环境风对高层建筑楼梯井内火灾烟气运动特性的影响

袁 威，梁 栋，褚燕燕，王 伟

(1.中山大学智能工程学院，广东 广州 510006；2.广东省消防科学技术重点实验室，广东 广州 510006；3.中山大学材料科学与工程学院，广东 广州 510006；4.应急管理部上海消防研究所灭火理论研究室，上海 200032)

近年来，全国各省市全面推进城市化建设，高层建筑与日俱增，随之而来的高层建筑火灾事故频繁发生，造成大量的人员伤亡和财产损失[1-3]。在高层建筑火灾中，烟气是造成人员伤亡的最主要危害因素，据统计，因烟气致死的人数可达到火灾总死亡人数的80%以上[4]。高层建筑发生火灾后，在烟囱效应等作用驱动下，烟气会随着楼梯井、电梯井、管道井和电缆井等竖向井道从下往上传播到各个楼层[5]。由于高层建筑楼层较高，发生火灾时通常利用楼梯井作为人员疏散与救援的通道。因此，研究高层建筑楼梯井内火灾烟气的运动情况具有重要的意义。

在高层建筑中，外部环境风在很大程度上会影响建筑内部火灾烟气的运动趋势。目前前人的大量研究主要致力于描述高层建筑竖井内部火焰羽流的运动特征和不考虑环境风作用影响下建筑内部烟气的运动特性[6-11]，而关于环境风影响高层建筑楼梯井内火灾烟气运动特性的研究较少。Poreh等[12]将多层建筑的每一层楼梯间设置为对外开口，分析了在有增压系统和无增压系统下环境风对室内火灾烟气运动的影响，认为环境风会极大地增强增压系统的性能；周允基等[13]研究了多层建筑不同楼层位置的房间发生火灾时外界环境风对房间内外稳态温度场与流场的影响，并建立了多层建筑火灾流场特性数学模型，结果发现当多层建筑发生火灾时，外界环境风向和风速对有、无热源的房间内部火灾烟气流动特性均有影响，且风速不同影响程度不同；李耀庄等[14]利用Phoenics软件研究了环境风对小城镇多层建筑火灾流场的影响，结果发现不同风向和风速的环境风对有、无热源的房间内部火灾烟气流动特性均有影响；黄冬梅等[15]利用FDS软件建立数值模型，模拟研究了在有风条件下高层建筑竖井内火灾烟气的运动规律，发现迎风向对竖井内火灾烟气蔓延的影响程度要大于背风向和侧风向；Wang等[16]模拟了10层公寓中环境风对室内火灾烟气运动、温度、能见度和一氧化碳浓度的影响，结果发现在迎风条件下，火灾烟气温度与风速呈正相关关系；Ji等[17]模拟了在风速为0～6 m/s情况下，环境风对高层建筑楼梯间内火灾烟气运动情况的影响，结果发现羽流达到特定高度所需要的上升时间随风速增加而增加。

综上，前人的研究中对于环境风对高层建筑楼梯间内火灾烟气运动特性的研究仍不完善，环境风对楼梯井内火灾烟气特性影响的相关研究不足。鉴于此，本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法，基于广州市某地真实高层建筑楼梯井原型，利用火灾动力学仿真软件FDS(Fire Dynamics Simulator)建立了该16层高层建筑楼梯井全尺寸FDS数值模型，并通过数值模拟，分析了环境风对高层建筑楼梯井内火灾烟气运动发展态势的影响。

1 FDS数值模型建立

1.1 FDS软件介绍

FDS数值模拟软件采用大涡数值模拟(Large Eddy Simulation,LES)火灾烟气流动过程，火灾烟气流动过程由以下控制方程进行描述[18]：

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

组分守恒方程：

(4)

