朱 杰，黃冬梅，張立龍，李 俊

（1.四川師范大學(xué)消防工程研究所，成都，610101；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；3.西南交通大學(xué)消防工程系，成都，610031）

室外風(fēng)作用下豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)火災(zāi)煙氣運動規(guī)律研究

朱 杰1，黃冬梅2，張立龍3，李 俊3

（1.四川師范大學(xué)消防工程研究所，成都，610101；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；3.西南交通大學(xué)消防工程系，成都，610031）

室外風(fēng)是影響高層（超高層）建筑火災(zāi)蔓延的主要因素。通過數(shù)值模擬六個不同火災(zāi)場景溫度場、能見度及CO濃度場變化過程，定量總結(jié)了不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下側(cè)向全開豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣運動規(guī)律。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，迎面風(fēng)作用下，豎井內(nèi)會產(chǎn)生較高滯止壓力，中性面位置上升，上部煙氣加速向豎井下部蔓延，下部煙氣通過開口排出；背面風(fēng)作用下，中性面位置下降，豎井頂部、側(cè)面及開口面會形成空氣動力陰影區(qū)且呈負(fù)壓，火災(zāi)煙氣從開口向外蔓延；側(cè)向風(fēng)作用下，豎井開口產(chǎn)生切向力封閉作用，火災(zāi)煙氣主要在豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)蔓延。一定速度室外風(fēng)能夠較強(qiáng)改變豎井內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律，建議在進(jìn)行高層（超高層）建筑設(shè)計時，參考當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向進(jìn)行外窗位置設(shè)計。

室外風(fēng)向；豎井高度；煙氣運動；溫度；FDS場模擬

0 引言

高層（超高層）建筑凌駕于城市上空，承受著高空強(qiáng)勁的風(fēng)力［1］?；馂?zāi)情況下，室外風(fēng)往往可以超過其它驅(qū)動力成為影響其火勢蔓延的主要因素，豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)尤為突出。為了減少此類影響，需要深入分析、動態(tài)掌握不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下高層建筑豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣運動規(guī)律，進(jìn)而為高層（超高層）建筑實際防排煙設(shè)計及人員疏散提供理論基礎(chǔ)及實際指導(dǎo)依據(jù)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣運動規(guī)律研究取得了一些基于一定假設(shè)條件下的研究成果，但很少有專門針對高層建筑豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣驅(qū)動力研究，尤其針對室外風(fēng)作用下豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)的煙氣運動規(guī)律研究更是鮮見報道［2－13］。本研究采用數(shù)值模擬的方法，模擬六個不同火災(zāi)場景下豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場、能見度及CO濃度場變化過程，最終定量總結(jié)了不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下，不同高度側(cè)向全開豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣運動規(guī)律，為工程實踐應(yīng)用提供理論支撐。

1 研究方法及實施

1.1 幾何模型

以1：10的小尺寸多層豎井現(xiàn)場實驗?zāi)Ｐ蜑樵?，F(xiàn)DS幾何場模型如圖1所示，其尺寸為：長×寬×高＝780mm×300mm×2700mm，前室部分尺寸為：長×寬×高＝240mm×300mm×2700mm，豎井部分尺寸為：長×寬×高＝540mm×300mm×2700mm。前室每隔270mm設(shè)置隔板，在高度方向上將其分為10個獨立的空間，前室及豎井之間開口及前室與室外之間開口尺寸為：寬度×高度＝90mm×140mm，火源置于前室內(nèi)，在不同工況時選擇開啟或關(guān)閉前室與豎井之間開口。

1.2 分析項目及初始條件

豎井中部及前室與豎井之間共設(shè)置20個測點，測定模擬過程中溫度、CO濃度、能見度及氣體速度變化情況，測點位置如圖2所示，豎井內(nèi)測點由下向上依次編號為1～10，前室與豎井之間測點由下向上依次編號為11～20；在Y＝0.15m處設(shè)置截面測定該處溫度場、速度場、能見度、CO濃度場變化情況，截面位置如圖2所示。

圖1 豎井幾何模型Fig.1 Geometric model of shaft

圖2 監(jiān)測斷面布置圖Fig.2 Layout for monitoring cross-section

研究中壓力取常壓101.325kPa，豎井內(nèi)外溫度、火源面積取現(xiàn)場實驗對應(yīng)場景實測值，使用煤油作燃料。根據(jù)相關(guān)計算參數(shù)及計算方法計算可知，當(dāng)火源功率為最小為2.1kW時所需的最大網(wǎng)格尺寸僅為0.005m，當(dāng)火源功率最大為17.9kW時所需的最大網(wǎng)格尺寸僅為0.012m，綜合考慮各種計算的精確性及計算機(jī)性能的限制，本研究采用的網(wǎng)格劃分為0.005m×0.005m×0.005m。

