趙建賀，郜冶，霍巖，鐘偉

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

建筑物向高層發(fā)展是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)必然方向［1］，高層建筑物內(nèi)大都設(shè)有多而高的豎井，一旦起火，高溫?zé)煔鈺?huì)通過(guò)豎井由建筑物下層快速蔓延至頂層甚至整個(gè)建筑物.上海11.15大火在1 h內(nèi)28層樓全部過(guò)火，火勢(shì)迅速蔓延的主要原因是煙囪效應(yīng).因此有必要進(jìn)行相關(guān)研究來(lái)得到豎井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為安全工程設(shè)計(jì)提供參考.

前人對(duì)非受限空間內(nèi)羽流前鋒上升時(shí)間進(jìn)行過(guò)較多研究，Tanaka等曾對(duì)非受限環(huán)境中羽流上升時(shí)間進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究，建立了羽流前鋒上升經(jīng)驗(yàn)公式［2］;L.H.Hu等分別研究了自由環(huán)境下、墻邊、墻角邊油池火浮力羽流前鋒的上升時(shí)間，并推導(dǎo)了半經(jīng)驗(yàn)公式［3］;Heskestad對(duì)非受限油池火羽流前鋒上升時(shí)間研究情況進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其進(jìn)行了無(wú)量綱化處理［4］.

豎井內(nèi)煙氣羽流運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)于非受限空間羽流運(yùn)動(dòng)規(guī)律較復(fù)雜，因?yàn)樨Q井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)受到煙囪效應(yīng)，外界冷風(fēng)引射入豎井及豎井壁面粘滯阻力等諸多因素的影響.目前對(duì)豎井內(nèi)煙氣羽流前鋒運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究較少，Tanaka等曾在開(kāi)放豎井及封閉豎井內(nèi)進(jìn)行過(guò)大尺寸試驗(yàn)，并得到了無(wú)量綱羽流前鋒上升時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式［2］;張靖巖等利用小尺寸豎井實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了開(kāi)放豎井和封閉豎井內(nèi)羽流前鋒上升時(shí)間，并得到了羽流前鋒上升無(wú)量綱時(shí)間與豎井無(wú)量綱高度之間的定量關(guān)系式［5］.

本文通過(guò)小尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，對(duì)兩端開(kāi)放豎井及底部封閉豎井中不同燃料條件下羽流前鋒上升時(shí)間進(jìn)行了研究，并定量描述了其運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

1 非受限環(huán)境中羽流前鋒上升時(shí)間

火羽流前鋒上升的動(dòng)量方程表達(dá)式:

對(duì)流熱釋放率、溫升與羽流前鋒上升速度有如下關(guān)系:

將方程(2)～(4)代入式(1)中，可得

文獻(xiàn)［6-7］認(rèn)為高度z處的羽流截面積與羽流高度的平方成正比，且有如下關(guān)系式:

九寨情歌之所以這么有魅力，主要在于它嫻熟的運(yùn)用了比喻這種藝術(shù)表現(xiàn)手段。比喻是“嘎花”中最常見(jiàn)、最重要的修辭手段。在本文所舉例的所有例子，幾乎都包含比喻。雖然用花草樹(shù)木等作比喻的很多，但九寨的人們更是經(jīng)常用文學(xué)經(jīng)典來(lái)比喻，用彼情喻此情，委婉又坦率。如：

式中:rz為羽流半徑，m;β為半徑常數(shù).

NFPA 92B 認(rèn)為常數(shù) 取值在0.125 ～0.25［6］取值，L.H.Hu 等通過(guò)全尺寸實(shí)驗(yàn)確定了 β 取值為0.268［3］，G.Heskestad 綜合了 George、Kung和 Stavrianidis的測(cè)量結(jié)果［8］，認(rèn)為常數(shù) β 應(yīng)在0.104 ～0.194 取值.

