基于正交分析法的烟溢流影响因素分析

夏乐天 周汝 胡江北 何嘉鹏

1 南京工业大学城市建设学院

2 南京工业大学安全科学与工程学院

3 江苏省城市与工业安全重点实验室

烟气溢流是指高层建筑火灾时烟气从窗户等外部开口溢出，并在建筑外部蔓延，在热浮力和环境风的共同作用下扩散至外部环境的现象。高层建筑发生火灾时，产生大量的高温烟气，由于其密度比周围空气小，故产生使烟气上升的浮力。烟气上浮过程中遇到屋顶后沿水平方向扩散，烟气不断产生，上部烟气层逐渐增厚，并且在窗口处发生聚集。当烟气层厚度达到窗口高度时，烟气溢出着火区域。目前，国内外学者在高层建筑火灾烟气的研究主要集中于建筑内部火灾及烟气扩散特性研究和建筑内部火焰外溢行为等方面。如 Chow[1]通过竖井内不同的开口形式，对烟气进入竖井后的运动规律做了分析研究。Qin T X等[2]对三层楼梯间进行模拟，比较不同火源功率情况下的楼梯间温度和烟气分布规律。得出楼梯间内温度和烟气分布与火源功率的关系。HuL等[3-4]建立了毗邻斜坡限制下的火焰溢出的临界态燃烧功率和间歇性溢出概率与坡度的关系模型，揭示了毗邻斜坡和外壁面耦合作用下溢出火焰高度、温度等特征参数演化规律。林树宝[5]通过在燃烧风洞建立射流火实验平台，研究外界风对射流火焰形态、平均火焰长度、平均倾斜角度等火焰图像特征的影响。但综上可知，在室内火灾烟气的溢流行为特性与扩散蔓延规律对整个建筑的影响方面很少涉足。而本研究主要针对火源燃烧功率、室外风风速、窗口尺寸三个因素对烟溢流的影响进行了研究。

1 物理模型

为研究高层建筑着火房间外开口处烟气溢流状态的影响因素，现以南京市某建筑为原型，一 幢 15 层的长廊型高层办公楼为研究对象，建筑物理模型见图1，开间 6 m，进深5 m，建筑层高 3.2 m，净高 3 m 的办公室，房间的开口尺寸根据目前建筑规范中的常用设计尺寸确定，办公室窗台的高度一般为0.9 m，窗的高度一般为1.8 m，窗顶距离楼面的高度约为2.7 m，根据住宅设计中客厅、办公室的窗地比一般为1/6～1/4，计算可知窗的宽度在2.8m～4.2m。窗口的尺寸选取为2.8m×1.8m，3.5m×1.8m，4.2m×1.8m。

图1 建筑物理模型图

图2 着火层物理模型图

2 工况设置

2.1 边界条件的确定

在FDS 的模拟计算中，网 格的大小对于模拟结果的准确性影响巨大。综合考虑计算速度和计算精度，网格尺寸设为：着火楼层的网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，非着火层网格尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m。为了简化模型，忽略外界风的风向随时间的变化。重点考虑了风速变化的影响，为了方便逃生，着 火房间的门窗开启以及高层建筑的各层长廊至前室的门开启。前室至楼梯间的门也均开启。其余门窗均关闭。模拟工况为冬季，由于室内空调的作用，室内温度为20 ℃，环境温度为0 ℃，压力取1.013×105Pa。

2.2 火灾场景设计

根据工程设计规范 DGJ08-88-2000《民用建筑防排烟技术规程》中 对关于国内外有无喷淋系统时火源的热释放功率的研究成果，作为本文中选取的热释放功率提供参考依据，见表1，无喷淋的办公室、客房的最大热释放速率为6 MW。火源采用恒定热释放功率，火源功率分别选取2 MW、4 MW、6 MW，火源面积为1 m2，火源设置在四层办公室的正中央。

表1 常见建筑火灾的最大热释放功率

2.3 室外风的选择

为研究风速对高层建筑着火房间烟气溢出的影响。以南京地区为例。南京地区冬季室外最多风向的平均风速为3.2 m/s。本文风速分别选取为0 m/s、1.8 m/s、3.6 m/s。风向均为迎风向垂直吹向着火房间，且风速和风向均不随时间的变化而发生改变。

2.4 设置参数的确定

为了研究在不同的火源燃烧功率，着火房间开口形式以及不同的室外环境风对着火房间烟气扩散的影响机制，通过正交分析的方法对火灾的不同的燃烧功率（A）、窗口尺寸（B）、外界风速（C）这三个因素进行三因素、三水平的设置，选择的正交表 L933 具体设置及计算见表2。

