一级消防工程师《技术实务》章节辅导：第五篇第四章第三节
第三节烟气流动与控制
统计表明：火灾中85%以上的死亡者是由于烟气的作用，有毒和高温烟气的吸入是造成火灾中人员伤亡的主要原因。因此为了及时排除有害烟气，阻止烟气向防烟分区外扩散，确保建筑物内人员的安全疏散，安全避难和为消防队员创造有利扑救条件，需要在建筑中设置防烟和排烟设施。
总体上建筑的防烟和排烟的设计理论就是烟气控制理论。对于一幢建筑物，当内部某个房间或部位发生火灾时，应循序采取必要的防排烟措施，对火灾区域实行排烟，使火灾产生的烟气和热量能迅速排除;对非火灾区域的疏散通道等应采用机械加压送风等防烟措施，使该区域的气压高于火灾和烟气侵入区域的气压，阻止烟气的侵入。
对于大规模建筑其内部结构相当复杂，建筑物的烟气控制往往组合应用几种方法。防排烟形式的合理性，不仅关系到烟气控制的效果，而且具有很大的经济意义。
一、烟气流动的驱动作用
为了减少烟气的危害，应当了解建筑烟气流动的各种驱动作用，以便对火势发展做出正确的判断，在建筑设计中做好烟气控制系统的设计。
(一)烟囱效应
当外界温度较低时，在诸如楼梯井、电梯井、垃圾井、机械管道、邮件滑运槽等建筑物中的竖井内，与外界空气相比，由于温度较高而使内部空气的密度比外界小，便产生了使气体向上运动的浮力，导致气体自然向上运动，这一现象就是烟囱效应。当外界温度较高时，则在建筑物中的竖井内存在向下的空气流动，这也是烟囱效应，可称之为逆向烟囱效应。在标准大气压下，由正、逆向烟囱效应所产生的压差为：
为距中性面的距离(m)。此处的中性面指内外静压相等的建筑横截面，高于中性面为正，低于中性面为负。图5-4-1给出了烟囱效应所产生的竖井内外压差沿竖井高度的分布，其中正压差表示竖井的气高于外界气压，负压差则相反。
烟囱效应通常是发生在建筑内部和外界环境之间，图5-4-2分别给出了正、逆向烟囱效应引起的建筑物内部空气流动示意图。
在考虑烟囱效应时，如果建筑与外界之间空气交换的通道沿高度分布较为均匀，则中性面位于建筑物高度的一半附近;否则，中性面的位置将有较大偏离。
烟囱效应是建筑火灾中竖向烟气流动的主要因素，烟气蔓延在一定程度上依赖于烟囱效应，在正向烟囱效应的影响下，空气流动能够促使烟气从火区上升很大高度。如果火灾发生在中性面以下区域，则烟气与建筑内部空气一道窜入竖井并迅速上升，由于烟气温度较高，其浮力大大强化了上升流动，一旦超过中性面，烟气将窜出竖井进入楼道。若相对于这一过程，楼层间的烟气蔓延可以忽略，则除起火楼层外，在中性面以下的所有楼层中相对无烟，直到着火区的发烟量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。
如果火灾发生在中性面以上的楼层，则烟气将由建筑内的空气气流携带从建筑外表的开口流出。若楼层之间的烟气蔓延可以忽略，则除着火楼层以外的其它楼层均保持相对无烟，直到火区的烟生成量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。若楼层之间的烟气蔓延非常严重，则烟气会从着火楼层向上蔓延。
逆向烟囱效应对冷却后的烟气蔓延的影响与正向烟囱效应相反，但在烟气未完全冷却时，其浮力还会很大，以至于甚至在理想烟囱效应的条件下烟气仍向上运动。
(二)浮力作用
着火区产生的高温烟气由于其密度降低而具有浮力，着火房间与环境之间的压差可用与公式(5-4-11)类似的形式来表示：
Fung进行了一系列的全尺寸室内火灾实验测定压力的变化，试验结果指出对于高度约3.5m的着火房间，其顶部壁面内外的最大压差为16Pa。对于高度较大的着火房间，由于中性面以上的高度h较大，可能产生很大的压差。如果着火房间温度为700℃，则中性面以上10.7m高度上的压差约为88Pa，这对应于强度很高的火，所形成的压力已超出了目前的烟气控制水平。图5-4-3给出了由烟气浮力所引起的压差曲线。
若着火房间顶棚上有开口，则浮力作用产生的压力会使烟气经此开口向上面的楼层蔓延。同时浮力作用产生的压力还会使烟气从墙壁上的任何开口及缝隙、或是门缝中泄露。当烟气离开火区后，由于热损失及与冷空气掺混，其温度会有所降低，因而，浮力的作用及其影响会随着与火区之间距离的增大而逐渐减小。