通過(guò)Boussinesq假設(shè)，設(shè)定 ρz=ρ∞.將式(6)、(7)代入式(5)，并附上邊界條件(t=0 s，uz=0 m/s)，通過(guò)求導(dǎo)運(yùn)算及積分變換，得到羽流上升速度表達(dá)式:

對(duì)式(8)進(jìn)行變換后兩邊積分，得

代入邊界條件(t=0 s，z=0 m)，可得

火源的對(duì)流熱釋放率是引起熱煙氣羽流上升的主要原因，可表示為

將 g=9.8 m/s2，ρ∞=1.2 kg/m3，T∞=293 K 及Cp=1.005 kJ/kg·K代入方程(10)可得:

Tanaka等人曾在非受限空間中實(shí)施了羽流前鋒上升時(shí)間測(cè)量的實(shí)驗(yàn)［2］，火源的熱釋放率在2.6～16.3 kW，得到非受限空間羽流前鋒上升時(shí)間的半經(jīng)驗(yàn)公式:

L.H.Hu等人通過(guò)全尺寸實(shí)驗(yàn)得到了非受限空間羽流前鋒上升時(shí)間的半經(jīng)驗(yàn)公式［3］:

非受限環(huán)境內(nèi)羽流前鋒運(yùn)動(dòng)規(guī)律已有了較為成熟的研究，而豎井內(nèi)羽流運(yùn)動(dòng)相對(duì)于前者則有相對(duì)復(fù)雜的邊界條件，受到較多因素的影響，有必要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)對(duì)其深入研究.

2 豎井內(nèi)火災(zāi)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

此試驗(yàn)豎井尺寸高120 cm，長(zhǎng)20 cm，寬16 cm，正面安裝塑料玻璃板以便觀察，其他三面為木質(zhì)膠合板，具體尺寸見(jiàn)圖1.火源布置于豎井中央，油池尺寸及燃料種類見(jiàn)表1及表2.熱電偶布置于豎井中心從下至上依次為T1～T10，熱電偶間距為12 cm.采用GL450溫度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為1 s.環(huán)境溫度為23℃.

試驗(yàn)分為SFA和SFB 2個(gè)系列，共分為18個(gè)條次，SFA系列為兩端開(kāi)放豎井火災(zāi)試驗(yàn)，裝置示意圖見(jiàn)圖1，SFB為底部封閉豎井火災(zāi)試驗(yàn).2個(gè)系列試驗(yàn)的區(qū)別在于SFA系列中，豎井位于距地面2 cm的位置處，豎井底部的火源區(qū)域四面與外界相通，油池燃燒時(shí)可以從外界引射入大量冷空氣;SFB系列試驗(yàn)中，豎井直接置于地面上，外界空氣不能從豎井底部引射入豎井內(nèi).此外，2個(gè)系列試驗(yàn)的工況完全相同.

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of experimental configuration

2.2 火源和熱釋放速率

火源的質(zhì)量損失速率和熱釋放速率的關(guān)系如下:

表1 兩端開(kāi)放豎井內(nèi)的熱釋放速率Table 1 The heat release rate for two-end-open shaft model

表2 底部封閉豎井內(nèi)的熱釋放速率Table 2 The heat release rate for bottom-end-closed shaftmodel

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

文獻(xiàn)［3］中，觀察者通過(guò)目測(cè)方法來(lái)判斷煙氣羽流前鋒隨時(shí)間所到達(dá)的高度;Tanaka通過(guò)熱電偶的突然溫升來(lái)判定羽流前鋒的到達(dá)時(shí)間［2］，但在靠近火源的位置此種方法可能由于火焰的熱輻射造成誤判;張靖巖等［5］通過(guò)N-百分比法來(lái)判斷煙氣前鋒的位置;本文也依據(jù)N-百分比法［9］，通過(guò)計(jì)算，認(rèn)為當(dāng)豎井中某高度處熱電偶溫升達(dá)到15℃時(shí)，煙氣羽流前鋒到達(dá)此處.由于熱電偶T1在火源正上方，且靠近火焰，火焰常對(duì)T1造成沖刷，不能正確反映熱煙氣的溫度，羽流上升時(shí)間不易判斷，所以取T2～T10的溫度數(shù)據(jù)作為分析熱煙氣溫度的依據(jù).

由圖2可以看出，相同條件下，兩端開(kāi)放豎井內(nèi)煙氣溫度遠(yuǎn)小于底部封閉豎井內(nèi)煙氣溫度，這是因?yàn)樵跓焽栊?yīng)作用下，開(kāi)放豎井底部大量冷空氣被引射入豎井內(nèi)部，冷空氣與熱煙氣混合后降低了豎井內(nèi)部溫度，而且開(kāi)放豎井較底部封閉豎井在煙囪效應(yīng)作用下煙氣快速上升.

