3-烟气的扩散流动2

第三章火灾烟气的扩散流动内容安排一火灾烟气在着火房间的扩散流动二火灾烟气在走道的扩散流动三火灾烟气在竖井中的扩散流动一、火灾烟气在着火房间的扩散流动1.火灾烟气在着火房间的流动过程2.火羽流3.顶棚射流4.着火房间烟气沉降模型5.着火房间的压力分布一、火灾烟气在着火房间的扩散流动1.火灾烟气在着火房间的流动过程一、火灾烟气在着火房间的扩散流动1.火灾烟气在着火房间的流动过程一、火灾烟气在着火房间的扩散流动1.火灾烟气在着火房间的流动过程一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流浮力羽流间歇火焰持续火焰火羽流的结构示意图一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流„虚点源一、火灾烟气在着火房间的扩散流动一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流2.火羽流„平均火焰高度2.火羽流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流„热释放速率一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流„羽流半径、中心线温度和速度一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流„羽流质量流量一、火灾烟气在着火房间的扩散流动2.火羽流„计算程序Example有一火源，热释放速率为1.69MW，火源直径为1.6m，试计算2.5m和6m处羽流质量流量和羽流中心线温度。Example有一火源，热释放速率为1.69MW，火源直径为1.6m，试计算2.5m和6m处羽流质量流量和羽流中心线温度。一、火灾烟气在着火房间的扩散流动3.顶棚射流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动3.顶棚射流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动3.顶棚射流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动3.顶棚射流一、火灾烟气在着火房间的扩散流动3.顶棚射流Example一、火灾烟气在着火房间的扩散流动3.顶棚射流Example一、火灾烟气在着火房间的扩散流动4.着火房间烟气沉降模型()pssmVdtd=ρpsmdtdZA=−ρpsmdtdZA=−ρ()3/503/1071.0zzQmcp−=•()()AQzzdzscρ/071.03/13/50•−=−一、火灾烟气在着火房间的扩散流动4.着火房间烟气沉降模型一、火灾烟气在着火房间的扩散流动5.着火房间压力分布着火房间室内外压力分布1、2是火灾室内外隔墙，I区为室内，Ⅱ区为室外，相应的气体温度为，密度为，房间的高度，即从地板面到顶棚面的垂直距离为H，现以地面为基准面，分析沿高度向上室内外的压力分布情况。ntwtnρwρ令室内外地面上的静压分别为，在离地面垂直距离为h处室内外的静压力分别为为wnPP11、室内ghPPnnhnρ−=1室外ghPPwwhwρ−=1着火房间室内外压力分布1、2是火灾室内外隔墙，I区为室内，Ⅱ区为室外，相应的气体温度为，密度为，房间的高度，即从地板面到顶棚面的垂直距离为H，现以地面为基准面，分析沿高度向上室内外的压力分布情况。wnPPP111在地面上，室内外的压力差为−=Δ在离地面h处，室内外的压力差为hwhnhPPP−=ΔghPPnnhnρ−=1ghPPwwhwρ−=1ghPPnwwn)()(11ρρ−+−=ghPnw)(1ρρ−+Δ=ntwtnρwρ一、火灾烟气在着火房间的扩散流动5.着火房间压力分布实验证明，在垂直地面的某一高度位置上，必将出现室内外压力差为零，即室内外压力相等的情况，通过该位置的水平面称为该着火房间的中性层。令中性层离地面的高度为h1，则0)(111=−+Δ=ΔghPPnwhρρ发生火灾时，，所以，，，那么wntt着火房间室内外压力分布一、火灾烟气在着火房间的扩散流动5.