文章编号：1009-6094(2023)11-3920-08
郭志国，谭清岚，陈荣芳，周令剑，杨雨润
（江西理工大学应急管理与安全工程学院，江西赣州341000）
摘要：为探究高层建筑竖向通道火灾烟气在环境风与烟图效应耦合下的输运行为，以额州市某高层建筑的竖向通道为研究对象，采用Pyrosim建立4种火灾场景的物理仿真模型， 并运用火灾动力学模拟软件（Fire Dynamies Siulator，FDS）模拟分析环境风与烟图效应耦合作用下竖向通道火灾烟气蔓延行为.结果显示：在环境风或烟肉效应单因素作用下， 竖向通道中的烟气蔓延速度与CO体积分数均上升；环境风速越大，对竖向通道内火灾烟气温升的抑制效果越强.在环境风与烟肉效应双因素耦合作用下，聚向通道中火灾烟气的减了44.5s 同高度C0体积分数最大涨幅达到0.13百分 相关行为特征更加显著，烟气到达竖向通道膜部时长最大缩点，竖向通道内温升则出现明显前弱现象，研究结果可为高层建筑竖向通道防火及排烟设计提供理论依据.
关键词：安全工程；高层建筑火灾；竖向通道；环境风；烟图效应；烟气蔓延
DOI : 10. 13637/j. issn. 1009-6094. 2022. 1894 中图分类号：X932文献标志码：A
0引言
当下，我国高层建筑的数量和体量呈快速上升趋势，而建筑物火灾仍是城市高发灾害事件.高层 建筑一旦发生火灾，外部的环境风很大程度上会影响建筑内部火灾烟气的运动趋势，使高温烟气向下风向迅速蔓延，增加了下风向建筑和人员的危险性.同时，电梯井、楼梯间、中庭等竖向通道内的烟肉效 应也会加快高温有毒烟气的扩散，且烟肉效应越明显，对烟气影响越大.据统计，在高层建筑火灾中，烟气致死的人数在火灾死亡总人数中占比高达82%1-1.竖向通道是建筑火灾烟气蔓延的重要途径，也是人员逃生的主要路径.因此，为提高救援效 率，减少伤亡人数，探究烟气在高层建筑竖向通道内的输运行为具有重要意义.
鉴于高层建筑火灾的发生会造成严重的人员伤亡和财产损失，学者对此进行了大量研究.1977年，Benjamin等4首先研究了环境风对烟气延的影响，结果显示环境风是建筑中促使烟气签延的主 要原因.1991年，Klote5首次发现竖向通道中性面在不同开口状态下与开口面积以及环境温度的关系式.Zhang等“分析了研究楼梯间多火源及多开口对烟气蔓延的影响；Poreh等分析了环境风在有增境风会增加增压系统的性能；袁威等设立模型分 压与无增压系统下对烟气运动的影响，结果显示环析环境风的影响，显示背向风姻气蔓延快于正向风，侧向开口开启会促进烟气蔓延，环境风速的增大会减缓烟气前锋的上升时间；Ji等通过改变风速研响，并得出羽流到达特定高度的时间会随风速的增 究环境风对不同楼梯类型竖向通道烟气蔓延的影加而增加的结论；李林杰[通过建立缩尺寸模型探究了烟图效应与烟气扩散规律：李宗翔等分析顶部开口对烟气扩散的影响，结果发现顶部设元2建立模型并开展竖向通道中性面位置的研 置为散开可以降低烟气对高层人员的危害；许晓究；Zhao等[]通过建立不同的火灾场景，阐述了不同情况下烟气受烟肉效应的影响及在竖向通道中的蔓延情况.
应中单一因素对高层建筑火灾中竖向通道烟气 综上，前人的研究多在探究环境风或烟图效蔓延的影响，而关于环境风与烟肉效应双因素耦合作用下的烟气行为有待深人研究.因此，本文建立Pyroin高层建筑竖向通道模型并采用模拟 与理论相结合的方法，以探究环境风与烟肉效应双因素作用下，火灾烟气在高层建筑竖向通道的输运行为特征.