圖2 熱電偶溫升及羽流前鋒分界面的確定Fig.2 Determination of temperature rise and plume front interfaces

圖3為不同燃料，不同火源功率條件下開(kāi)放豎井內(nèi)羽流前鋒上升時(shí)間與熱釋放速率之間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果線性擬合后平均，可得上升時(shí)間與熱釋放速率的－5/4次方成正比.

圖4為不同燃料，不同火源功率條件下兩端開(kāi)放豎井內(nèi)羽流前鋒上升時(shí)間與高度之間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果線性擬合后平均，可得上升時(shí)間與高度的1/2次方成正比.基于圖3、4的結(jié)果可知:

由圖5可求得，所以兩端開(kāi)放豎井中羽流前鋒上升時(shí)間的表達(dá)式可以寫成:

圖3 開(kāi)放豎井中羽流前鋒上升時(shí)間與熱釋放速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between travel time and heat release rate in open shaft

圖4 兩端開(kāi)放豎井中羽流前鋒上升時(shí)間與高度的關(guān)系Fig.4 Relationship between travel time and height in two-end-open shaft

圖5 試驗(yàn)系數(shù)Fig.5 Experimental coefficient

與開(kāi)放豎井的分析方法類似，由圖6可得，在底部封閉豎井中，羽流前鋒上升時(shí)間與火源熱釋放速率成－3/4次方的關(guān)系;由圖7可得羽流前鋒上升時(shí)間與高度成4/3次方的關(guān)系.基于圖6和圖7的結(jié)果可知:

圖6 底部封閉豎井中羽流前鋒上升時(shí)間與熱釋放速率的關(guān)系Fig.6 Relationship between travel time and heat release rate in bottom-end-closed shaft

由圖8可求得Cs2=15.46，所以底部封閉豎井中羽流前鋒上升時(shí)間的表達(dá)式可以寫成:

同時(shí)隨著高度z的增大，羽流前鋒上升時(shí)間在兩端開(kāi)放豎井與底部封閉豎井中的差值逐漸變大;該圖還說(shuō)明隨著熱釋放速率的增大，羽流前鋒到達(dá)相同高度的時(shí)間會(huì)逐漸縮短，且上升時(shí)間的變化速率逐漸降低.

如圖9所示，根據(jù)得到的羽流前鋒上升時(shí)間半經(jīng)驗(yàn)公式(19)、(21)，本文對(duì)羽流前鋒到達(dá) z=2.0 m及z=4.0 m高度處的上升時(shí)間進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)到達(dá)同一高度處兩端開(kāi)放豎井中羽流前鋒上升時(shí)間明顯小于底部封閉豎井中羽流前鋒上升時(shí)間，說(shuō)明煙囪效應(yīng)大大加速了開(kāi)放豎井中羽流的上升.

圖7 底部封閉豎井中羽流前鋒上升時(shí)間與高度的關(guān)系Fig.7 Relationship between travel time and height in bottom-end-closed shaft

圖8 試驗(yàn)系數(shù)Fig.8 Experimental coefficient

圖9 羽流前鋒上升時(shí)間比較Fig.9 Comparison of travel time

3 結(jié)論

本文測(cè)量了兩端開(kāi)放豎井和底部封閉豎井火災(zāi)中羽流前鋒的上升時(shí)間，在測(cè)點(diǎn)溫差達(dá)到15℃條件下，認(rèn)為羽流前鋒到達(dá)該位置.試驗(yàn)表明在煙囪效應(yīng)作用下，羽流在開(kāi)放豎井中能夠快速上升.通過(guò)小尺寸試驗(yàn)分析得到了兩端開(kāi)放豎井與底部封閉豎井中羽流前鋒上升時(shí)間半經(jīng)驗(yàn)公式，分別為 t=8.96Q·－5/4z1/2和 t=15.46Q·－3/4z4/3.

開(kāi)放豎井內(nèi)煙氣上升除受到自身浮力外，還受到煙囪效應(yīng)內(nèi)外壓差的作用，針對(duì)本課題，需要進(jìn)一步研究煙囪效應(yīng)與浮力等決定因素對(duì)開(kāi)放豎井內(nèi)羽流上升的影響權(quán)重.

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