阶梯长度对阶梯式剖面中庭火灾烟气的影响研究

毛开宗 战乃岩 苗 盼 蔡宗佑

（吉林建筑大学应急科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

公共建筑中的中庭一般都是宽阔高大的空间，一方面可以作为人群的集散地，另一方面可以营造景观，聚集人流，增加建筑的吸引力，是建筑设计中常用的空间结构。但是其本身与其他空间的相通性，使得中庭容易成为烟气的集散地，影响建筑的消防安全。

近十年，国内外学者对中庭火灾的烟气运动和烟气控制进行了大量研究。Doheim等[1]对比了三种不同底面形状的中庭烟气参数的差异。Król等[2]进一步分析了矩形中庭自然排烟的影响因素及各因素间的相互作用。杨晖等[3]研究了不同补风形式对中庭烟气发展的影响，得出侧送风要好于下送风。张耀伟等[4]研究指出，补风口位置稍高于火源时有利于烟气的排出。黄斌等[5]通过全尺寸实验验证了高大中庭内自然排烟的有效性。对于瘦高类中庭，吴立志等[6]通过研究烟气羽流的运动特点，指出排烟口的分设排列更有利于排烟。王莉等[7]研究了轴对称型烟羽流和阳台溢出型烟羽流在中庭内的变化规律。范传刚等[8]开展了一系列的全尺寸实验，研究了不同排烟方式对中庭烟气蔓延和温度分布的影响。

以往的中庭烟气研究大都以等截面的矩形剖面中庭为对象。当前，横截面逐渐增加的阶梯式剖面中庭也常见于公共建筑中，这种中庭可以提高底部空间的利用率，增强采光的同时改善采光均匀性。但是从烟气发展的角度来看，横截面的变化直接影响烟气的径向扩散，进而影响烟气的分布和中庭排烟效果。针对这类阶梯式剖面中庭，本文通过Pyrosim火灾模拟软件建立不同阶梯长度下的一系列火灾模型，通过碳黑质量分数和温度分布分析烟气的运动特征，用质量流量和热量流量对比中庭的排烟排热效果。

1 模型建立和工况设置

1.1 设定火灾模型

火灾仿真模型如图1所示，阶梯式剖面中庭建筑尺寸为50m×10m×20m，层高4m，共计五层。中庭设置在建筑左侧，阶梯长度d=0m时，中庭是10m×10m×20m的等截面体，阶梯长度d>0m 时，中庭横截面向上呈阶梯状增加。中庭侧墙的顶部设置2个2m×2m的排风口，底部设置1个1m×2m的进风口。初始环境默认温度为20℃，模型的网格尺寸选为0.25m，左侧的网格边界是开放的，以满足排烟送风的需求，模拟时长600s。

图1 仿真模型结构示意图

1.2 工况设置

为了研究阶梯长度对中庭烟气运动的影响，根据阶梯长度d的大小，在小于楼层高度两倍的范围内，即在8m内以步进为1m设定9种火灾场景，d=0m时是矩形剖面中庭。同时分别在纵向高度2m、6m、10m、14m和18m处设置热电偶，探测温度的变化。

2 阶梯长度对中庭烟气的影响

2.1 阶梯长度对烟气运动的影响

通常情况下，火源产生的烟气在没有阻挡时，烟羽流以轴对称型上升至中庭顶部，在天花板下形成顶棚射流，撞击到侧墙的烟气会沿着墙壁向下蔓延，阶梯长度增加后，同一时刻下的烟气层高度略有上升，但是中庭烟气的体积明显增大，因而烟气的总生成量是逐渐增加的。而且烟气层稳定后的高度基本一致。

不同阶梯长度下烟气运动的差异见图2，从图2（a）、（b）可以看出，矩形剖面中庭内的烟气会侵入相邻的各个楼层。阶梯式剖面中庭的阶梯长度较短时，仍有大量烟气侵入楼层。从图2（c）可以看出，阶梯长度增加至一定程度，侵入楼层的烟气减少，烟气向上蔓延，同时卷吸空气，生成大量烟气，形成庞大的烟羽流。这是因为随着横截面的增大，烟气在阶梯处翻滚的空间增大，卷吸的空气增多，烟气生成量增大。

图2 不同阶梯长度下烟气运动的差异

需要注意的是，烟气在蔓延后，动量不断损失，速率不断下降。随着阶梯长度的增加，烟气的动量损失会逐渐增多，烟气速率下降得更快，这会减弱烟气卷吸空气的能力，一定程度上减小烟气生成量。如图2（d）所示，烟气翻滚后与顶部的热烟气层之间存在较大的无烟区或少烟区，说明烟气无法卷吸这些空气。

2.2 阶梯长度对烟气温度的影响

图3为矩形剖面中庭的烟气温度随时间的变化曲线。可以看出，测点1的温度48s开始上升，测点5的温度92s开始上升，而且其温度远高于测点5，说明烟气滞留在测点1所在的中庭底部。这主要是由于进风口加速了烟气向楼层的蔓延，楼板对烟羽流有阻隔作用。一方面，楼板一定程度上阻挡了烟气的上升，使得顶部的烟气温升减小；另一方面，楼板的阻隔将烟气滞留在楼板下方，使得底部的烟气温升增大。