着火房间压力分布一、火灾烟气在着火房间的扩散流动5.着火房间压力分布在中性层以下，即hh1时，ghPPnwh)(1ρρ−+Δ=Δ11)(ghPnwρρ−+Δ0ΔhP在中性层以上，即hh1时，ghPPnwh)(1ρρ−+Δ=Δ11)(ghPnwρρ−+Δ0ΔhP由此可见，在中性层以下，室外空气的压力总高于着火房间内气体的压力，空气将从室外流入室内；而在中性层以上，着火房间内气体的压力总高于室外空气的压力，烟气将从室内排至室外。着火房间室内外压力分布二、火灾烟气在走道的扩散流动1.孔口流动2.着火房间扩散到走廊中的烟气量3.走廊中火灾烟气的温度、厚度和速度二、火灾烟气在走道的扩散流动1.孔口流动在开口处的两侧有压力差时，会发生气流流动。与开口壁的厚度相比，开口面积很大的孔洞(如门窗洞口)的气体流动，叫孔口流动。如左图。从开口A喷出的气流发生缩流现象，流体截面成为，若设，则流量m(kg/s)'Aα=AA/'()vAmρα=根据伯努利方程:22121vPPρ+=()ρ/221PPv−=二、火灾烟气在走道的扩散流动1.孔口流动在开口处的两侧有压力差时，会发生气流流动。与开口壁的厚度相比，开口面积很大的孔洞(如门窗洞口)的气体流动，叫孔口流动。如左图。()vAmρα=ρ/2PvΔ=PAmΔ=ρα2二、火灾烟气在走道的扩散流动„着火房间内所产生的烟气上升在顶棚下积聚成烟层，随着火灾的发展，烟气量逐惭增多，烟层逐渐增厚．如着火房间设有外窗或专门的排烟口时，烟气就将从这些开口排至室外。若烟气的生成量很大，致使外窗或专设的排烟口来不及排除烟气，烟层厚度继续增大，或者着火房间无排烟设施，当烟层厚度增大到超过防烟垂壁的下端或房门的上缘时，烟气就会沿着水平方向蔓延扩散到走廊中去。„另一方面，如果着火房间的顶棚上或侧墙靠近顶棚处有开口时，如管道穿墙处四周的间隙、建筑构件的缝隙等，着火房间内的烟气也会通过这些开口扩散到上一层或毗邻的房间中去。火灾实验和实践都证实：着火房间内的烟气向走廊的扩散流动是火灾烟气流动的主要路线，所以，这里重点讨论火灾烟气从着火房间扩散流动到走廊的有关问题。二、火灾烟气在走道的扩散流动二、火灾烟气在走道的扩散流动2.着火房间扩散到走廊中的烟气量当着火房间通向非着火房间或室外的某些门窗开启时，由于着火房间内外气体的温度和门窗自身高度的存在，热压作用是十分明显的，中性层将出现在门窗孔洞的某一高度上。为了简化问题，下面以着火房间仅有一处窗开启的情况来分析，如左图所示。着火房间外墙有一开启的窗孔，其高度为，宽度为，室内外气体温度分别为、，中性层N到窗口上、下沿的垂直距离为、cHcBntwt2h1h二、火灾烟气在走道的扩散流动2.着火房间扩散到走廊中的烟气量在中性层以上距中性层垂直距离h处，室内外压力差为()ghPnwhρρ−=Δ从处起向上取微高，所构成的微元开口面积为，那么，根据流量平方法则，通过该微元面积向外排出的气体质量流量为hdhdhBdAc⋅=dhghBdAPdMnwnchn⋅−=⋅Δ=)(222ρρραρα二、火灾烟气在走道的扩散流动2.着火房间扩散到走廊中的烟气量从窗孔中性层至上缘之间的开口面积中排出的气体总质量流量为()dhghBdMMhnwnch⋅−==∫∫2200222ρρρα()2/322232hgBMnwnc⋅−=ρρρα积分二、火灾烟气在走道的扩散流动2.着火房间扩散到走廊中的烟气量同理，可以得到从窗孔中性层至下缘之间的开口面积中流进的空气总质量流量为()2/311232hgBMnwwc⋅−=ρρρα二、火灾烟气在走道的扩散流动2.着火房间扩散到走廊中的烟气量假设着火房间除了开启的窗孔与大气相通外，其余各处密封均较好，则由于流量连续，在不考虑可燃物质量损失速率的条件下，可近似地认为，则存在以下关系()()3/13/1==ρρ12///wnnwTThh着火房间与走廊之间的门洞尺寸为，若着火房间烟气平均温度为800℃，走廊内空气温度为30℃，当门敞开时，试求从着火房间流到走廊中的烟气量和由走廊流入房间中的空气量。