3.2.2火灾烟气在竖井的扩散流动在线视频

同学们好

本次课我们来学习火灾烟气

在竖井中的扩散流动过程

竖井

即竖向井道

狭义上指洞壁直立的井状管道

建筑中的竖井包括电梯井

电缆井、垂直分布的空调和通风管道等

如果进一步将它的概念广义化

还包括高层建筑的瘦高型中庭

高层建筑内部存在很多竖井

在火灾情况下

如果烟气进入到竖井就可能向上蔓延

迅速危及建筑物上部楼层

研究竖井中烟气运动的基本规律

进而找到高层建筑中有效的防排烟手段

这对于降低人员疏散难度

保障消防扑救

减少人员伤亡都有极其重要的现实意义

在学习火灾烟气在竖井中的运动规律之前

我们首先要了解一个重要概念

烟囱效应

烟囱效应是火灾烟气在竖井中

快速向上运动的重要原因

是指当火灾发生时

垂直区域上

因热空气向上对流

冷空气在下方补入造成烟气

在垂直空间比水平空间流动快速的现象

根据环境条件的不同

可分为正烟囱效应和逆烟囱效应

首先我们来看正烟囱效应

对火灾烟气运动的影响

如图所示

当建筑物内部气温

高于室外空气温度时

由于浮力的作用

在建筑物的竖井中

会存在着一股上升气流

这种现象称为正向烟囱效应

当建筑物内外温差较大

或者建筑物的高度较高时

正向烟囱效应是较大的

在正向烟囱效应作用下

如果火灾发生在中性面之下

烟气将随建筑物中的空气流入竖井

烟气进入竖井后使井内气温升高

产生的浮力作用增大

竖井内气流上升速度加快

当烟气在竖井内上升到达中性层以上时

烟气流出竖井进入建筑物上部各楼层

那么与之相对的

当建筑物内部的气温低于外界空气温度时

在建筑物的各种竖井中

则往往存在着一股下降气流

这种现象称为逆烟囱效应

通常逆烟囱效应发生在夏季建筑内部

开启空调的情况下

值得注意的是

火灾过程中

逆烟囱效应并不会始终存在

由于火灾烟气的温度较高

在运动过程中会通过热对流的形式传递热量

使得竖井内温度逐渐升高

最终高于竖井外部

此时竖井内的逆烟囱效应

就会转变为正烟囱效应

现结合右图讨论烟囱效应的计算

设竖井高H

内外温度分别为Ts和T0

ps和p0分别为空气在温度Ts和T0时的密度

g是重力加速度常数

假设烟气也遵循理想气体定律

冷空气和热烟气密度和温度均匀分布

如果在地板平面的大气压力为P0

则在该建筑内部和外部高H处的压力分别为

Ps(H) = P0 – psgH

P0(H) = P0 – p0gH

因而

在竖井顶部的内外压力差为

△Ps0 = (p0 – ps)gH

建筑物内外的压差变化

与大气压Patm相比要小得多

因此可根据理想气体定律

用Patm来近似计算气体的密度

将空气和烟气视为理想气体

则空气和烟气的密度分别为

根据伯努利方程

最终得到烟气的运动速度

根据我们的计算结果可以得出

通常情况下

烟气初期的上升速度可达3-4m/s

也就是说

即使充分考虑到烟气上升过程中

受到其它因素影响造成的速度衰减

对于一栋60m高的建筑

火灾烟气通过竖井由底层到顶层

也只需要短短几分钟的时间

最后

我们来看一下中性面高度的变化规律

上次课我们说过

中性面是防排烟工程中十分重要的一个概念

它虽然不能被肉眼看到

但它直接影响了排烟的效果

那么在竖井中中性面的位置在哪里呢

中国科学技术大学在2004年进行了

全尺寸竖井烟气流动实验

实验结果表明

中性面高度始终位于竖井高度一半以上位置

与竖井高度的比值在0.5~0.62之间

而这一结论后来也被证实适用于大多数建筑

也就是说

大多数情况下

烟气可以在竖井的上半部分被有效排出

这一结果也为实际工程提供了一定的依据

好

本次课的内容就到这里

谢谢大家