1.3 火災(zāi)場景選擇

室外風(fēng)向取迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)面三個，風(fēng)速通過改變豎井所處高度改變，豎井所處高度設(shè)定為兩個，分別為高度20m和40m，設(shè)定軟件中相關(guān)參數(shù)，其風(fēng)速由軟件自定，火源位于A1（指一層）前室中央，豎井開口全部開放，火源面積為5.02×10－3m2，高度10m處風(fēng)速取為5m／s，高度20m處風(fēng)速取為7m／s，高度40m處風(fēng)速取為10m／s。不考慮煙囪效應(yīng)的影響，豎井內(nèi)外溫度均設(shè)置為28℃，設(shè)定火災(zāi)場景如表1所示：

表1 室風(fēng)影響的火災(zāi)場景設(shè)置Table 1 The setting of fire scene under external wind

2 模擬結(jié)果與分析

在處于一定高度，豎井受到近地風(fēng)場影響的情況下，不考慮煙囪效應(yīng)對煙氣蔓延作用的影響，研究外界風(fēng)向、風(fēng)速對豎井內(nèi)煙氣運動的影響，模擬時間取400s，模擬結(jié)果如下所示，各小圖中標(biāo)題表示依次為：圖分類（wind）＿測定參數(shù)（temp）＿風(fēng)向（windward）＿圖號（a～c）。

2.1 豎井所處高度為20m時豎井內(nèi)測點處溫度變化規(guī)律

豎井內(nèi)各測點處溫度差變化情況如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)豎井所處高度一定時，不同風(fēng)向?qū)ωQ井內(nèi)煙氣蔓延的影響較大：當(dāng)豎井開口位于背風(fēng)面及側(cè)面時，豎井內(nèi)達(dá)到的最大溫度均為140℃左右；當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面時，如圖3-a所示，豎井內(nèi)溫度持續(xù)上升，且其中1、2號測點處溫度高于其它測點處；當(dāng)豎井開口處于迎風(fēng)面時，如圖3-b所示，豎井內(nèi)2號～10號測點處溫度保持其初始溫度，僅1號測點處溫度在模擬過程中有一定升高，且升高值不大，這是因為近地風(fēng)場隨著高層的增加風(fēng)速逐漸增大，豎井上部風(fēng)速大于豎井下部風(fēng)速，在強(qiáng)大的自上而下的風(fēng)壓作用下，使得外界空氣由豎井上部流入，由下部流出；當(dāng)豎井開口處于側(cè)面時，如圖3-c所示，豎井內(nèi)各測點處溫度均有一定升高，各測點溫度值瞬間波動較大。

圖3 高度為20m時豎井內(nèi)測點處溫度變化曲線Fig.3 Temperatures at measuring points in shaft at 20m

2.2 豎井所處高度為20m時豎井內(nèi)測點處能見度變化規(guī)律

豎井內(nèi)各測點處能見度變化情況如圖4所示。

由圖4可知，風(fēng)向?qū)ωQ井內(nèi)能見度的影響大小為迎風(fēng)面＞側(cè)面＞背風(fēng)面：當(dāng)豎井開口位于背風(fēng)面時，如圖4-a，模擬時間開始后3s，2號測點處能見度即開始降低，120s時豎井內(nèi)能見度基本降低至10m以下，6號測點及2號測點處能見度值跳躍較大，其它測點處能見度值基本保持平穩(wěn)下降趨勢；當(dāng)豎井開口處于迎風(fēng)面時，如圖4-b，豎井內(nèi)各測點處能見度在整個模擬過程中均保持在30m，說明在強(qiáng)大的自上而下的風(fēng)壓作用下，豎井內(nèi)煙氣在底部已基本排出，中上部基本無煙氣進(jìn)入；當(dāng)豎井開口處于風(fēng)向側(cè)面時，如圖4-c，豎井內(nèi)各測點處能見度保持平穩(wěn)下降，且很快下降到5m以下。

