近些年,随着经济的发展,越来越多的高层建筑已经被建立。与此同时,灾难性建筑火灾事故时有发生,尤其是高层建筑火灾,引起了越来越多的关注。研究表明,在建筑火灾中85%的受害者是由于吸入了有毒有害的烟气,例如一氧化碳。在建筑中,有许多竖向通道,像楼梯井、电梯井和通风管道。发生火灾后,当烟气进入了这些竖向通道,烟囱效应这种特殊的现象将会发生。一旦形成烟囱效应,烟气的传播速度非常快,竖向通道很快将会充满烟气,这将给人员疏散和救援带来很大困难,并且威胁着火楼层之上居民的安全。同时,在烟囱效应的作用下,大量的新鲜空气流进建筑内部,可以使小火迅速扩大,可能引燃周围的可燃物,扩大燃烧面积。建筑通常是在有风的环境中的,外界风作用在建筑外立面将会形成风压,外界风和烟囱效应的耦合作用将对建筑内火灾的发展和烟气的流动特性产生影响。本文利用1/3尺寸楼梯井实验台和1/6尺寸竖井实验台,综合采用文献调研、理论分析、实验研究等方法,研究了外界风作用下建筑竖向通道及相连空间内火灾发展特性。研究了烟囱效应强度对火焰形态和热反馈的影响。研究结果显示,楼梯间内的热压随着热释放速率和楼梯间开口高度的增大而增加。无量纲补风速度与热释放速率和开口高度乘积的1/3次方成正比,并且建立了它们之间的关系。对于相同的热释放速率,着火房间和前室上部的平均烟气温度随着开口高度的增大而降低;对于相同的开口高度,着火房间和前室上部的平均烟气温度随着热释放速率的增大而升高;对于较小的火源功率,着火房间上部的平均烟气温度要比前室的高;随着热释放速率的增加,房间上部的平均烟气温度要低于前室的温度。无量纲平均火焰长度与无量纲热释放速率的2/5次方成正比,但是比Heskestad提出的方程的计算值要小。对于丙烷气体燃烧器,热释放速率与燃烧器表面接收到的热反馈无关,平均火焰倾斜角度随着热释放速率的增大而增加,但是对于较大的热释放速率,增量变得相对较小。随着楼梯间开口高度的增加,油池接收到的传导和辐射热反馈增加,但是当开口楼层较高时,传导热反馈保持几乎不变;随着开口高度的增加,门口的补风速度增加,燃料的燃烧速率增加,但是对流热反馈分数保持基本不变,说明它是影响燃烧过程的主要因素,这与前人在开放空间的研究结果一致,当弗罗德数Fr大于1.0的时候,随着风速的增加,其保持基本不变;而油池接收到的传导热反馈分数轻微的降低,辐射热反馈分数增加。研究了竖井顶部开口正向风对竖井与走廊相连结构内火灾发展特性的影响。研究结果显示,对于一定尺寸的油池,存在一个临界风速;当正向风速小于临界值时,会发生火焰朝向转捩行为;否则,火焰的倾斜方向不会发生变化。稳定状态,当正向风速小于临界值时,火焰向竖井方向倾斜,正庚烷池火的平均火焰倾斜角度大约是71度,与油池尺寸和正向风速无关,预示着在稳定燃烧阶段,烟囱效应引起的补风产生的水平惯性力和燃烧产生的热浮力建立了动态平衡关系;而甲醇池火的平均火焰倾斜角度随着正向风速的增大而减小。当正向风速大于临界值时,火焰向室外方向倾斜,正庚烷和甲醇池火的平均火焰倾斜角度的绝对值都随着正向风速的增大而增加。当正向风速小于临界值时,正庚烷池火的平均火焰长度随着风速的增加而减小;当风速接近临界值时,达到了最小值;当风速大于临界值时,平均火焰长度随着风速的增加而增大。提出了一个判断火焰倾斜方向的无量纲数R,对于正庚烷池火,R的临界值为0.041;对于甲醇池火,R的临界值为0.085。当正向风速小于临界风速时,稳定阶段,随着正向风速的增加,正庚烷池火的燃烧速率没有明显的变化;当接近临界风速时,正庚烷和甲醇池火的燃烧速率都降低;一旦超过了临界风速,正庚烷和甲醇池火的燃烧速率随着风速的增大而增加,并且正庚烷池火的燃烧速率是开放空间中相同风速下的2倍左右。此外,当烟囱效应发生时,竖井内的平均温升和燃烧速率呈幂指数关系,否则,将保持环境温度。研究了竖井顶部开口侧向风对竖井与走廊相连结构内火灾发展特性的影响。研究结果显示,当竖井顶部开口存在侧向风时,在火灾发生之前,竖井内部就存在着由下而上的气体流动,即由于竖井顶部开口侧向风引起的压力差形成的气体流动现象;一旦发生火灾,这种由于竖井顶部开口侧向风的作用引起的竖井内由下而上的气体流动和烟囱效应的耦合作用将对烟气流动和燃烧产生影响。侧向风对正庚烷池火的影响,主要体现在燃烧开始到稳定燃烧之前,对于相同尺寸的油池,随着竖井顶部开口侧向风速的增大,门口补风速度增大,走廊内正庚烷池火燃烧速度加快,燃烧达到稳定阶段的时间提前,燃烧的总时间缩短。在稳定燃烧阶段,随着侧向风速的增大,门口的补风速度增大,而正庚烷池火的燃烧速率并没有明显的变化,说明补风速度的增加对燃烧的促进和抑制作用相互抵消;甲醇池火燃烧速率先是保持基本不变而后增加,说明当风速较小的时候,其对燃烧的促进和抑制作用相互抵消,当风速较大的时候,其对燃烧的促进作用占主导。在稳定燃烧阶段,随着侧向风速的增加,正庚烷池火的平均火焰长度减小,但是其平均火焰倾角保持基本不变,说明燃烧产生的热浮力和补风形成的水平惯性力达到了动态平衡;甲醇池火的平均火焰长度变短,平均火焰倾斜角度变小。