图3 d=0m下中庭顶部和底部的烟气温度

阶梯长度2m时，阶梯式剖面中庭顶部和底部的烟气温度如图4所示。从图4可以看出，烟气先到达中庭顶部，顶部的温度高于底部的温度。这是因为在热压作用下，热烟气上升，因而测点高度越高，测量所得的温度越高。说明d=2m时，楼板对烟羽流的阻隔减弱了很多，大部分烟气都能向上蔓延至中庭顶部，在天花板下形成热烟气层。

图4 d=2m下中庭顶部和底部的烟气温度

阶梯长度分别为4m和8m时的中庭纵向上的烟气温度分布见图5、图6，两种火灾场景下均是较高处的测点温度先上升，说明烟气没有滞留在中庭底部，可以向上蔓延到中庭顶部。随着大量烟气集中在中庭顶部，烟气逐渐积累，烟气层开始下降，上方的高温烟气和下方的冷空气进行热交换和热对流，整体的温度分布与高度呈正相关。这个长度范围下，烟羽流发展的受限微乎其微，阶梯长度对烟气运动和烟气温度的影响更直接。对比图5、图6，d=8m时烟气层抵达较高测点的时间也更短。这说明过长的阶梯长度会导致火灾前期烟气的发展更快，不利于起火后高楼层人员的疏散。

图5 d=4m下中庭不同高度的烟气温度

图6 d=8m下中庭不同高度的烟气温度

图7为阶梯长度较短的三种火灾场景下中庭烟气的平均温度分布。对比3种工况，可以发现中庭底部的烟气温度基本相同，都在41℃左右。而随着阶梯长度的增加，中庭顶部烟气的温度则逐渐升高，其他各个高度的烟气温度也有上升。这说明，d在0～2m内，阶梯长度和中庭烟气温度呈正相关。

图7 d=0m、1m、2m下的烟气温度分布

图8为阶梯长度较长的四种火灾场景下中庭烟气的平均温度分布。随着阶梯长度的增加，中庭纵向各高度的烟气温度逐渐降低。这说明，d在3～8m内，阶梯长度和中庭烟气温度呈负相关。而且根据计算，阶梯长度为3m，4m，6m，8m下中庭顶部和底部烟气的温差分别为1.38℃，3.53℃，5.15℃，6.01℃，表明阶梯长度越长，中庭内的烟气温差越大。这能更好地利用中庭的烟囱效应，增强排风口的排烟效率。但是超过4m后，阶梯长度增加所导致的温差有所减弱。可以预见的是，阶梯长度达到一定尺寸后，继续增加尺寸对排烟效率的影响减弱。

图8 d=3m、4m、6m、8m下的烟气温度分布

综上所述，阶梯长度从0增加至1m、2m、3m，中庭烟气温度会逐渐上升，此时继续增加阶梯长度，中庭烟气温度会逐渐下降，即阶梯长度3m时中庭烟气温度最高。

通过对烟气迁移过程的观察，烟气温度的变化主要受卷吸空气影响。由于送风口持续不断的送风，烟气蔓延过程中卷吸的空气量越大，烟气的发展越快，导致烟气温度的升高。阶梯长度从0开始增加时，烟气径向蔓延的空间扩大，烟气能卷入的空气量变大，阶梯长度达到一定尺寸后，继续增加阶梯长度，烟气的速率由于下降过多，没有足够的动量卷吸空气。因而存在一个临界值，在3m左右，阶梯长度位于临界值时，烟气蔓延过程中卷吸的空气量达到最大值，此时中庭烟气温度也达到最高值。由图7、图8可以发现，随着阶梯长度逼近临界值3m，不仅烟气温度会逼近最高值，烟气的温差也会越来越小，这一定程度上降低了排烟效率。

为了验证该结果，图9对比了各个阶梯长度下中庭侧墙排风口的排烟效果。从图9（a）可以看出，质量流量随着阶梯长度的增加而减小，直到达到3m。然后随着阶梯长度的增加而增大，尽管阶梯长度从5m增加至6m以及从7m增加至8m时，质量流量略有下降，但是数值仍然高于阶梯长度为3m时的数值。也就是说，阶梯长度设置为3m时，中庭排风口的质量流量最小，排烟效果最差。由于模型中建筑的层高为4m，此时阶梯长度与楼层高度比值为0.75。

图9 各阶梯长度下排风口的排烟效果

图9（b）的曲线则与图3（a）的相反，对比两图可以发现质量流量增大的同时热量流量反而减小，阶梯长度达到3m时，排热量最大，和烟气温度的变化一致。这说明在排热的影响因素中，烟气温度的占比更大。或者说，阶梯长度对烟气温度的影响较大，对排烟效果的影响较小。但就结果而言，阶梯长度与楼层高度比值达到0.75时，中庭烟气温度最高，中庭排烟效果最差。因此从消防安全性能出发，在建筑设计初期就应该避免这个临界值。

3 结束语

本文利用pyrosim软件建立火灾模型，模拟阶梯式剖面中庭建筑中在不同阶梯长度下中庭的烟气蔓延，通过碳黑质量分数和烟气的温度分布分析烟气的运动特征，用质量流量和热量流量对比中庭的排烟排热效果。模拟结果表明，阶梯长度对烟气运动路径、烟气温度和中庭排烟量影响较大。阶梯较短时，侵入楼层的烟气较多；阶梯较长时，烟气在阶梯处发生翻滚并卷吸大量空气，中庭的烟气增多；阶梯长度过长时，烟气翻滚时卷吸空气的能力减弱，中庭的烟气减少。阶梯长度达到3m时，中庭的排烟量最小，中庭烟气的温度达到最高值，此时楼层高度4m，二者间的比值为0.75。