(三)气体热膨胀作用
燃料燃烧释放的热量会使气体明显膨胀并引起气体运动。若考虑着火房间只有一个墙壁开口与建筑物其它部分相连，则在火灾过程中，建筑内部的空气会从开口下半部流入该着火房间，而热烟气也会经开口的上半部从着火房间流出。因燃料热解、燃烧过程所增加的质量与流入的空气相比很小，可将其忽略，则着火房间流入与流出的体积流量之比可简单地表示为温度之比：
若建筑内部空气温度为20℃，当空气温度达到600℃时，其体积约膨胀到原来的三倍。对有多个门或窗敞开的着火房间，由于流动面积较大，因气体膨胀在开口处引起的压差较小而可以忽略，但对于密闭性较好或开口很小的着火房间，如燃烧能够持续较长时间，则因气体膨胀作用产生的压差将非常重要。
(四)外部风向作用
在许多情况下，外部风可在建筑的周围产生压力分布，这种压力分布可能对建筑物内的烟气运动及其蔓延产生明显影响。一般，风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，这可增加建筑物内的烟气向下风方向流动。风作用于某一表面上的压力可表示为：
在建筑发生火灾时，经常出现着火房间窗玻璃破碎的情况。如果破碎的窗户处于建筑的背风侧，则外部风作用产生的负压会将烟气从着火房间中抽出，这可以大大缓解烟气在建筑内部的蔓延;而如果破碎的窗户处于建筑的迎风侧，则外部风将驱动烟气在着火楼层内迅速蔓延，甚至蔓延至其他楼层，这种情况下外部风作用产生的压力可能会很大，而且可以轻易地驱动整个建筑内的气体流动。
(五)供暖、通风和空调系统
许多现代建筑都安装有供暖、通风和空调系统(HVAC)，火灾过程中，HAVC能够迅速传送烟气。在火灾的开始阶段，处于工作状态的HVAC系统有助于火灾探测，当火情发生在建筑中的无人区内，HVAC系统能够将烟气迅速传送到有人的地方，使人们能够很快发现火情，及时报警和采取补救措施。然而，随着火势的增长，HVAC系统也会将烟气传送到它能到达的任何地方，加速了烟气的蔓延，同时，它还可将大量新鲜空气输入火区，促进火势发展。
为了降低HVAC在火灾过程中的不利作用，延缓火灾的蔓延，应当在HVAC系统中采取保护措施。例如在空气控制系统的管道中安装一些可由某种烟气探测器控制的阀门，一旦某个区域发生火灾，它们便迅速关闭，切断着火区域其他部分的联系;或者根据对火灾的探测信号，设计可迅速关闭HVAC系统的装置，不过即使及时关闭了HVAC系统可避免其向火区输入大量新鲜空气，然而却无法避免烟气的烟囱效应、浮力或外部风力的作用下通过其通风管道和建筑中其他开口四处蔓延。
二、烟气流动分析
(一)火羽流的形成
在火灾中，火源上方的火焰及燃烧生成的烟气通常称为火羽流。实际上，所有的火灾都要经历这样一个重要的初始阶段：即在火焰上方由浮力驱动的热气流持续地上升进入新鲜空气占据的环境空间，这一阶段从着火(包括连续的阴燃)然后经历明火燃烧过程直至轰燃前结束。图5-4-5给出了包括中心线上温度和流速分布在内的火羽流示意图，可燃挥发成份与环境空气混合形成扩散火焰，平均火焰高度为L，火焰两边向上伸展的虚线表示羽流边界，即由燃烧产物和卷吸空气构成的整个浮力羽流的边界。图5-4-5b为理想化的轴对称火羽流模型，
定性地给出了实验观测得到的火羽流中心线上温度和纵向流速分布，其中温度以相对于环境的温差表示。从图中可以看到，火焰的下部为持续火焰区，因而温度较高且几乎维持不变;而火焰的上部为间歇火焰区，从此温度开始降低。这是由于燃烧反应逐渐减弱并消逝，同时环境冷空气被大量卷入的缘故。火焰区的上方为燃烧产物(烟气)的羽流区，其流动完全由浮力效应控制，一般称其为浮力羽流，或称烟气羽流。火羽流中心线上的速度在平均火焰高度以下逐渐趋于最大值，然后随高度的增加而下降。
(二)顶棚射流
顶棚射流是一种半无限的重力分层流，当烟气在水平顶棚下积累到一定厚度时，它便发生水平流动，图5-4-6表示了这种射流的发展过程。
