一级消防工程师综合能力考点:烟气流动的驱动作用

　　烟气流动的驱动作用

　　为了减少烟气的危害，应当了解建筑烟气流动的各种驱动作用，以便对火势发展做出正确的判断，在建筑设计中做好烟气控制系统的设计。

　　(一)烟囱效应

　　当外界温度较低时，在诸如楼梯井、电梯井、垃圾井、机械管道、邮件滑运槽等建筑物中的竖井内，与外界空气相比，由于温度较高而使内部空气的密度比外界小，便产生了使气体向上运动的浮力，导致气体自然向上运动，这一现象就是烟囱效应。当外界温度较高时，则在建筑物中的竖井内存在向下的空气流动，这也是烟囱效应，可称之为逆向烟囱效应。

　　上式中， 为压差(Pa); 为修正系数，取3460(Pa?K/m); 为外界空气温度(K); 为竖井内空气温度(K); 为距中性面的距离(m)。此处的中性面指内外静压相等的建筑横截面，高于中性面为正，低于中性面为负。

　　在考虑烟囱效应时，如果建筑与外界之间空气交换的通道沿高度分布较为均匀，则中性面位于建筑物高度的一半附近;否则，中性面的位置将有较大偏离。

　　烟囱效应是建筑火灾中竖向烟气流动的主要因素，烟气蔓延在一定程度上依赖于烟囱效应，在正向烟囱效应的影响下，空气流动能够促使烟气从火区上升很大高度。如果火灾发生在中性面以下区域，则烟气与建筑内部空气一道窜入竖井并迅速上升，由于烟气温度较高，其浮力大大强化了上升流动，一旦超过中性面，烟气将窜出竖井进入楼道。若相对于这一过程，楼层间的烟气蔓延可以忽略，则除起火楼层外，在中性面以下的所有楼层中相对无烟，直到着火区的发烟量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。

　　如果火灾发生在中性面以上的楼层，则烟气将由建筑内的空气气流携带从建筑外表的开口流出。若楼层之间的烟气蔓延可以忽略，则除着火楼层以外的其它楼层均保持相对无烟，直到火区的烟生成量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。若楼层之间的烟气蔓延非常严重，则烟气会从着火楼层向上蔓延。

　　逆向烟囱效应对冷却后的烟气蔓延的影响与正向烟囱效应相反，但在烟气未完全冷却时，其浮力还会很大，以至于甚至在理想烟囱效应的条件下烟气仍向上运动。

　　(二)浮力作用

　　着火区产生的高温烟气由于其密度降低而具有浮力，着火房间与环境之间的压差可用与公式(5-4-11)类似的形式来表示。

　　Fung进行了一系列的全尺寸室内火灾实验测定压力的变化，试验结果指出对于高度约3.5m的着火房间，其顶部壁面内外的最大压差为16Pa。对于高度较大的着火房间，由于中性面以上的高度h较大，可能产生很大的压差。如果着火房间温度为700℃，则中性面以上10.7m高度上的压差约为88Pa，这对应于强度很高的火，所形成的压力已超出了目前的烟气控制水平。图5-4-3给出了由烟气浮力所引起的压差曲线。

　　若着火房间顶棚上有开口，则浮力作用产生的压力会使烟气经此开口向上面的楼层蔓延。同时浮力作用产生的压力还会使烟气从墙壁上的任何开口及缝隙、或是门缝中泄露。当烟气离开火区后，由于热损失及与冷空气掺混，其温度会有所降低，因而，浮力的作用及其影响会随着与火区之间距离的增大而逐渐减小。

　　(三)气体热膨胀作用

　　燃料燃烧释放的热量会使气体明显膨胀并引起气体运动。若考虑着火房间只有一个墙壁开口与建筑物其它部分相连，则在火灾过程中，建筑内部的空气会从开口下半部流入该着火房间，而热烟气也会经开口的上半部从着火房间流出。因燃料热解、燃烧过程所增加的质量与流入的空气相比很小，可将其忽略，则着火房间流入与流出的体积流量之比可简单地表示为温度之比。

　　若建筑内部空气温度为20℃，当空气温度达到600℃时，其体积约膨胀到原来的三倍。对有多个门或窗敞开的着火房间，由于流动面积较大，因气体膨胀在开口处引起的压差较小而可以忽略，但对于密闭性较好或开口很小的着火房间，如燃烧能够持续较长时间，则因气体膨胀作用产生的压差将非常重要。

　　(四)外部风向作用

　　在许多情况下，外部风可在建筑的周围产生压力分布，这种压力分布可能对建筑物内的烟气运动及其蔓延产生明显影响。一般，风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，这可增加建筑物内的烟气向下风方向流动。

　　式中： 为风作用于建筑物表面的压力(Pa)， 为无量纲压力系数， 为环境空气密度(kg/m3)， 为风速(m/s)。

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