烟羽理论：中庭火灾中的热烟气控制基础

着火以后，热烟气在浮力驱动下上升，并不断卷吸周围的空气，形成烟羽流。按表现形式不同，一般把烟羽流从下至上划分为连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区三个区域，如图2.3所示。

由于火灾中火源所处的位置和烟气流动路径不同，烟羽流有多种形态，常见的烟羽流有轴对称羽流、壁面羽流、墙角羽流、阳台羽流、窗户羽流等。

中庭火灾中，热烟气的发展规律是设计中庭烟气控制系统的理论基础。热烟气发展规律不仅取决于火源强度、空间几何尺寸，还与烟羽流的种类有关，不同的烟羽流，其卷吸规律不同。下面主要介绍中庭火灾中常见的轴对称羽流、阳台羽流和窗户羽流。

图2.3　典型的烟羽流（轴对称羽流）

1.轴对称羽流

图2.4　轴对称羽流

轴对称羽流又称作非受限羽流或自由羽流，是指烟气卷吸不受墙边等其他阻碍物的影响，可以沿着高度从任一方向卷吸空气的烟羽流，如图2.4所示。火灾发生在中庭的地面上且远离大空间的边界面时就会形成轴对称羽流。不少学者对轴对称羽流进行了大量研究，Thomas、McCaffery、Zukoski、Heskestad等人分别提出了自己的羽流模型。在此给出Zukoski和Heskestad的羽流模型。

（1）Zukoski羽流模型：Zukoski利用一些实验结果和理想羽流卷吸公式，提出了一个与理想羽流卷吸公式非常接近的羽流质量卷吸速率kg/s）公式：

式中，Cp为定压比热容（kJ·kg/K）；T0为空气温度（K）；ρ0为空气密度（kg/m2）；Z为计算的高度（m）。

羽流中心线温度ΔTc（K）和速度μc（m/s）分别表示为：

（2）Heskestad羽流模型：Heskestad引入“虚点源”概念，认为羽流源于火源上方或下方的某点，在计算时考虑的是指定位置到“虚点源”的竖直距离，而不仅仅是由指定位置到火源表面的竖直距离。同时，Heskestad认为，火源热释放速率对羽流质量卷吸率的影响取决于通过对流传热方式进入羽流的能量，即：

“虚点源”位置：

平均火焰高度：

羽流截面半宽：

羽流中心线温升：(www.xing528.com)

羽流中心线速度：

羽流质量卷吸速率：

2.阳台溢出羽流

当烟气在上升的过程中遇到水平的阻挡物，如阳台时，烟气会先沿阻挡物的下部水平运动，到达边缘后转向竖直方向运动，这就称为阳台溢出羽流，如图2.5所示。火灾发生在与中庭相通的邻近空间，生成的烟气向大空间的蔓延就是阳台溢出羽流，其特性取决于火源的特性、阳台的宽度和高度等。

图2.5　阳台溢出羽流示意图

Law对Morgan和Marshall等人的一些实验数据进行了总结，得到了阳台溢出羽流质量卷吸的经验公式：

美国消防协会制定的标准NFPA92B中给出了如下的公式：

式中为阳台羽流的质量卷吸速率（kg/s）；W是阳台的宽度（m）；H是阳台的高度（m）；Zb是烟气层底部距阳台顶部的高度（m）。

式2-17是在Law公式基础上，经Morgan做进一步分析，由Thomas提出修正建议后得到的。

Law（1995），Thomas（1998），Poreh（1998）等又对阳台羽流的卷吸情况做了较详细的讨论。

3.窗口羽流

当烟气从墙上的开口，如窗户、门等进入大空间时就形成了窗口羽流，如图2.6所示。NFPA92B中给出了窗口羽流的质量卷吸公式如下：

图2.6　窗口羽流示意图

式中为窗口羽流的质量卷吸速率（kg/s）；Aw为窗户或通风口的面积（m2）；Hw为窗户或通风口的高度（m）；Zw为烟气层距离窗户顶部的高度（m）。