1.2 FDS数值模型建立

如图1所示，建立了某16层高层建筑楼梯井全尺寸FDS数值模型。该高层建筑楼梯井尺寸为5 m(长)×3 m(宽)×56 m(高)，共16层，层高3.5 m；楼梯井内窗户设置于两层楼中间位置，尺寸为1.2 m(高)×1 m(宽)；16层顶部中心处设有排烟口，尺寸为1 m×1 m，第1层与窗户相对位置设有门，尺寸为2 m(高)×1 m(宽)；火源位于第1层正中心处，面积为1 m×1 m；模型中从下至上共设置16个热电偶，分别为T1～T16，用于测量所在位置的温度，分布在相邻楼层中心位置；顶部通风口和底部门在模拟过程中始终处于开启状态，两处分别设置烟气质量流率监测装置；窗户开口朝向与风向一致时为背风向，如图1(b)中红色箭头所示方向与y轴平行，表示为背风向；建筑整体材料类型设置为混凝土，其密度为2 280.0 kg/m3，比热容为1.04 kJ/(kg·K)；环境初始温度设定为20℃，初始压力设定为101.325 kPa，并设定火灾类型为快速增长型，模拟时间为600 s。

图1 某16层高层建筑楼梯井全尺寸FDS数值模型

1.3 模拟工况设置

本次数值模拟的具体工况设置，见表1。

表1 模拟工况设置

1.4 网格划分

在模拟时，需要对建筑模型进行网格划分，网格大小将会影响最终数值模拟结果的精度。然而，网格划分过小会使得计算时间过长。基于FDS软件用户手册，火灾特征直径与网格尺寸比D*/δx可作为网格划分的参考标准，其中D*可由下式计算[19]：

(5)

综合考虑，本模型中采用的网格尺寸大小为0.25 m×0.25 m×0.25 m，单个模型网格数量为2 333 856个。

2 环境风对高层建筑楼梯井内火灾烟气运动特性的影响

2.1 不同窗户开合状态下环境风对楼梯井内火灾烟气蔓延的影响

在底部火源作用下，楼梯井内部温度高于外部环境温度，内部热空气沿着垂直通道上升，通过上部缝隙渗出，外部冷空气从底层缝隙处补充，产生烟囱效应。烟囱效应在自然通风条件下主要受到热压和风压两种压差作用的控制[20]。4种窗户开合状态下环境风对某高层建筑楼梯井内火灾烟气蔓延的影响模拟结果，见图2。

图2 4种窗户开合状态下环境风对某高层建筑楼梯井内火灾烟气蔓延的影响

由图2可知：当t=60 s时，工况A4即楼梯井内下部窗户关闭、上部窗户开启工况下，火灾烟气在垂直方向上的蔓延速度显著高于其他3种工况；当t=120 s时，工况A2即窗户全部关闭工况下火灾烟气的蔓延速度逐渐超过工况A4，并均显著高于另外几种工况。由此可见，高层建筑楼梯井内上部窗户开启在一定程度上促进了火灾烟气的蔓延。在火灾初期，楼梯井内烟囱效应并不显著，不同窗户开合状态对于火灾烟气蔓延的影响较小；到了火灾中后期，楼梯井内上部窗户开启和全部关闭情况下，烟囱效应较为明显，在热压和风压共同作用下，火灾烟气的蔓延速度显著加快。

2.2 窗户迎风向和背风向下环境风对楼梯井内火灾烟气蔓延和烟气温度的影响

窗户迎风向和背风向下环境风对某高层建筑楼梯井内火灾烟气蔓延和烟气温度的影响，见图3。

图3 窗户迎风向和背风向下环境风对某高层建筑楼梯井内火灾烟气蔓延和烟气温度的影响

由图3可见：在相同的环境风速条件下，背风向条件下楼梯井内部火灾烟气的蔓延速度略快于迎风向；迎风向条件下楼梯井内底部火灾烟气温度显著高于背风向，说明迎风向条件下楼梯井内部热量相对难以散发，局部更容易产生高温。

2.3 不同环境风速对楼梯井内火灾烟气运动特性的影响

火灾产生的热烟气团会在楼梯井中上升，通过沿楼梯每3.5 m设置的温度监测装置实时记录火灾烟气温度，并以60℃作为火灾烟气前锋温度，得到火灾烟气前锋到达各个测点高度的时间，见图4。该瀑布图可以清楚地描述在不同环境风速下火灾烟气前锋的运动趋势。