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固壁边界对流动的粘性影响，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，速度便逐步降低为零。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漩涡，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。
研究表明，许多情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的5%～12%，而在顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的1%处。这对于火灾探测器和洒水淋头等的设置有特殊意义，如果它们被设置在上述区域以外，则其实际感受到的烟气温度和速度将会低于预期值。
烟气顶棚射流中的最大温度和速度是估算火灾探测器和洒水淋头响应的重要基础。对于稳态火，为了确定不同位置上顶棚射流的最大温度和速度，通过大量的实验数据拟合可得到不同区域内的关系式，应该指出的是，这些实验是在不同可燃物(木垛、塑料、纸板箱等)、不同大小火源(668kW～98MW)和不同高度顶棚(4.6m～15.5m)情况下进行的，得到的关系式仅适用于刚着火后的一段时期，这一时期内热烟气层尚未形成，顶棚射流可以被认为是非受限的。
在撞击顶棚点附近烟气羽流转向的区域，最大平均温度和速度与以撞击点为中心的径向距离无关，Alpert推导出此时最大温度和速度可按公式5-4-16、5-4-17计算：
以上公式组不适用于以下几种情况。
1.火源是瞬时的而且(或者)受到灭火剂的影响;长宽比大于等于2的矩形火源;空气入口受限或者平均火焰高度小于等于火源高度的三维火源;由喷焰组成的火源(如管道或加压燃料储液罐小孔泄漏造成的);火焰在火源以上分散到一定程度，具有多重火羽流的火源。
2.在无阻平面空间内，火焰平均高度L高于顶棚高度
的50%，而且(或者)火源直径D大于火源最小宽度的10%。
3.受空气动力紊乱度的影响产生的顶棚射流。空气动力紊乱度是由气流场中的障碍物而产生，或者受自然通风及机械通风的影响而产生。
4.含有梁、烟幕或其他分界面，能够引起非轴对称流或者导致热气层向下朝着火源流动的顶棚，和(或)易燃的和(或)不水平的顶棚。
5.火源或者其火焰到分界面的距离在火源直径D之内;火羽流中轴线到分界面的距离在2
(顶棚高度)之内。
(三)大空间窗口羽流
从墙壁上的开口(如门、窗等)流出而进入其他开放空间中的烟流通常被称为“窗口羽流”。一般情况下，在房间起火之后，火灾全面发展的性状(即可燃物的燃烧速度、热释放速率等)是墙壁上的门窗等通风开口的空气流速控制的，即热释放速率与通风口的特性有关。根据木材及聚氨酯等实验数据可得到平均热释放率的计算公式：
在确定火源高度时，可以假定火源处于开放空间中，并具有与窗口射流火焰顶端处的窗口射流相同卷吸量的火源高度。而且，假定位于火焰顶端处的空气卷吸与开放空间中的火灾相同。
三、烟气层有关参数计算
烟层高度对人员疏散是一个重要的影响因素，人员在到达安全位置之前，应希望疏散过程中不会在建筑烟气中穿过。
封闭空间的烟气填充过程
直到烟气层界面下移到垂直开口的上边缘为止，烟气始终在封闭空间的上部累积，如下图所示。由于热膨胀，过量的空气被挤出封闭空间。当烟气层降低到开口上界面以下位置时，随着新鲜空气的进入，烟会流出封闭空间。
2——底部面积。
四、烟气流动的计算方法及模型选用原则
(一)概述
在火灾科学的研究方法中，采用计算机实现火灾过程或某火灾分过程阶段的模拟研究是一个飞跃。它具有信息代价少、模拟工况灵活、可重复性强等优点。随着计算机技术的不断发展，流体数学物理模型进一步完善，将成为未来研究火灾问题的主要手段。火灾的计算机模拟方法的核心是火灾模型，火灾模型是由火灾各分过程子模型在特定的模拟平台上融合而成的。
