高层建筑竖井内烟气流动特征及控制研究

摘要

近年来,塔式高层建筑以其独特的适应性在高层建筑中占据着相当的比例。本文主要以塔式高层建筑安全核区域的防排烟设计为背景,研究此类建筑中对人员疏散极为重要的竖向通道(竖井)中烟气运动的基本规律,建立烟囱效应下的羽流发展模型,进而探讨塔式高层建筑安全核区域中有效的防排烟手段。
　　本论文首先依据相似原理建立小尺寸竖井实验台,研究竖井顶部、底部温度和前室补气口流速随火源与竖井中心线距离的变化规律。通过对实验数据进行无量纲处理,建立了稳态条件下的竖井内温度、速度分布模型,并得到了开放和封闭竖井中烟气运动的非滞止状态产生的临界无量纲准则数。研究结果表明,烟囱效应的产生主要是由于竖井内外压差与烟气自身浮力的联合作用,在不同范围内两者对竖井内烟气上升所发挥的作用不同:在火源距离竖井中心线较近区域(l/L<0.825),竖井内外压差起主要作用;在火源距离竖井中心线较远区域(l/L>0.825),烟气的自身浮力起主要作用。
　　利用USTC/PolyU大空间实验厅内的小尺寸和全尺寸竖井实验台的实验结果,结合理论分析,建立了一种描述竖井中羽流发展特点的简单模型,得到了羽流上升无量纲时间和竖井无量纲高度之间的定量关系式。此关系式显示,在相同火源、相同竖井尺寸条件下,开放竖井和封闭竖井中的烟气层上升无量纲时间分别和无量纲高度的1.03次方、1.50次方成正比,与火源热释放速率的1/3次方成反比。由于烟囱效应的作用,开放竖井中的烟气层上升速度最快,非受限空间次之,封闭竖井内最慢。
　　发展了一种理想火灾情况下计算中性面位置的双区模型,把竖井空间分为两个区:火源区和非火源区,每个区内温度是均一的,在此基础上利用质量守恒原理发展了一种预测中性面位置的简化模型,并与CFD模拟(工具:FDS)进行了对比。模拟结果显示与双区假设符合得很好,并且两种方法计算的中性面位置与整个建筑高度之比e均大于0.5,e值很大程度上取决于起火前室的通风因子,其值在0.5到0.62之间。

目录

摘要

ABSTRACT

图例表格目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 高层建筑火灾特点

1.1.2 火灾中烟气的危害

1.1.3 塔式高层建筑中的典型竖向通道设计—安全核结构

1.2 高层建筑中的烟气控制

1.2.1 竖井中烟气蔓延的特殊性

1.2.2 高层建筑安全核中的防排烟

1.3 高层建筑烟气运动与控制研究现状

1.4 本文的主要内容

本章符号

参考文献

第二章 流体运动与烟气控制基础理论

2.1 流体的粘性与压缩性

2.1.1 流体的粘性

2.1.2 流体的压缩性

2.2 羽流

2.2.1 几种常见的羽流模型

2.2.2 烟囱效应下羽流发展的特殊性

2.3 本章小结

本章符号

参考文献

第三章 烟囱效应产生机理的实验研究

3.1 烟囱效应中的相似性

3.1.1 量纲与量纲和谐原理

3.1.2 流动相似理论

3.1.3 相似理论的应用

3.2 浮力与内外压差的作用

3.3 小尺寸实验模拟

3.3.1 小尺寸实验

3.3.2 实验结果

3.4 分析与讨论

3.4.1 浮力与内外压差的作用区域

3.4.2 烟气的非滞止状态产生的临界条件

3.5 本章小结

本章符号

参考文献

第四章 烟囱效应作用下的羽流在竖井内的流动特点

4.1 羽流上升时间的理论推导

4.1.1 开放环境中羽流上升时间

4.1.2 封闭竖井中羽流上升时间

4.1.3 开放竖井中羽流上升时间

4.2 羽流上升时间的实验研究

4.2.1 实验安排

4.2.2 实验结果

4.2.3 实验结果分析及讨论

4.3 本章小结

本章符号

参考文献

第五章 火灾情况下中性面位置的预测模型

5.1 传统理论(Klote模型)及其局限性

5.2 考虑火源影响的双区模型的建立

5.2.1 燃料控制下的中性面预测模型(TZ1模型)

5.2.2 通风控制下的中性面预测模型(TZ2模型)

5.3 CFD模拟验证

5.3.1 数学模型

5.3.2 算例的选取

5.3.3 模拟结果及讨论

5.4 双区模型、Klote模型与CFD模拟结果的比较

5.5 本章小结

本章符号

参考文献

第六章 竖井在高层建筑防排烟中的作用

6.1 竖井排烟可行性探讨

6.1.1 普通高层建筑中影响自然排烟的因素

6.1.2 竖井排烟方式的可行性理论分析

6.1.3 数值模拟简介

6.1.4 结果及讨论

6.2 加压送风与机械排烟的合理组织

6.2.1 安全核中补气对排烟效果的影响

6.2.2 现场实验

6.3 本章小结

本章符号

参考文献

第七章 结论及展望

7.1 全文总结

7.2 本文创新点

7.3 工作展望

致谢

附录A 牛顿迭代法求解

附录B 攻读博士学位期间发表的相关学术论文