图4 火灾烟气前锋到达各测点高度的时间

由图4可见：静风时，火灾烟气前锋到达最低点T1测点所需的时间最短，为7.8 s，而当环境风速为5 m/s时火灾烟气前锋到达T1测点所需的时间最长，为12.6 s；当环境风速为2 m/s时火灾烟气前锋到达T1测点所需的时间为10.8 s，当环境风速为4 m/s时火灾烟气前锋到达T1测点所需的时间为12.5 s，环境风速增加一倍，所需的时间增加15.7%；火灾烟气前锋到达最高测点T16所需的时间同样随环境风速变大而变长。总体来看，火灾烟气前锋上升速度在远离楼梯井顶部通风口处较快，在接近楼梯井顶部通风口处较慢；且随着环境风速的增大，火灾烟气前锋向上蔓延的速度被延缓，说明环境风速的增大能够加强楼梯井内热量耗散，减慢楼梯井内温升速度。

某高层建筑楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率随时间变化的关系曲线，见图5。

图5 某高层建筑楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率随时间变化的关系曲线

由图5可见，环境风速越大，楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率越大，使得楼梯井内火灾烟气的蔓延速度加快。在火灾前期，楼梯井顶部排烟口处在5 m/s的环境风速条件下仅仅需要2.4 s就能够监测到稳定的烟气正向流率(即向楼梯井外排气)，比无风条件下提前51.0 s；在0～5 m/s 6种环境风速条件下，楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率峰值分别为1.9 kg/s、2.3 kg/s、2.3 kg/s、2.5 kg/s、3.0 kg/s、4.0 kg/s，环境风速越大，楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率峰值越高；在5 m/s环境风速条件下，楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率峰值比无风时增加了110.5%。

2.4 无量纲火灾烟气上升速度与环境风速的关系

1998年，Chow等[21]在研究中假设火源对楼梯井壁的壁面效应可以忽略，根据火源热释放速率与火羽流上升速度之间的关系，提出火源热释放速率、烟团上升速度、烟团运动时间的无量纲表示形式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

根据Chow等[21]在研究中提出的假设，对火灾烟气上升速度进行了无量纲化处理，研究环境风速对火灾烟气上升速度的影响，并模拟火源热释放速率分别为2 000 kW/m2、4 000 kW/m2和6 000 kW/m2时该高层建筑楼梯井内部火灾烟气运动特性，根据模拟结果，绘制出温度监测装置T16所在测点的无量纲火灾烟气上升速度与环境风速的关系曲线，见图6。结合不同火源热释放速率情况，对比拟合曲线可知，对于高层建筑，Chow模型能够较好地解释无量纲火灾烟气上升速度与环境风速之间的关系，但仍然存在一定的误差，且随着环境风速的增大，Chow模型的误差逐渐减小。由图6可见，随着环境风速的增大，无量纲火灾烟气上升速度随之减小；当环境风速为1～3 m/s时，无量纲火灾烟气上升速度的降幅显著大于环境风速为3～5 m/s时，说明环境风对于火灾烟气前锋的上升具有抑制作用，且在低环境风速时其影响程度更大，再次印证了前文中关于火灾烟气前锋上升速度的分析结果，且符合烟囱效应描述。

图6 无量纲火灾烟气上升速度与环境风速的关系曲线

3 结 论

(1) 高层建筑发生火灾时开启楼梯井上部窗户在一定程度上会加速火灾烟气的蔓延；在相同的环境风速条件下，背风向楼梯井内部火灾烟气的蔓延速度略快于迎风向。

(2) 通风条件会加速高层建筑楼梯井内火灾烟气的蔓延，但同样会抑制楼梯井内温升；环境风速越大，楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率峰值越高，在5 m/s环境风速下，楼梯井顶部排烟口处烟气质量流率峰值比无风时增加了110.5%；以60℃作为火灾烟气前锋温度，当环境风速为2 m/s时火灾烟气前锋到达3.5 m高度测点所需的时间比环境风速为4 m/s时快1.7 s，即环境风速增加一倍，所需的时间增加15.7%。

(3) 对于高层建筑，Chow模型能够较好地解释无量纲火灾烟气上升速度与环境风速之间的关系，但仍然存在一定的误差，且随着环境风速的增大，该模型的误差逐渐减小。

(4) 高层建筑发生火灾时，可关闭楼梯井上部窗户以减缓烟囱效应，楼梯井下部窗户应保持常开状态，以加快建筑内部排烟，为高楼层人员疏散逃生争取更多的时间。