运用数学模型模拟计算防火的发展过程，是认识火灾特点和开展有关消防安全水平评估的重要手段，尤其对建筑物的性能和设计来说尤为重要。经过最近二、三十年的研究，在火灾烟气流动研究领域已经发展出了多种分析火灾的数学模型。据统计，现在有大约60~70种比较完善的火灾模型可供使用。综合实际计算要求和客观条件限制，对火灾过程的同一个分过程进行模拟时，各火灾模型采用的子模型形式往往是不同的。各子模型形式从不同的角度、不同的程度对分过程采用合理的简化形式进行模化。同一分过程采用不同的子模型形式时，其适用范围内的模拟结果可能都是合理的。有的模型适用于模拟计算火灾产生的环境，主要反映出建筑在火灾时室内温度随时间的变化、火灾中烟气的流动、烟气中有毒气体的浓度、火灾中人员的可耐受时间等;有的模型适用于计算建筑、装修材料的耐火性能、火灾探测器和自动灭火设施的响应时间等。
火灾过程是可燃物在热作用下发生的复杂物理化学过程，与周围的环境有着密切的相互作用。任何一种火灾模型都是以对实际火灾过程的分析为依据，各种火灾模型的有效性取决于对实际过程分析的合理性。火灾数值研究的困难主要表现在几个方面：第一，火灾事件具有随机性特点，现实生活中可能出现的火灾场景数不胜数;第二，对于大多数火灾过程很难进行深入的机理方面的分析。火灾研究涉及空气动力学、多相流、湍流的混合与燃烧、辐射以及导热等多学科知识，许多相关内容在各个学科领域还都是研究的热点，其中某些现象至今仍无法建立成熟的理论对其进行解释;第三，火灾过程中可能发生燃烧的物质多种多样，因此无法应用单一的数学模型及经验数据描述物质由聚合状态热解为可燃气体并发生燃烧的过程。
建筑火灾的计算机模型有随机性模型和确定性模型两类。随机性模型把火灾的发展看成一系列连续的事件或状态，由一个事件转变到另一个事件，如由引燃到稳定燃烧等。而由一种状态转变到另一种状态有一定的概率，在分析有关的实验数据和火灾事故数据的基础上，通过这种事件概率的分析计算，可以得到出现某种结果状态的概率分布，建立概率与时间的函数关系。而确定性模型是以物理和化学定律为基础，如质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等基本物理定律。用相互关联的数学公式来表示建筑物的火灾发展过程。如果给定有关空间的几何尺寸、物性参数、相应的边界条件和初始条件，利用这种模型可以得到相当准确的计算结果。
在开展火灾危险性分析时，应当综合考虑火灾发展的确定性和随机性的特点，单纯依据任何一种模型都难以全面反映火灾的真实过程。出于火灾研究的定量分析和定性分析需要，大家更关心的是火灾过程的确定性数学模型。本节主要介绍火灾发展的确定性火灾模型，包括有经验模型、区域模型、场模型和场区混合模型。
(二)经验模型
多年来，人们在与火灾斗争的过程中收集了很多实际火场的资料，也开展过大量的火灾实验，测得了很多数据，并分析、整理出了不少关于火灾分过程的经验公式。经验模型则是指以实验测定的数据和经验为基础，通过将实验研究的一些经验性模型或是将一些经过简化处理的半经验模型加上重要的热物性数据编制成的数学模型。它是对火灾过程的较浅层次的经验模拟，应用这些经验模型，可以对火灾的主要分过程有较清楚的了解。经验模型不同于其它理论模型能够对火源空间以及关联空间的火灾发展过程进行估计，现有的经验模型通常局限于描述火源空间的一些特征物理参数，如烟气温度、浓度、热流密度等随时间的变化，因此经常被称为“局部模型”，常用的经验模型有美国标准与技术研究院(NIST)开发的FPETOOL模型、计算烟羽流温度的Alpert模型和计算火焰长度的Hasemi模型。
(三)区域模型
20世纪70年代，美国哈佛大学的Emmons教授提出了区域模拟思想：把所研究的受限空间划分为不同的区域，并假设每个区域内的状态参数是均匀一致的，而质量、能量的交换只发生在区域与区域之间、区域与边界之间以及它们与火源之间。从这一思想出发，根据质量、能量守恒原理可以推导出一组常微分方程;而区域、边界及火源之间的质量、能量交换则是通过方程中所出现的各源项体现出来。区域模型一般还有如下的假设：
①各个控制体内的气体被认为是理想气体，并且气体的相对分子质量与比热视为常数;
②受限空间内部压力均匀分布;
③不同控制体之间的质量交换主要由羽流传递作用与出口处卷吸作用造成;
④能量传递除部分由质量交换造成外，还包括辐射与导热;
⑤受限空间内部物质的质量与热容相对墙壁、顶棚与地板可以忽略;
⑥忽略烟气运动的时间，认为一切运动过程在瞬间完成;
