外立面阻隔结构限制下建筑开口外部火溢流温度分布特性的研究

2023-03-08赵楠

安全 2023年2期

赵楠

(北京市朝阳区消防救援支队，北京 100027)

0 引言

建筑外立面开口火溢流是室内火灾中的火焰随烟气从窗口等开口溢出，并在外部燃烧的特殊火灾现象。近年来，它在城市高层建筑火灾中时有发生，对城市安全造成重大威胁。

国内外学者针对建筑外立面开口火溢流做了很多研究。日本学者Yokoi[1]研究在不同的建筑外立面开口形状下火溢流的温度分布情况，测得开口火溢流垂直扩散轨迹中轴线上的无量纲温度分布；学者Himoto等[2]建立小尺寸模型来预测建筑外立面开口火溢流的扩散轨迹；美国的2位学者John和Francine[3]运用计算机模拟，研究不同阳台类型及伸长对建筑外立面火溢流蔓延的影响；中国科技大学的唐飞和胡隆华[4]通过在一个有6种不同尺寸窗口的房间内做火灾试验，观测并研究窗口尺寸对建筑外立面火溢流的影响。

上述研究都是针对阳台、窗口等单一阻隔结构限制下外立面开口火溢流的火灾行为进行的，对阳台、窗槛墙、窗户尺寸3种常见外立面阻隔结构共同限制下火溢流火灾行为的研究还较少。本文通过理论分析及小尺寸数值模拟实验，研究外立面阻隔结构限制下的建筑开口外部火溢流温度分布特性。

1 理论分析

建筑外立面开口火溢流是在通风控制燃烧下室内火灾中的火焰从受限空间开口溢出，并在建筑外立面形成的一种特殊的浮力羽流[1]。由于建筑外立面一侧的空气卷吸受到限制，同时受窗口、窗槛墙、阳台等外立面阻隔结构的作用，使得建筑外立面开口火溢流的运动过程与自由边界下的浮力羽流大相径庭。因此，通过对不同尺寸的阳台及窗口的建筑外立面开口火溢流形态的研究，将火溢流在窗口及阳台作用下向上运动的过程近似看做以下2个过程：阳台下方，窗口火溢流在窗口水平动量及上升浮力共同作用下，由水平传播转变为竖直向上传播的过程；当火溢流上升至阳台后，以阳台为起点形成的浮力羽流运动过程，如图1。

图1 火溢流在建筑外立面运动过程示意图

受限空间开口火溢流可以认为是由一个位于绝热壁面处开口中性面上的矩形火源产生的[5]，如图2。矩形火源的特征边长l1平行于外立面，其大小用于表征火溢流的影响范围，另一个特征边长l2垂直于外立面，表示当火溢流在浮力作用下由水平变为垂直时到建筑外立面的距离；J0为火溢流从开口水平溢出到转变成向上竖直传播的过程中所受到的上升浮力通量，并且浮力通量为恒定值[5]。

注：J0—浮力通量，kW；l1—特征边长，m；l2—特征边长，m；H—窗口高度，m；W—窗口宽度，m；z—火源上方竖直高度，m

假定位于实际火源及火焰上方的羽流横截面积可以被近似为一个矩形，并且矩形长宽比恒定。且特征边长l1决定了矩形火源平行于外立面的宽度，特征边长l2决定了火源长度(垂直于外立面)，特征边长l1、l2表示为式(1)[5]。

l1=(AH1/2)2/5

l2=(AH2)1/4

(1)

式中：

A—外立面开口面积，A=H×W，m2。

随着火溢流的上升，空气卷吸率使得火羽流的水平尺寸随着高度的增加而扩大。火源上方的火羽流矩形横截面特征边长lx垂直于外立面，另一个特征边长ly平行于外立面。浮力驱动的空气卷吸使得lx值随着火源上方的高度增加而增大。这种卷吸的物理机制可以假设为和自由羽流类似。这种卷吸来自除了建筑外立面以外的所有方向：

(2)

式中：

u—一般火羽流的上升速度，m/s；

α—卷吸系数；

ρa—火羽流周围环境空气密度，kg/m3。

在高度为z处，空气卷吸对于横截面尺寸的影响如下：

(3)

式中：

ρ—高度z处的火羽流周围环境空气密度，kg/m3。

随着z的增加，火羽流上升速度减小，由于温度降低，火羽流密度增加，假定(ρdu+udρ)约为0。因此，式(3)可以简化为：

α(2lx+ly)dz=d(lxly)

(4)

根据上文对矩形火源的假设，矩形火源的矩形长宽比K可以表示为下式：

(5)

火焰上方垂直高度与中性面高度差z′见式(6)：

z′=z-zn

(6)

式中：

zn—中性面高度，m。

利用式(7)对中性面高度进行近似计算[1]：

(7)

将初始条件z′=0，lx=l2，以及阳台处的临界条件z′=Hfloor-H/2(Hfloor为建筑每一层的高度)带入式(4)积分得到

(8)

根据高斯分布[6]：

(9)

式中：

T—距离火羽流中心线径向距离r处的温度，℃；

T∞—环境温度，℃

Tmax—中心线处的最高温度，即x=0处的温度，℃；

b(z)—有效火羽流半径，关于z的函数，m；

β—高斯剖面系数。

由于阳台的阻碍作用，大量热烟气在阳台下方聚集，因此将阳台下方沿z方向的Tmax-T∞均近似取为ΔTg，ΔTg为从窗口流出热烟气的平均温度。将式(8)带入式(9)，取阳台下方火羽流高斯剖面系数为β1，阳台边缘处的温度Tbalcony可以用下式表示：

(10)