1高层建筑竖向通道火灾模型构建
1.1Pyrosim物理模型及参数设置
选取赣州某共20层的高层建筑中竖向通道为研究原型，为了减少环境误差，精确研究目标，截取建筑内的竖向通道为对象建立1：1全尺寸模型.楼层层高3.6m 共20层，建筑总体高度为72m.在 首层设置对外大门.门尺寸宽为1.2m，高为2m.从第1层开始，在相隔2层之间设置窗户，窗户尺寸宽为1m，高为1.2m，共18个.在第20层顶部设置1个烟气排出窗口，烟气排出窗口尺寸长为1m，宽为1m.首层大门以及顶部排烟口根据选取实地 建筑现状设定为一直开启状态.设置与楼道通风口
朝向相反的风向为正向风，朝向一致为负向风.由于模拟建筑属于一类公共建筑，因此建筑竖向通道的墙体和楼层均由混凝土与石膏按照质量比为8：2进行混合并构成，以达到建筑内部燃烧性能等级，使 其不低于B1级[1].通过Pyrosim软件建立模型效果，见图1.
图1竖向通道Pyrosim模型Fig. 1 Pyrusim model of shaft channel
通过初步模拟，模型竖向通道发生烟肉效应的横截面积约为9-36m²，因此模拟采用4种不同尺m、4m×4m、5m×5m、6m×6m.为使结论更 寸横截面积的竖向通道进行模拟研究，分别为3m×3具普适性，设置无量纲长径比A以判断烟图效应，见式（1）].
式中A”为长径比；H为模型竖向通道的高度，m；D为模拟竖向通道的水力直径，m.D计算见式(2).
式中A为模拟竖向通道的横截面积，m；C为模拟竖向通道横截面内面周长，m.
和（2）可计算出横截面积为3m×3m、4mx4m、 在高为72m的高层建筑竖向通道中，由式（1）5m×5m、6m×6m竖向通道对应长径比A分别为 25 18. 7、15、12. 5.
为探究环境风与烟肉效应耦合作用下烟气蔓延的特殊性，将火源设置在建筑竖向通道的首层.火 源根据最不利原则，采用r超快速火进行模拟.设
(1)
(2)
1.2网格设定
1.3环境风速设置
置环境初始温度为25℃，环境压强为0.1MPa，火源燃烧反应为聚氨酯材料物燃烧，最大热释放速率为6MW.从首层开始，在每层高度为3.5m处设置一个热电偶，共20个.每层高度为3.5m处设置1个 烟气流速探测器，共20个，且热电偶与烟气流速探测器位置重合.在建筑模型中心设置纵向的烟气流速观测切面.通过计算，火灾发生206.4后火源达到充分燃烧，此时热释放速率将达到最大值，见式（3）.
式中Q为热释放速率，kW；a为火灾增长系数，kW/s；为火灾增长时间，s.
性，还节省了计算时间.特征直径与模拟网格尺寸 合适的网格尺寸不仅确保了仿真结果的可靠中，8为比例常数；x（m）为模拟网格尺寸；D（m）格尺寸d（m）的4-16倍时，为最佳效率尺寸[. 为火灾特征直径，见式（4）.根据前人研究，D”为网
式中p为空气密度，kW/m；c 为环境空气的比定压热容，kJ/（kgK）；7为相对环境温度，K；g为重力加速度，m/s².
本文最大热释放速率为6MW，通过计算确定特征直径D为2.1，因此最佳网格尺寸d最佳选取在0.131-0.525m.在此范围内选取6种试验网格(0. 15 m 0. 23 m 、 0. 30 m .0. 37 m、 0. 44 m 、0. 52 m)测定各尺寸下全楼层在稳定燃烧阶段的平均温度， 以进行比较.在竖向通道各楼层中心处设立热电偶结果见图2.随着网格的增大，数据曲线斜率变小且数据偏差增大.网格尺寸小于0.30m的模型结0.30m.为了提高试验精度，节约试验用时，选取网 果与网格尺寸为0.30m时相似，且模拟用时远大于格为0.30m.将网格模型代入前人竖向通道内烟气流动的经验公式模型以对比判断，结果显示网格精度及数据准确度符合相应趋势，因此设定网格量为225 000. 大小为0.30m×0.30m×0.30m.模型网格数
竖向通道火灾发生时，环境风速的改变会影响通道内外的压差，与竖向通道烟肉效应结合进而改A=18.7的情况下，观察9种不同的环境风速下烟 变通道内部烟气运动趋势.设置竖向通道长径比
(3)
(4)
气蔓延至各楼层时间，以此确定环境风影响烟气的速度临界值并根据结果设置试验环境风速，见图3.