圖4 20m時豎井內(nèi)測點處能見度變化曲線Fig.4 Visibility at measuring points in shaft at 20m

2.3 豎井所處高度為20m時豎井內(nèi)測點處CO濃度變化規(guī)律

豎井內(nèi)各測點處溫度差變化情況如圖5所示。

由圖5可知，在火源面積為5.02×10－3m2，有風(fēng)的情況下，豎井內(nèi)CO濃度極低，但不同風(fēng)向條件下引起的豎井內(nèi)各測點處CO濃度上升情況差異較大：當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面時，如圖5-a所示，豎井內(nèi)CO濃度持續(xù)上升，400s時達(dá)到最大值，最大值為2號測點376s時刻58.9ppm；當(dāng)豎井開口處于迎風(fēng)面時，如圖5-b所示，在強(qiáng)大的自上而下的風(fēng)壓作用下，豎井內(nèi)各測點處CO濃度基本沒有升高，僅1號測點處23s時濃度有略微升高；當(dāng)豎井開口處于側(cè)面時，如圖5-c所示，豎井內(nèi)各測點處CO濃度先升后降，300s時10號測點處升高到最大值7.9ppm。

圖5 20m時豎井內(nèi)測點處CO濃度變化曲線Fig.5 CO concentration at measuring points in shaft at 20m

2.4 豎井所處高度為20m時豎井內(nèi)100s時溫度速度場分布

在Y＝0.15m處設(shè)置截面，監(jiān)測該截面處溫度場及速度矢量變化情況，100s時豎井內(nèi)溫度場速度矢量變化情況如圖6所示。

圖6 豎井所處高度為20m時豎井內(nèi)100s時溫度和速度矢量場Fig.6 Velocity vector and temperature fields at 100sin shaft at 20m

由圖6可知，當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面時，由于在背風(fēng)面，即豎井頂部、側(cè)面及開口面形成空氣動力陰影區(qū)，在此區(qū)域形成負(fù)壓，且空氣呈旋轉(zhuǎn)運動；同時發(fā)現(xiàn)中性面位置有所下降；由于隨著高度的增加風(fēng)速不斷增大，圖6-a中短線不斷增長，這就促進(jìn)了煙氣的豎井中的蔓延，使豎井中煙氣大量由頂部開口排出100s時刻豎井上部溫度為33.20℃，局部區(qū)域為41.06℃。

當(dāng)豎井開口處于迎風(fēng)面時，豎井內(nèi)會產(chǎn)生較高滯止壓力，發(fā)現(xiàn)中性面位置有所上升。在強(qiáng)大的風(fēng)力的作用下中性面以上開口外界空氣不斷進(jìn)入，使豎井內(nèi)部形成類似逆煙囪效應(yīng)的煙氣流動規(guī)律，A1前室處的火源產(chǎn)生的煙氣直接排出豎井前室外，故豎井內(nèi)部溫度、能見度及CO濃度均變化不大，如圖6-b所示。

當(dāng)豎井開口處于側(cè)面時，豎井上下開口處均未看見氣體的流入或者流出，可見側(cè)面的風(fēng)在豎井開口的面存在切線方向上的力，阻止了外界空氣的流入及豎井內(nèi)煙氣的流出，且隨著模擬時間的推移，A1前室內(nèi)火源的燃燒逐漸由燃料控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥L(fēng)控制，從而使A1前室內(nèi)燃燒速率增到最大后逐漸減小，100s時刻上部溫度為34.77℃，如圖6-c所示。

2.5 豎井所處高度為40m時豎井內(nèi)測點處溫度變化規(guī)律

豎井處于40m高度處其內(nèi)部各測點處溫度差變化情況如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面和側(cè)面時，豎井內(nèi)溫度上升較快，但是當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面時，豎井內(nèi)測點處溫度升高到最大值后開始降低，最大值為1號測點處357s出現(xiàn)的180℃，如圖7-a所示；當(dāng)豎井開口位于迎風(fēng)面時，豎井內(nèi)測點除1號測點溫度有明顯升高以外，其他測點處溫度基本無變化，說明蔓延進(jìn)入豎井內(nèi)的煙氣較少或豎井內(nèi)基本保持相對無煙，如圖7-b所示；當(dāng)豎井開口處于來風(fēng)方向側(cè)面時，豎井內(nèi)1號測點處溫度較其它測點處高，2號測點處溫度較其他測點處溫度低，所有測點處溫度均持續(xù)呈上升趨勢，但在320s附近所有測點處溫度均有一定降低隨后再升高，其最大溫度出現(xiàn)在1號測點處286s時刻142.6℃，如圖7-c所示。