当火溢流上升到阳台后，一部分在阳台下方形成顶棚射流，发生热量损失，另一部分受浮力作用沿阳台边缘向上运动，形成自由边界的浮力羽流。根据高斯分布，取阳台上方自由羽流高斯剖面系数为β2，阳台上方自由羽流沿垂直中心面径向温度可用下式表示：

(11)

b(zb)可以表示为b(zb)=C1zb[1]，C1为火羽流半径系数。根据自由羽流中心线温度随高度变化的规律[7]，将阳台上方自由羽流中心线温度近似表示为(Tbalcony-T∞)/(mzb+1)5/3，m为表征自由羽流中心线处温升沿zb变化规律的常数，得到起火房间上层外立面纵向温度分布与阳台伸长d、窗槛墙高度L、窗口宽度W的关系式，如式(12)：

(12)

从式(12)可以看出，开口外部火溢流的温度分布受阳台伸长、窗槛墙高度及窗口宽度的共同影响，三者共同影响着建筑外立面阻隔结构的阻隔效果。利用式(12)，可以计算火溢流的纵向温度分布，同样，反过来还可以用于计算确保建筑上层建筑外立面防火安全的某阻隔结构的最优设计值。

2 数值模拟与讨论

2.1 模拟工况设计

为了对所建立数学模型进行验证与修正，本文利用火灾动力学模拟(Fire Dynamics Simulator，FDS)软件[8]数值模拟外立面阻隔结构限制下火溢流。数值模拟采用1/2缩尺寸模型，尺寸为3.3m×4m×4.5m，为3层建筑，每层设置2个相同的房间，房间尺寸为3.3m×2m×1.5m，起火房间位于一层左侧，如图3。根据John和Francine[3]对阳台几何形状的研究，无砖墙围护且两侧无隔离墙的阳台对火溢流蔓延的阻隔效果最好，因此每个房间设置落地窗口，窗口高度为H，宽度为W，窗槛墙高度为L，其中H+L=1.5m。并于2层2房间落地窗口下沿设置与窗口宽度相等的阳台，阳台伸长为d。

(a)前视图

本文主要研究对象为住宅与办公建筑，我国上海市工程建设规范DGJ 08-88—2006《建筑防排烟技术规程》[9]中给出在无喷淋的办公室、客房中，最大热释放速率为6MW，根据缩尺寸模型比例关系[10]，得到缩尺寸模型实验台的火源功率为1MW。

起火房间两角和正中央设置3树热电偶，每树7个，热电偶两两间隔为0.2m。起火房间上层建筑每层窗口正中央均匀布置15个热电偶，热电偶两两间隔为0.1m(如图4)，用来测量壁面处的温度。

图4 缩尺寸数值模拟模型温度测点示意图

模拟选取火源功率为1MW，火源设置在一层左侧房间地面正中央，面积为1m2，火源尺寸为1m×1m。

为了使模拟结果更具普遍性和代表性，本文模拟工况的设计借鉴我国GB 50016—2014《建筑设计防火规范(2018版)》[11]和GB 50368—2005《住宅建筑规范》[12]中有关阳台及窗槛墙的相关规定，选取4种不同的阳台伸长尺寸d(d=0.2、0.3、0.4、0.5m)，4种不同尺寸的窗口宽度W(W=0.8、1.0、1.2、1.4m)，4种不同的窗槛墙高度L(L=0.4、0.5、0.6、0.7m)。按照常规实验设计方法，需要做4×4×4=64组实验，本文利用正交实验法对实验工况进行设计，只需做16组实验即可，见表1。

表1 模拟工况

2.2 典型火羽流实验结果对比

在火溢流纵向温度分布数学模型的建立过程中，将火溢流阳台上方的运动假设为自由边界下浮力羽流的运动过程。为验证该假设的可行性，将数值模拟中火溢流纵向温度随高度变化的曲线与Yokoi[1]实验所得的自由边界下浮力羽流的温度分布曲线进行对比，如图5、6。图5给出了不同工况下外立面纵向温度分布，图6为Yokoi[1]利用酒精作为燃料，在实验中得出的自由边界条件下浮力羽流温度分布的实验结果。

图5 外立面纵向温度分布图

图6 Yokoi的线源实验结果

从图5、6可以看出，阳台上方外立面纵向温度分布的曲线变化规律与Yokoi实验中获得的浮力羽流自由边界条件下的纵向温度分布变化规律大致相同。同时，阳台的伸长在火溢流的纵向温度分布中有着重要的作用。不同的阳台伸长，纵向温度的衰减速度也是不一样的。随着阳台伸长的增大，外立面开口火溢流受阳台的阻碍作用增强，因此阳台上方的火溢流温度及火溢流受到的向上浮力减小，外立面纵向温度的衰减速度逐渐变缓。

2.3 基于数值模拟的拟合结果

根据早期研究[13]，将空气卷吸率α取为0.11，利用数值模拟结果对所建立的数学模型进行拟合求解，得到起火房间上层外立面纵向温度分布与阳台伸长d、窗槛墙高度L、窗口宽度W的关系，见式(13)：

(13)

由式(13)可以看出，在阳台上方火溢流的β2值为2.27，对于自由羽流，β2的值应在0.64～1.5之间变化[14]，阳台作用下受限空间开口火溢流β2的值大于自由羽流。这种现象可以解释为，受限空间开口火溢流受阳台作用，在阳台边缘形成浮力羽流向上传播，由于阳台的阻隔作用，火溢流远离建筑外立面，但由于墙面的作用，浮力羽流一部分被垂直于建筑外立面方向的空气压缩，因此径向的温度降低会更加迅速，从而导致β2的值比轴对称火羽流大很多。