环境风速超出5m/s临界值时，环境风力对竖向通道内烟气蔓延的驱动作用会远大于烟气浮力，即使竖向通道内烟气主要驱动力变为环境风力并导致烟用对烟气的影响，本文设置环境风速为0-5m/s. 窗效应作用不明显.因此，为了凸显双因素耦合作
当环境风速为0-5m/s时，烟气蔓延速度变化较大；当环境风速为6-8m/s时，虽对烟气蔓延速 度有影响，但结果与5m/s时数据相比变化不大.这是由于在最大热释放速率为6MW的火源下，若
1.4工况设置
模拟试验工况（表1），根据6种不同的环境风18.725）进行划分，总共设置24种不同的工况. 速（0-5m/s）以及4种竖向通道长径比（12.5、15、
1.5竖向通道中性面判断
高层建筑火灾中，烟肉效应对烟气的影响会随着竖向通道空间的长径比A的改变面发生变化，而烟气因烟肉效应在竖向通道内的蔓延趋势跟通道中 性面位置相关.中性面所处的平面压力差为0，以此为界，下部压力小于外部压力使得新鲜空气从外部被吸人，促进燃烧且造成火焰羽流倾斜；当上部压力大于外部压力时，空气流（包括烟气）从开口向上中性面的位置，有利于实现其上下方烟气的有效控 蔓延，会使更多被困人员暴露在有毒烟气中.确定制.根据烟气流动可判断中性面位置，中性面判断见图4.
图2网格独立性验证
Fig. 2 Grid independenee verification
当横截面积为9m²时，A°=25的竖向通道，气流从第10-11层开口流人，从第12-13层开口流 出，中性面处于第11-12层中间位置；A′=18.7的竖向通道，气流从第8-9层开口流入，从第9-10层开口流出，中性面位于第9-10层中间位置；4′=15的竖向通道，气流从第7-8层开口流人，从第10-11层开口流出，中性面位于第9层中部位置；A’= 12.5的竖向通道，气流从第7-8层开口流人，从第9-10层开口流出，中性面位于第8-9层中间开口位置.不同长径比通道的中性面位置不同，结果显示随着长径比的减小，竖向通道的中性面高度逐渐
图3环境风速设定
Fig.3 Ambient wind speed setting
表1模拟工况设置
Table 1 Simulation condition setting
王况 环境风速/ (ms-1) A° 工况 环境风速/ (m • s-) 工况 环境风速/ (m s-t) 工况 环境风速/ (ms-) 4*A 0 25 B 0 18.7 C 0 15 D 0 12.5A 1 25 B 1 18.7 C 1 15 D 1 12.5A 2 25 B 2 18.7 C 2 15 D 2 12.5A 3 25 B 3 18.7 c. 3 15 D 3 12.5A 4 25 B 4 18.7 C 4 15 D 4 12.5A 5 25 B 5 18.7 C 5 15 D 5 12.5
6.75m/s.而竖向通道内部其余部分烟气流速在为2.25-4.5m/s.这是因为中性面以下的压力差及其以上部分楼层侧向开口造成烟气扰动进而导致内部烟气流速加快，而其余楼层由于烟气损耗，继续上 升的烟气量明显减少，与外界温差较小，淄流混合运动作用较小，上部流速偏低.面A°=18.7的竖向通道中，中性面下部及其附近楼层部分烟气流速达到6.75m/s.A°=25的竖向通道中，中性面附近及径比竖向通道顶部附近的烟气流速均变小.这是因 偏上部有较多楼层烟气流速达到6.75m/s.4种长为在火源热释放功率达到最大时，烟气蔓延到排烟口，部分发生回流，冲击向上流动的烟气，会造成上升烟气流速下降.通道长径比越小，烟气在竖向通道中蔓延至顶部的时间会不断增加，蔓延速度减缓.
降低.
