火灾烟气竖直方向流动-消防燃烧学

建筑中引起烟气垂直蔓延的驱动力较多，如烟囱效应、燃气的浮力与膨胀力、电梯活塞效应、通风系统通风机的抽压作用以及自然风的影响等。对建筑物火灾烟气影响较显著的是烟囱效应和自然风。

（一）烟囱效应

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、各种管道、电缆等竖井，在这些竖井内，气体的上升运动十分显著，流速可达3～8m/s，这就是烟囱效应，一种自然的气体流动规律。

为了进一步讨论烟囱效应对火灾烟气流动的影响，现结合图3-3讨论。首先讨论仅有下部开口的竖井，如图3-3a所示。

图3-3 烟囱效应气体流动示意图

设竖井高H，内外温度分别为T_s和T₀，p_s和p₀分别为竖井内外气体的密度，g是重力加速度。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P，则在该建筑内部和外部高H处的压力分别为

P_s=P-ρ_sgH P₀=P-ρ₀gH

因此，竖井H处内外压力差为

ΔP_S0=（ρ₀-ρ_s）gH （3-6）

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=P_S的高度形成压力中性平面（简称中性面），如图3-3b所示。通过与前面类似的分析可知，在中性面之上任意高度h处的内外压差为

ΔP_S0=（ρ₀-ρ_S）gh （3-7）

与大气压力P相比，建筑物内外压差较小，可以根据理想气体定律，用P来计算气体密度。一般认为，火灾烟气也遵循理想气体定律，再假设火灾烟气的摩尔质量与空气平均摩尔质量相同，即0.0289kg/mol，则式（3-7）可改写为

ΔP_S0=gphM（1/T₀-1/T_s）R （3-8）

式中 T₀——外界空气的绝对温度（K）；

T_s——竖井中空气的绝对温度（K）；

R——通用气体常数，对任意理想气体而言，R约为8.314J/（mol·K）；

M——摩尔质量（g/mol）。

将标准大气压的参数值带入式（3-8）得

式中 ΔP——压力差（Pa）；

h——距离中性面的距离（m）；

K_s——比例系数，当外界压力为标准大气压时，系数K_s=3451Pa·K/m。

从公式（3-9）可以看出，当上下开口的竖井内部温度比外部高时，火灾烟气就会在竖井内向上流动。这种内部气流上升的现象称为正烟囱效应，如图3-3b所示；反之，当竖井内部温度比外部温度低时，火灾烟气就会在竖井内向下流动。这种内部气流下降的现象称为逆烟囱效应，如图3-3c所示。这种在垂直的围护物中，由于气体对流，促使烟尘和气流向上流动或下降的效应，称为“烟囱效应”。

从公式（3-9）还可以看出，距中性面的距离h越远，压力差就越大，烟囱效应越显著。管道内外温差越大，压力差也就越大，烟囱效应越显著。

烟囱效应是建筑火灾中烟气流动的主要因素。在正烟囱效应情况下，低于中性面火源产生的烟气将与建筑物内的空气一起流入竖井，并沿竖井上升。一旦升到中性面以上，烟气便可由竖井流出来，进入建筑物的上部楼层。楼层间的缝隙也可使烟气流向着火层上部的楼层。如果楼层间的缝隙可以忽略，则中性面以下的楼层，除了着火层外都将没有烟气。但如果楼层间的缝隙很大，则直接流进着火层上一层的烟气将比流入中性面以下其他楼层的要多，如图3-4a所示。

若中性面以上的楼层发生火灾，由正烟囱效应产生的空气流动可限制烟气的流动，空气从竖井流进着火层能够阻止烟气流进竖井，如图3-4b所示。不过楼层间的缝隙却可引起少量烟气流动。如果着火层的燃烧强烈，热烟气的浮力克服了坚井内的烟囱效应，则烟气仍可进入竖井继而流入上部楼层，如图3-4c所示。逆烟囱效应的空气流可驱使比较冷的烟气向下运动，但在烟气较热的情况，浮力较大，即使楼内起初存在逆烟囱效应，但不久还会使得烟气向上运动。

图3-4 建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动(www.xing528.com)

（二）风的影响

风的存在可在建筑物的周围产生不同的压力分布，而这种压力分布能够影响建筑物内的烟气流动。建筑物外部的压力分布受多种因素的影响，其中包括风速和风向、建筑物的高度和形状等。风的影响往往可以超过其他驱动烟气的运动力。一般地说，风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风面产生较高滞止压力，这可增强建筑物内的烟气向下风方向的流动。其压力差的大小与风速的平方成正比，即

式中 p_ω——风作用到建筑物表面的压力（Pa）；

C_ω——无量纲风压系数；

ρ₀——空气的密度（kg/m³）；

v——风速（m/s）。

由风引起的建筑物两个侧面的压差为

式中 C_ω1——迎风墙的压力系数；

C_ω2——背风墙的压力系数。

通常风压系数Cω1的值为-0.80～0.80。迎风墙为正，背风墙为负。此系数的大小决定于建筑物的几何形状及当地的挡风状况，并且在墙壁表面的不同部位有不同的值。表3-17给出了附近没有障碍物时，矩形建筑物的各壁面上风压系数的平均值。

表3-17 矩形建筑物的各壁面上风压系数的平均值

风速随离地面的高度增加而增大。由气象学可知，在垂直离开地面一定高度的空中，风速基本上不再随高度增加，可认为该处是等速风。从地面到等速风之间的气体流动是一种大气边界层流动。地势或挡风物体（如建筑物、树木等）都会影响边界层的均匀性。通常风速与高度的关系用以下指数方程表达

v=v₀(H/H₀)ⁿ （3-12）

式中 v——实际风速（m/s）；

v₀——参考高度的风速（m/s）：

H——测量风速v时所在高度（m）；

H₀——参考高度（m）：

n——无量纲风速指数。

不同地区的大气边界层厚度差别很大，应使用不同的风速指数。在平坦地带（如空旷的野外），风指数可取0.16左右；在不平坦的地带（如周围有树木的村镇），风速指数可取0.28左右；在很不平坦的地带（如市区），风指数约为0.40。

建筑物火灾中，如果所有门窗都关闭且密闭较好的建筑物，风对烟气的流动影响较小。但在实际的火灾中，着火房间的门窗常被破坏，如果损坏的门窗位于建筑物的背风面，则外部风产生的负压会将烟气从着火房间抽出；如果损坏的门窗位于建筑物的迎风面，则外部风将驱使烟气在着火楼层内迅速蔓延，甚至到整个建筑物内部；如果风速较大，则其将成为影响火灾烟气流动的主要因素。

【思考与练习题】

1.火灾烟气水平流动有哪些特点？

2.影响火灾烟气竖直流动的因素有哪些？

3.何谓烟囱效应？烟囱效应影响因素有哪些？

4.外界风对火灾烟气流动有哪些影响？