⑦忽略壁面对流体运动的摩擦阻碍作用。
区域模型通常把房间分为两个控制体，如图5-4-11所示，即上部热烟气层与下部冷空气层。人们普遍认为区域模型模拟给出的近似与相当接近。区域模拟是一种半物理模拟，在一定程度上兼顾了计算机模拟的可靠性和经济性，在消防工程界具有广泛的应用。应用区域模型既可以在一定程度上了解火灾的成长过程，也可以分析火灾烟气的扩散过程。目前，区域模型在建筑室内火灾的计算机模拟中具有重要地位。如果无需了解各种物理量在空间上的详细分布以及随时间的演化过程，模型中的假设十分趋近于火灾过程的实际情况，可以满足工程需要。但是区域模拟忽略了区域内部的运动过程，不能反映湍流等输运过程以及流场参数的变化，只抓住了火灾的宏观特征，因而其近似结果也是较粗糙的。
目前，世界各国的研究者建立了许多室内火灾区域模拟的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4以及中国科学技术大学的FAC3等为典型代表。常用的区域模型有ASET和ASET-B、HARVARD-V和FIRST、CFAST和HAZARD 1模型。
(四)场模型
火灾的场模拟研究是利用计算机求解火灾过程中各参数(如速度、温度、组分浓度等)的空间分布及其随时间的变化，是一种物理模拟。场是多种状态参数(如速度、温度与组份浓度)的空间分布，是通过计算这些状态参数的空间分布随着时间的变化来描述火灾发展过程的数学方程集合。随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术的不断成熟以及计算机性能的提升，场模型越来越广泛地应用到火灾研究领域。火灾的孕育、发生、发展和蔓延过程包含了流体流动、传热传质、化学反应和相变，涉及质量、动量、能量和化学成分在复杂多变的环境条件下相互作用，其形式是三维、多相、多尺度、非定常、非线性、非稳态的动力学过程。场模型由于引入的简化条件少，因而是目前为止可获取更高精确度的受限空间火灾数学模型。计算所得数据较细致，可以详细了解空间中温度场、速度场、组分浓度场等数据分布情况及其随时间变化的详细信息。但实际计算结果的正确与否还取决于适当的输入假设。
自从1983年Kumar首先建立火灾场模型以来，出现了许多场模拟的大型通用商业软件和火灾专用软件。通用商业软件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等为代表，都具有非常友好的用户界面形式和方便的前后处理系统。用于火灾数值模拟的专用软件有瑞典Lund大学的SOFIE、美国NIST开发的FDS和英国的JASMINE等，它们的特点是针对性较强。场模拟可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象。
但由于场模型是通过把一个房间划分为几千甚至上万个控制体，计算得出室内各局部空间的有关参数的变化。计算时通常所使用的场模拟方法有有限差分法、有限元法、边界元法等。导致这种模型的计算量很大，当用三维不定常方式计算多室火灾时，需要占用很长的机时，一般只在需要了解某些参数的详细分布时才使用这种模型。
(五)场区混合模型
对于复杂多室建筑的火灾过程进行计算机模拟，通常是采用区域模拟的方法。然而，实验研究表明：烟气层在着火区域或相对强流动区域无明显的分层现象，区域模拟的双层假设不能成立，只有在附近相邻的其它区域，烟气层才有明显的分层现象。这样，若采用区域模拟的方法模拟复杂多室建筑的火灾过程则不能真实地反映其火灾的特性。如果使用场模拟的方法，由于场模拟是求解流体力学的基本控制方程，整场和多参量描述复杂多室建筑的火灾过程，需要大量的计算机资源和时间，目前，由于计算机容量和运算速度等客观条件的限制，很难对复杂多室建筑的火灾过程进行场模拟，另外，在明显的烟气层分层区间采用场模型，也增加了计算机资源和时间的耗用。因此，基于试验研究的结果和计算机客观条件等限制，我们采用场模拟的方法来研究着火房间或强流动区域，对其它非着火和非强流动区间采用区域模拟的方法。这种混合模拟方法，兼顾场模拟和区域模拟两者的优点，并能更为准确地反映火灾过程的特征，这种方法简称为场区模拟方法。