2单因素作用对烟气行为的影响
2.1单因素作用对烟气蔓延变化的影响
外部环境风会影响高层建筑内火灾发展和内部烟气蔓延过程，甚至促进燃烧.此外，烟肉效应对烟气作用的增强同样会促进烟气在竖向通道内的蔓延.为分别探究二者对烟气在竖向通道中蔓延速度 的影响，设置2组模拟试验：以火源燃烧：=67.8为参照，探究不同环境风速下烟气流速状况及Smkeview烟气蔓延情况.首层火源燃烧206.4s，热释放功率达到最大时，不同A下烟气流速状况及Smokeview烟气蔓延情况见图5.
由图5（a）可知，在=67.8s时，工况B烟气已经到达竖向通道顶部，其余5种工况还未到达.但在风速高的工况中，烟气蔓延高度均高于风速低时的工况.工况B为无环境风影响，烟气仅蔓延至第15层位置，这表明环境风速对烟气蔓延影响显 著.环境风扰动竖向通道内烟气蔓延，随着热烟气向上运动，烟气与空气不断掺混，冷空气层与热烟气层密度差变大，加强了烟气淄流混合，使烟气受竖向通道淄流混合影响减弱，促使烟气加快向竖向通道 上部扩散移动.因此，随着外部环境风速的逐渐增大，烟气蔓延至顶部的时间逐渐减少.
2.2单因素作用对CO生成的影响
人不能长时间暴露于CO体积分数高于0.05%
从图5（b）可知，在A=12.5以及A=15的竖向通道中，只有中性面以下的竖向通道内部以及中性面以上部分楼层的侧向开口烟羽流速度达到了
(）不同环境风速下期气流速
图5环境风及烟面效应对烟气蔓延速度的影响the spread speed of smoke
Fig. 5 Influence of ambient wind and chimney effeet on
图4中性面判断
Fig. 4 Neutral layer judlgment
的场所，否则会出现意识障碍甚至昏迷死亡的情况.为研究环境风速，烟肉效应作用下竖向通道内CO体积分数的变化，以C0体积分数为0.05%作为场环境危险界限，分别设置模拟试验并分析在长径 比A°=18.7的竖向通道中，不同环境风速情况下，=60s时各楼层C0体积分数变化规律.4种长径比下且无环境风影响的竖向通道中，1=60s时CO的体积分数变化规律的FDS模拟结果见图6.
从图6（a）可以看出，在B，、B、B、B4种工况中，B工况下各层CO体积分数最大，CO体积分数最高达到了0.2%.相较于环境风速低的工况而言，环境风速高的工况下CO体积分数较高.这是由于环境风速上升，加快了侧向开口空气的流动，加速烟气蔓延的同时促使更多烟气与空气流发生不充 分反应致使CO体积分数上升.
由图6（b）可知，随着竖向通道长径比A的增大，竖向通道中CO体积分数也相应增大.长径比A=25的竖向通道中，C0体积分数最高甚至达到
图6环境风及烟面效应影响下CO体积分数变化Fig. 6 CO volume fraction change under the influence of amhient wind and chimney effeet
了0.21%，相较于长径比A°=12.5的竖向通道中同高度CO体积分数多了0.09百分点.这是由于随着长径比A的增大，烟气受烟肉效应影响明显，同生不充分反应并形成CO，使CO体积分数上升. 高度下烟气质量流率上升，致使更多烟气与空气发
2.3单因素作用对温升变化的影响
根据火灾危险性评级[，人在环境温度为60C及以上时会出现呼吸困难甚至室息状况.而在竖向通道内，温度的上升速率主要受烟肉效应以及环境风的影响，且双因素耦合下影响作用增大.
为探究环境风速变化以及烟肉效应影响下竖向通道内温升的变化，设置2组模拟试验：（1）在长径比A°=18.7的竖向通道中，对比不同环境风速下各楼层环境场温度达到60℃的时间：（2）对比长径60℃的时间.模拟结果见图7. 比不同及无环境风影响下，各楼层环境场温度达到
从图7（a）可知，各楼层中B，工况下到达目标温度的时间最短，而B工况下所需时间最长，且随着风速逐渐增大同楼层到达目标温度所需时间越长，
图7环境风及烟向效应影响下温升变化Fig. 7 Temperature rise change under the influence of ambient wind and chimney effecet