29.02.2m×800,9.0,2.2===ncctmBmH30=wt已知℃,℃()因为3/13/11230273800273//⎟⎠⎞⎜⎝⎛++==wnTThh524.1=12524.1hh=,872.0524.2/2.2,121mhhhhc所以又===+mh328.12=()3/329.0800273/353/353mkgTnn=+==ρ()3/165.130273/353/353mkgTww=+==ρExample二、火灾烟气在走道的扩散流动着火房间与走廊之间的门洞尺寸为，若着火房间烟气平均温度为800℃，走廊内空气温度为30℃，当门敞开时，试求从着火房间流到走廊中的烟气量和由走廊流入房间中的空气量。29.02.2m×Example65.0二、火灾烟气在走道的扩散流动=α取门洞系数2/32328.1)329.0165.1(329.081.929.065.032⋅−××××=Mskg/386.1=2/31872.0)329.0165.1(165.181.929.065.032⋅−××××=Mskg/388.1=将上述质量流量换算成体积流量hmMQn/15167329.0/3600386.1/322=×==ρhmMQw/4289165.1/3600388.1/311=×==ρ二、火灾烟气在走道的扩散流动3.走廊中火灾烟气的温度、厚度和速度在走廊中流动的烟气层，一方面受到与其接触的顶棚、墙壁等围护结构的冷却，另一方面与走廊中的冷空气进行掺混，所以，随着流程的增大，烟气层中的烟气温度逐渐降低。根据一座日本建筑物的实验数据，可得到走廊中的温度衰减公式：)exp(0Lttyyα−=ΔΔ„温度二、火灾烟气在走道的扩散流动3.走廊中火灾烟气的温度、厚度和速度由上式变换可得烟气流程终点的温度为()()kkyytLttt+−−=αexp0烟气在流程L内的算术平均温度为()021yyypjttt+=„温度二、火灾烟气在走道的扩散流动3.走廊中火灾烟气的温度、厚度和速度„厚度1973年日本火灾学会曾对30m长的坑道进行实验，得到烟气层厚度的经验公式3/23/12739.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=BQttthkypjky由上述分析可知，走廊中流动的烟气层的厚度与走廊的维护结构、烟气流程长短、烟气量大小以及烟气温度等有关，其中烟气温度是决定因素。二、火灾烟气在走道的扩散流动3.走廊中火灾烟气的温度、厚度和速度„速度ysyBhQW=由上面公式，可知烟气速度为三、火灾烟气在竖井中的扩散流动„火灾烟气经过走廊后，会蔓延到楼梯井、电梯井等竖向通道，在楼梯间或管道井中，由于烟囱效应产生的拔力，烟气的扩散速度可达6～8m/s，一座100m的建筑，烟气在十几秒内就蔓延到顶部。了解烟气在竖井内的蔓延规律，对控制烟气的流动，保证发生火灾后人员的安全非常重要。三、火灾烟气在竖井中的扩散流动通常建筑物的室外较冷，室内较热，因此室内空气的密度比外界小，这便产生了使气体向上运动的浮力。高层建筑往往有许多竖井，如楼梯井、电梯井、竖直机械管道及通讯槽等。在这些竖井内，气体的上升运动十分显著，这就是烟囱效应(Stackeffect)。这种现象有不同的名称，如烟道作用、烟囱效应、热风压等。在此称之为烟囱效应。三、火灾烟气在竖井中的扩散流动中性面中性面仅有下部开口TiT0TIT0(b)(c)(a)图3.3.4正烟囱效应和逆烟囱效应时的气体流动T0Tsρ0ρsH现结合图3.3.4讨论烟囱效应的计算。首先讨论仅有下部开口的竖井，见图3.3.4(a)。设竖井高H，内外温度分别为Ts和T0，ρs和ρ0分别为空气在温度Ts和T0时的密度，g是重力加速度常数，对于一般建筑物的高度而言，可认为重力加速度不变。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–ρsgHP0(H)=P0–ρ0gH因而，在竖井顶部的内外压力差为ΔPs0=(ρ0–ρs)gH三、火灾烟气在竖井中的扩散流动中性面中性面仅有下部开口TiT0TIT0(b)(c)(a)图3.3.4正烟囱效应和逆烟囱效应时的气体流动T0Tsρ0ρsH当竖井内部温度比外部高时，其内部压力也会比外部高。如果竖井的上部和下部都有开口，就会产生纯的向上流动，且在P0=Ps的高度形成压力中性平面(Neutralp