表2 工况设置

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟判据

火灾发生后，人员疏散主要是通过长廊进入前室，火 灾发生后 60 s 火灾报警器报警，假设人员在房间及走廊内的行走速度分别为1.0 m/s 和 0.5 m/s，人的反应时间为120 s，计 算得到人员在该楼层最大所需安全疏散时间为245 s，下文分析选取300 s为时间判断依据[6]。

3.2 最佳模式的选取

表3为模拟方案及指标值。根据表3中 A，B，C三个因素所对应的烟气溢出的体积流率的极差为2.04、4.23、0.68 可以得出一定范围内影响烟气体积流率溢出的主次关系如图3[7]。

表3 模拟方案及指标值

三个因素中B因素（外界风速）所对应的烟气溢流的体积流率的极差最大，极差为4.23，表明一定范围内，因素B对改变烟气溢流的体积流率的影响最为显著。应该优先考虑。该因素对应的优水平为B3。随着室外风的风速增大，着火房间外开口处中性面的高度降低，外溢的能力降低烟气的提升了外开口的中性面高度。产生的烟气量迅速增大。因素C（窗口尺寸）所对应的溢出烟气的体积流率极差最小，极差为0.85。表明在一定的范围内，窗口尺寸对烟气溢流的体积流率的影响不是很显著。该因素的优水平为C3，因素A所对应的烟溢流的体积流率的极差为2.04，介于因素B和因素C之间，表明因素A的改变对着火房间外开口处烟气溢流的体积流率的影响仅次于因素 B 的改变对着火房间外开口处烟气溢流的影响，该因素对应的优水平为A3，所以最优组合为A3B3C3，因为最优组合不在正交表的工况设置中，所以追加工况十，如表4所示。通过比较不同工况发生火灾后 180s～300s时段内着火房间外开口处烟气溢流的体积流率，得出最优组合模式着火房间外开口处烟气溢流的体积流率最大[8]。

图3 不同因素对烟气溢流的影响程度

表4 追加工况及指标

3.3 外开口处烟气温度的变化情况

图4～图6 分别为火源功率为2 MW、4 MW、6 MW时，不同工况在在250 s～300 s 时，窗口处气体温度随时间变化的分布图。由图可以看出，窗口处烟气的温度随着溢出烟气体积流率的增加而增加。且溢出烟气的体积流率越大，烟气的温度变化比较平稳，溢出烟气的体积流率较小时，烟气的温度变化比较明显。这是由于火灾产生的烟气由于浮力，聚集在高处且会卷吸外界环境的冷空气。烟气体积流率较大时，烟气温度受卷吸空气的影响较小，故烟气温度变化比较平稳[9]。而烟气的体积流率较低时，烟气温度受卷吸空气的影响较大，烟气温度的变化也就为明显。图4～图6窗口处烟气的最高温度分别为195 ℃、336 ℃、456 ℃。若是这样的烟气溢出，将会对着火房间相邻的房间产生较大的辐射热，更 加容易发生由于窗口烟溢流而造成的火灾事故[10]。

图4 工况一～工况三温度随时间的变化

图5 工况四～工况六温度随时间的变化

图6 工况七～工况十温度随时间的变化

3.4 外开口处气体速度的变化情况

图7～图9分别为火源功率为2 MW、4 MW、6 MW时，不同工况在300 s 时外窗开口处不同高度处的水平速度矢量。从图中可以看出，窗口处的水平速度随着高度的增加逐渐由正变负，这说明窗口处不同高度处气体流动方向发生了变化。且气体流动方向变化的位置为窗口中性面[11]。故可知工况一～工况九的中性面高度如表 5 所示。可知当火源功率不变时，中性面的高度越高，烟 溢流的体积流率越小。由此可知，中性面高度的抬升可以有效的阻止烟气的外溢。

表5 窗口处中性面高度

图7 工况一～工况三的速度随高度的变化

图8 工况四～工况六的速度随高度的变化

图9 工况七～工况十的速度随高度的变化

4 结论

利用 FDS 软件建立高层建筑着火房间外窗开口处烟气运动模型，探究不同参数组合下对烟气溢流的影响，通过比较外溢烟气的体积流率以及溢出烟气的温度，得出的主要结论如下：

1）极差分析方法表明影响着火房间烟溢流的三种因素中，各因素的敏感性顺序由大到小依次为外界风速、火源燃烧功率、开口尺寸。

2）溢出烟气的体积流率越大，烟气的温度越高。烟气的体积流率越小，烟气的温度越低。且溢出烟气的体积流率越大时，烟气的温度变化较为平缓。而溢出烟气的体积流率较小时。烟气的温度变化较为明显。

3）若火源功率恒定不变，中性面高度越高。外溢烟气的体积流率越小。中性面高度的抬升可以有效的阻止烟气的外溢。能够有效的避免因烟溢流而对周围建筑物造成火灾事故。