高层及超高层建筑火灾试验用环境风场模拟装置研发

■ 尹航 蒋亚强 何勤理 谭龙飞 公安部四川消防研究所

随着社会经济的发展和城镇化进程的加剧，城市土地资源承载力受到了前所未有的挑战，土地资源的集约利用及建筑空间的高效整合成为必然的发展趋势，许多高层及超高层建筑应运而生。但伴随着巨大的建筑体量、密集的人员分布和较高的火灾荷载，一旦发生火灾其危害性也绝非普通单、多层建筑可比，极易造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，对高层及超高层建筑开展火灾试验研究对火灾蔓延机理的掌握、防火灭火策略的制定以及人员疏散的决策均具有极其重要的指导作用。

近些年诸多火灾案例表明，建筑外立面已成为高层及超高层建筑火灾迅速蔓延的重要途径，研究不同外立面形式下的开口火溢流行为特征对保障高层及超高层建筑消防安全具有非常重要的现实意义。由于作用于高层和超高层建筑外立面的环境风场的风速大小随建筑高度的增加依幂指规律呈逐步增大的趋势，较高楼层处室外环境风场的风速可达十几米每秒甚至几十米每秒，火灾工况时开口火溢流行为势必受到环境风场的强烈影响。因此，在开展高层及超高层建筑火灾试验研究时若不考虑室外环境风场的影响将无法较为真实地反映出建筑外立面真实的火场环境，因而研发一款应用于建筑外立面火灾试验的环境风场模拟装置就显得尤为迫切和重要。

一、既有环境风场模拟装置研发现状

既有的各环境风场模拟装置大多应用于火灾科学以外的领域，如用于海面风场模拟的室内环境风模拟试验装置，用于导线舞动试验用的风场模拟装置，以及用于模拟舒适性自然风的空调装置等。而对于既有为数不多的应用于火灾试验的环境风场模拟装置，其在高层及超高层建筑外立面火灾试验方面的应用仍存在很大的局限性。如中国石油大学（华东）研发的一种环境风作用下宽阔水面油池火燃烧模拟装置仅能用于缩尺火灾试验，其中用于环境风场模拟的装置虽可实现送风风速的变频调节，但送风角度不能改变，也无法同时于不同高度处输出不同大小的风速。又如中国科学技术大学研发的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置也仅能用于缩尺火灾试验，其中用于环境风场模拟的装置虽采用了移动风幕系统，可实现对任意楼层室外环境风场的模拟，但无法实现整个建筑外立面环境风场的同时再现，此外送风角度无法改变，仅能垂直于建筑外立面，送风速度的区间也仅为0～8m/s，很难反映超高层建筑较高楼层处的室外环境风场。同时，上述两类环境风场模拟装置送风面的几何形状均较为单一，无法产生具有多种分布规律的环境风场，且无法较好地应用于复杂几何形状的建筑外立面。因此，有必要设计一种能够专门为高层及超高层建筑外立面全尺及缩尺火灾试验提供环境风场模拟的系统。

二、建筑外立面火灾试验用环境风场模拟装置的设计与研发

针对上述技术不足，笔者及其课题组设计了一种应用于建筑外立面火灾试验的环境风场模拟单元及系统，以专门为高层及超高建筑火灾试验提供外部风场条件。如图1及图2所示，所设计的应用于建筑外立面火灾试验的环境风场模拟单元，包括壳体，以及设置于壳体内顺次排布的变速风机、电动风阀、整流格栅及送风风道。其中变速风机至少与三个电动风阀对应，风阀为单轴矩形风阀，阀体可在0°～90°范围内自由转动。整流格栅和送风风道均与电动风阀数量相同且一一对应。每个送风风道的末端均设有球形喷口且不少于三个，球形喷口呈均匀分布，每个喷口可输出0～20m/s风速，送风角度可在正负30°范围内通过人工或执行机构调整。

图1 环境风场模拟系统的结构示意图

图2 环境风场模拟单元的内部结构三视图及整流格栅左视剖视图

而如图1所示，所设计的环境风场模拟系统包括至少两个如上所述的环境风场模拟单元。所有的环境风场模拟单元按照平铺或上下叠加的方式进行组合，以提供送风断面为矩形、三角形或梯形等几何形状的环境风场。同时，该环境风场模拟系统还包括用于支撑和移动各个环境风场模拟单元的支架和万向轮，以及用于控制系统送风速度和风向的控制系统。

控制系统由风速采集仪、控制柜及计算机组成。控制柜同时与环境场模拟单元中的变速风机、电动风阀和球形喷口连接。风速采集仪位于球形喷口前端，用于将采集到的风速值反馈给计算机。计算机与控制柜连接，用于通过控制柜控制变速风机的转速、电动风阀的开度及球形喷口的送风角度，使每个送风通道的送风速度和风向稳定在预设值。

三、建筑外立面火灾试验用环境风场模拟装置的应用设想

与现有技术相比，所设计的此套环境风场模拟装置具有以下优势及应用前景：

（一）该装置应用广泛，既可同时缩尺模拟整个建筑外立面不同高度处的环境风场，也可全尺模拟某着火层的室外环境风场，可同时应用于高层及超高层建筑的缩尺及全尺火灾试验。

（二）该装置的环境风场模拟系统可通过支架将多个模拟单元快速组合及拼接，便于模块化及标准化生产。同时可根据需要将送风断面组合为矩形、三角形或梯形等几何形状，可应用于各种复杂几何形状的建筑外立面开口形式。

（三）该装置在垂直方向上设置了多个送风风道，可根据某地环境风场随高度的变化规律通过控制系统同时模拟多个高度处不同风速风向的环境风场，更加真实地反映出高层及超高层建筑外立面环境风场的分布特性。

（四）该装置的送风末端采用球形喷口的形式，具有送风距离远及速度衰减慢的优良特性，进行火灾试验时可在保证环境风场模拟系统与缩尺或全尺起火建筑之间安全距离的前提下，为高层及超高层建筑外立面提供符合速度要求的环境风场。

四、结语

所研发的应用于高层及超高层建筑外立面火灾试验的环境风场模拟单元及系统，通过合理的结构设计，利用变速风机、电动风阀以及球形喷口之间的配合，能够很好地实现建筑外部环境风场的模拟，可为开展相关防火技术与产品的验证试验提供重要技术支持，使试验结果更加真实可靠。同时，所获取的试验数据也可为防火灭火策略的制定及人员疏散决策提供重要参考。

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