火羽流与顶棚射流在消防燃烧学中的作用

（一）火羽流

1.火羽流及其结构

在火灾中，火源上方的火焰及燃烧生成烟气的流动称为火羽流。火焰区上方为燃烧产物（烟气）的流动区，其流动完全由浮力效应控制，又称为浮力羽流或烟气羽流。当烟气羽流碰到房顶后便形成沿顶棚下表面蔓延的顶棚射流。

固体燃烧时，可燃气体的逸出是随加热逐渐分解产生的，因此，其火羽流的火焰基本上是自然扩散火焰。自然扩散火焰可以分为两个小区：在燃烧表面上方不远的区域内存在连续火焰面，称为持续火焰区；再往上的一定区域内火焰则是间断出现，称为间歇火焰区。所以，火羽流包括持续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流3部分。其结构如图3-5所示。

图3-5 火羽流结构示意图

2.火羽流的温度与流速

在火灾燃烧中，烟气羽流的结构是由烟气与空气的相互作用所决定，而羽流内的温度取决于火源强度（放热速率）和离开热源的高度。一般认为，自然扩散火焰的平均温度在500～600℃之间。火羽流各区的温度高低反映了该区的燃烧强度。以甲烷为例，在边长为0.3m的多孔燃烧器上测量沿火焰中心线随高度变化的平均温度。在燃烧器上方不远的持续火焰区域内，火焰温度由500℃左右迅速增大到约800℃，然后保持稳定；再往上，火焰温度逐渐降低，在间歇火焰的边缘，温度约降低至320℃；在浮力羽流区继续下降直至接近常温。

火羽流的流速随高度的变化也存在一定的关系：在刚离开燃烧器表面较短距离内，流速开始增加较快，一定距离后开始变缓，达到某一最大值，随后缓慢降低，这反映出由持续火焰向间歇火焰的转变。

3.火羽流振荡

在自然扩散火焰中，大部分是间隙火焰区，在稳定燃烧阶段，间隙火焰的出现和消失呈现相当有规律的振荡。当燃烧表面积小于1m²时，大多数火焰的振荡频率一般在3～8Hz，随着燃烧表面积减小，振荡频率降低。这种振荡是火羽流与周围空气之间的边界层不稳定所引起。由图3-5可以看出，在接近连续火焰区的上端时，火焰面会从边缘向中间靠拢，而在高温作用下火焰面内的可燃气体将会急剧膨胀，产生向外扩展的趋势，同时周围受卷吸的空气也大幅度向中间流动。上述影响造成的边界层不稳定使火焰面的扰动增大，容易诱发自内向外的旋转，其中最大的扰动可呈现似轴对称的涡旋结构。漩涡上部的外露表面将形成火焰尖，当一个旋涡通过后，后面的旋涡又以同样的形式形成新的火焰尖，这是自然扩散火焰的典型特征。

4.火羽流浮力

可燃物燃烧时其火焰上方的烟气与周围空气之间，由于存在温度梯度而形成密度梯度，从而产生浮力效应。在浮力作用下密度较小的气体（烟气）向上运动。(www.xing528.com)

在一般火灾条件下，由于烟气上浮流动的卷吸，其周围较冷空气进入羽流中，使烟气受到冷却，同时，羽流的质量增大，而使羽流的向上流速降低。

当火源位于室内中央时，羽流的垂直向上运动是轴对称的；如果火源靠近墙壁或墙角时，则坚固外壁对空气卷吸的限制将对火羽流产生重要影响，这种影响将加强火焰在垂直壁面上的扩展和蔓延，此时，火焰将向壁面偏斜，这是由于空气只能从火羽流的另一侧进入的结果，如图3-6所示。在这种条件下，由于火羽流与环境空气的混合速率比不受限情况下要弱，温度下降也将变慢。如果所处墙壁壁面材料可燃，则可加大竖壁火势，促进火灾蔓延。

图3-6 火羽流向竖直壁面的偏斜

（二）顶棚射流

当垂直向上扩展的火羽流受到顶棚阻挡时，热烟气将沿顶棚水平流动，形成顶棚射流。顶棚射流是一种半受限的重力分层流。当烟气在水平顶棚下积累到一定的厚度时，它便发生水平流动，图3-7为这种射流的发展过程示意图。图中，v为火羽流流动速度（m/s）；r为离开羽流轴线的任意径向距离（m）；y为顶棚下任意垂直距离（m）。

图3-7 浮力羽流与顶棚的相互作用

羽流在顶棚上的撞击区大体为圆形，刚离开撞击区边缘的烟气层不太厚，顶棚射流由此向四周扩散。顶棚的存在将表现出坚固壁边界对流动的黏性影响，因此，在十分贴近顶棚的薄层内，烟气的流速较低，随着垂直向下离开顶棚距离的增加，其速度不断增大；而超过一定距离后，速度便逐渐降低为零。这种速度分布使得射流前锋的烟气转向下流，然而热烟气仍具有一定的浮力，还会很快上浮。于是顶棚射流中便形成一连串的旋涡，它们可将烟气层下方的空气卷吸进来，因此，顶棚射流的厚度逐渐增加，而速度逐渐降低。

顶棚射流内的温度分布与速度分布类似。在热烟气的加热下，顶棚由初始温度缓慢升高，但总比射流中的烟气温度低。顶棚射流内的烟气温度随着垂直向下离开顶棚距离的增加，射流层中温度逐渐升高，达到某一值后又逐渐降低至下层空气的温度。

如果房间顶棚较低，或者火源强度足够大，自然扩散火焰可以直接撞击到顶棚。这时火焰也要发生水平传播，并可沿顶棚扩展相当长的距离，这主要是因为顶棚射流对其下方空气的卷吸速率较低造成的。由于温度较高的烟气在较冷空气之上流动，两者的结构形式稳定，密度差将会阻止混合的进行，结果使可燃气体经过较长的时间才能烧完。

夹带火焰的顶棚射流在走廊内的蔓延是建筑火灾的一种重要情形。如果顶棚的衬里材料是可燃的，则火焰的扩展将会变大，因为衬里材料挥发出的可燃气体将进入顶棚射流内。