2.6 豎井所處高度為40m時豎井內(nèi)測點處能見度變化規(guī)律

豎井處于40m高度處其內(nèi)部各測點處溫度差變化情況如圖8所示。

圖7 高度為40m時豎井內(nèi)測點處溫度變化曲線Fig.7 Temperatures at measuring points in shaft at 40m

圖8 高度為40m時豎井內(nèi)測點處能見度變化曲Fig.8 Visibility at measuring points in shaft at 40m

由圖8可知，當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面及側(cè)面時，豎井內(nèi)能見度降低速度較快，且開始降低的時間較早，豎井開口處于背風(fēng)面時，豎井內(nèi)3號測點處18s時刻能見度即開始降低，180s左右?guī)缀跛袦y點處能見度都降低至5m以下，380s時刻測出能見度最低為0.68m，如圖8-a所示；當(dāng)豎井開口處于迎風(fēng)面時，豎井內(nèi)各測點處能見度在整個模擬實驗過程中均保持在30m，如圖8-b所示；當(dāng)豎井開口處于來風(fēng)方向側(cè)面時，豎井內(nèi)能見度降低較快，且各測點處能見度降低速度基本一致，未有較大波動，且96s左右，所有測點處能見度均降低至3m以下，如圖8－c所示；由此可知，風(fēng)向?qū)ωQ井內(nèi)煙氣蔓延的影響大小順序為：迎風(fēng)面＞側(cè)面＞背風(fēng)面。

2.7 豎井所處高度為40m時豎井內(nèi)測點處CO濃度變化規(guī)律

豎井處于40m高度處其內(nèi)部各測點處溫度差變化情況如圖9所示。

由圖9可知，豎井開口處與迎風(fēng)面時，豎井內(nèi)CO濃度基本為零，20s時僅1號測點處CO濃度有微量升高，其它測點其它時刻CO濃度均為零，如圖9-b所示，說明當(dāng)豎井開口處于迎風(fēng)面時，由于風(fēng)力的昨用，完全改變了豎井內(nèi)煙氣的蔓延，致使豎井內(nèi)基本無煙；而當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面及來風(fēng)側(cè)面時，豎井內(nèi)存在一定量的煙氣，故相應(yīng)的豎井內(nèi)測點處CO濃度升高，但當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面時，豎井內(nèi)CO濃度持續(xù)上升，至336s時1號測點處最大值達(dá)到86ppm，如圖9-a所示；當(dāng)豎井開口處于來風(fēng)方向側(cè)面時，豎井內(nèi)CO濃度最大值為286s時刻10號測點處78.3ppm，低于豎井開口位于背風(fēng)面的情況。

2.8 豎井所處高度分別為20m、40m時豎井內(nèi)測點處溫度變化規(guī)律對比如圖10所示

2.9 豎井所處高度分別為20m、40m時豎井內(nèi)測點處能見度變化規(guī)律對比如圖11所示

圖9 高度為40m時豎井內(nèi)測點處CO濃度變化曲線Fig.9 CO concentration at measuring points in shaft at 40m

2.10 豎井所處高度分別為20m、40m時豎井內(nèi)測點處CO濃度變化規(guī)律對比如圖12所示

2.11 豎井所處高度為40m時豎井內(nèi)100s時溫度速度場分布如圖13所示

圖10 高度分別為20m、40m時豎井內(nèi)測點處溫度變化曲線對比圖Fig.10 Comparisons of temperatures at measuring points in shaft at 20mand 40m

圖11 高度分別為20m、40m時豎井內(nèi)測點處能見度變化曲線對比圖Fig.11 Comparison of visibility at measuring points in shaft at 20mand 40m

由圖10可知，隨著豎井所處高度的增高，風(fēng)力逐漸增大，符合近地風(fēng)場的變化規(guī)律，即風(fēng)速隨高度的增大而增大。豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣運動規(guī)律基本與20m高度豎井一致。圖10-a中，由于風(fēng)力較大，外部風(fēng)緊貼在豎井表面，上部風(fēng)直接作用于豎井的頂部，100s時豎井開口處溫度已達(dá)到40℃，豎井下部溫度達(dá)到80℃左右，可見，外部風(fēng)對豎井內(nèi)煙氣的蔓延產(chǎn)生了較大的影響作用；圖10-b中，隨著豎井所處高度的增高，風(fēng)力的增大，由豎井上部開口進(jìn)入豎井內(nèi)的空氣流速增大，更大限度的阻止了煙氣蔓延進(jìn)入豎井內(nèi)部，豎井內(nèi)部溫度基本環(huán)境溫度；圖10-c中，100s時刻豎井上部溫度達(dá)到39.77℃，且豎井內(nèi)部溫度除著火層外基本處于均勻狀態(tài)。

