燃烧状况的影响。研究表明，随着火源产生的热量和烟气进入到楼梯井，使得楼梯井内温度升高，加大了烟囱效应，使烟气在楼梯井内以更快的速度上升；稳定时楼梯井内温度沿竖向高度大致呈指数衰减分布。楼梯井内烟囱效应形成的强补风也加快了燃料的燃烧速度，单侧强补风使得火焰向前室侧近乎呈水平倾斜，火焰被外部进入的空气从中间分开，出现“分岔”现象。 论文通过数值模拟研究，对火灾情况下楼梯井加压送风系统的不同风机安装位置、风机风量大小、火源位置、开门楼层以及一、二道门的门缝宽度对楼梯井加压送风效果的影响进行了较为全面的探讨，提出了影响楼梯间加压送风的临界门缝宽度和优化风机布置位置，这些研究成果可为完善相关的实际高层建筑防排烟设计提供技术支撑。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1高层建筑

1.1.2高层建筑的火灾特点及案例

1.2高层建筑中的主要火灾问题

1.3高层建筑中的竖井和楼梯井烟气流动特点

1.4高层建筑竖向通道烟气流动和控制研究的前人工作

1.5本文的内容安排

参考文献

第二章高层建筑竖井和楼梯井烟气运动与控制研究基础

2.1竖井烟气流动研究

2.1.1竖井空气卷吸模型

2.1.2烟囱效应模型

2.1.3湍流混合模型

2.1.4 Copper模型

2.1.5 Chow模型

2.2楼梯井烟气运动研究

2.2.1 1/2尺度-两层楼梯间烟气流动-机理实验

2.2.2 1/5尺度-五层楼梯间烟气流动实验研究

2.2.3无火源条件下二维楼梯井悬浮灰尘运动模型

2.2.4 1/2尺度-两层楼梯间烟气流动理论分析

2.2.5 CFD模拟研究

2.3楼梯井烟气控制

2.3.1影响楼梯井加压送风设计的火灾动力学因素

2.3.2高层建筑加压送风设计研究现状

2.4本文的研究点

2.4.1关于竖井内烟气流动

2.4.2关于楼梯井内烟气流动

2.4.3关于楼梯井加压送风模式研究

本章符号

参考文献

第三章竖向通道火灾烟气运动实验设计

3.1引言

3.2 1/8尺寸竖井火灾实验研究方法

3.2.1 1/8尺寸实验研究思路

3.2.2 1/8尺寸竖井火灾实验台设计

3.2.3测量的参数、装备及数据处理方法

3.3 1/3尺寸楼梯井火灾实验研究方法

3.3.1 1/3尺寸高层建筑楼梯竖井火灾实验台设计

3.3.2测量系统的布置

3.4楼梯井现场火灾实验

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参考文献

第四章竖井内近场羽流特性及烟气上升运动模型研究

4.1竖井内近火源区的火羽流特性

4.1.1竖井相邻单室火灾燃烧过程

4.1.2基本假设

4.1.3竖井内近火源区的羽流温升和质量流率

4.2顶部侧墙开口竖井内羽流充填模型

4.2.1基本假设

4.2.2顶部侧墙开口竖井内羽流充填模型推导

4.3顶部侧墙开口竖井烟气一维稳态运动模型

4.4小尺寸实验验证

4.4.1实验方法

4.4.2实验结果分析与验证

4.5本章小结

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参考文献

第五章 楼梯井烟气充填及烟囱效应的影响机制研究

5.1楼梯井烟气充填研究

5.1.1全尺寸实验装置和实验设计

5.1.2计算机模拟研究

5.1.3火灾烟气在楼梯井内的流动形式

5.1.4火灾烟气在楼梯井内的温度分布

5.1.5火灾烟气楼梯井内的运动速度和流场分布特性

5.1.6火灾烟气在楼梯井内的压力分布

5.2楼梯井对着火房间燃烧状况的影响

5.2.1 1/3小尺寸实验设计

5.2.2楼梯井烟气运动对着火房间燃烧的影响机制[23]

5.2.3楼梯井烟囱效应对火源燃烧速率的影响

5.2.4楼梯井烟囱效应对溢出到前室的羽流和烟气温度的影响

5.3楼梯井烟囱效应对烟气运动的影响

5.3.1烟囱效应下楼梯井内的温度分布

5.3.2火源位置对楼梯井内烟囱效应的影响

5.4本章小结

本章符号

参考文献

第六章 高层建筑楼梯井加压送风影响因素研究

6.1现行的高层建筑加压送风风量风压计算方法及其局限性

6.1.1加压送风量的通用计算方法

6.1.2楼梯井和前室的加压送风量计算方法

6.2数值模拟计算研究

6.2.1物理模型设置

6.2.2网格系统设置

6.2.3模拟工况设计

6.3楼梯井加压送风效果影响因素计算结果分析

6.3.1门缝宽度和火源楼层对楼梯井加压送风效果影响

6.3.2加压送风量对楼梯井加压送风效果影响

6.3.3开门楼层对楼梯井加压送风效果影响

6.3.4风机位置对楼梯井加压送风效果影响

6.4本章小结

参考文献

第七章结论及展望

7.1全文总结及结论

7.2本文创新点

7.3研究展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

在读期间参与项目研发情况及所获奖励