圖12 高度分別為20m、40m時豎井內(nèi)測點處CO濃度變化曲線對比圖Fig.12 Comparison of CO concentrations at measuring points in shaft at 20mand 40m

圖13 豎井所處高度為40m時豎井內(nèi)100s時溫度和速度矢量場Fig.13 Velocity vector and temperature fields at 100sin shaft at 40m

3 結(jié)論及建議

（1）室外風(fēng)是影響豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律的主要因素。隨著豎井高度增高，風(fēng)速逐漸增大，室外風(fēng)對豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律影響增強(qiáng)。

（2）當(dāng)豎井開口位于迎風(fēng)面時，室外風(fēng)對豎井內(nèi)煙氣的運動影響最大，豎井內(nèi)會產(chǎn)生較高的滯止壓力，中性面位置上升。強(qiáng)大的風(fēng)壓的作用下上部煙氣加速向豎井下部蔓延，下部氣體通過開口向豎井外部排出。迎風(fēng)面情況下，當(dāng)火源位于中性面以上時，火災(zāi)煙氣蔓延向下蔓延會造成極大危害；當(dāng)火源位于中性面以下時，煙氣易從下部開口排出，進(jìn)而減少火災(zāi)危害。

（3）當(dāng)豎井開口處于背風(fēng)面時，在豎井頂部、側(cè)面及開口面會形成空氣動力陰影區(qū)且呈負(fù)壓，煙氣呈旋轉(zhuǎn)運動，大量煙氣在煙囪效應(yīng)及外部負(fù)壓的作用下迅速由中性面以上開口向外蔓延，并在開口外部做漩渦運動。中性面位置下降。

（4）當(dāng)豎井開口側(cè)向來風(fēng)時，風(fēng)對豎井內(nèi)煙氣運動的影響表現(xiàn)為對豎井內(nèi)煙氣的側(cè)向力封閉作用，煙氣主要在豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)蔓延，能見度迅速降低；

（5）外部風(fēng)是影響豎井內(nèi)煙氣蔓延的重要參數(shù)，一定速度的風(fēng)能夠改變豎井內(nèi)煙氣的蔓延規(guī)律。在進(jìn)行高層（超高層）建筑設(shè)計時，應(yīng)以當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向為依據(jù)進(jìn)行開窗位置設(shè)計。

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Movement of fire smoke under external wind in shaft structure

ZHU Jie1，HAUNG Dong-mei2，ZHANG Li-long3，LI Jun3

（1.Research Institute of Fire Engineering，Sichuan Normal University，Chengdu，610101，China；
2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei，230026，China；3.Department of Fire Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China）

External wind is one of the major factors that influence the spread of fire in high-rise（super high-rise）buildings.By numerical simulation for the temperature field，visibility and CO concentration field at six different fire scenarios，this paper quantitatively investigates the movement behaviors of smoke in the side full open type shaft structure under different wind direction and velocity conditions.It is found that under adverse wind，stagnation pressure will be generated in the shaft，with the rise of neutral surface position，and the top smoke will spread towards the bottom of shaft at a high speed and move out from the opening at the bottom.Under favorable wind，the neutral surface position will descend，with formation of an air power shadow zone at the top，side and opening of the shaft，being of negative pressure.In this case the fire smoke will spread from the opening.Under side wind，tangential force closure will form at the opening of the shaft，and the fire smoke mainly spreads in the shaft structure.External air has a significant role in the spread of smoke in the shaft at a certain velocity.It is recommended that the design of external window position in high-rise（super high-rise）buildings should refer to local perennial prevailing wind direction.

External wind；Shaft height；Smoke movement；Temperature；FDS field simulation

X928.7，X932

A

1004-5309（2011）-0227-08

2010-09-06；修改日期：2011-08-02

四川省教育廳重點項目“超高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律及控制研究”基金號：10ZA010；香港裘搓基金“超高層建筑主動防火技術(shù)研究Active Fire Pretection in Supertall Building（基金號：5-2H46）”；四川省科技支撐計劃項目“超高層建筑火災(zāi)煙氣運動力源機(jī)理及安全疏散研究”支持。

朱 杰（1979-），女，副教授，博士，主要從事建筑火災(zāi)、交通火災(zāi)防治技術(shù)方面的研究，尤其火災(zāi)煙氣控制理論及技術(shù)應(yīng)用。