長直走廊機械排煙口布置方式對煙氣流動影響的實驗?zāi)M研究

何友龍

(江西省公安消防總隊)

摘要：長直走廊是人員行走的主要通道，也是火災(zāi)時人員逃生的必經(jīng)之路。因此，探索出適合長直走廊的排煙口布置方式對控制煙氣在走廊內(nèi)的蔓延、減少火災(zāi)所造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失具有重要意義。本文結(jié)合南昌市實際，采用實驗?zāi)M方法對頂部風(fēng)機排煙方式、側(cè)面風(fēng)機排煙方式下走廊煙氣的流動進(jìn)行研究，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果表明：頂部風(fēng)機排煙方式最有利于走廊的排煙，煙氣層溫度最小、走廊能見度最高；擋煙垂壁的擋煙作用使得煙氣蔓延至走廊盡頭的時間延遲大約10s，因此，加設(shè)擋煙垂壁有利于走廊排煙；側(cè)面風(fēng)機排煙方式下，煙氣層溫度較高，走廊下部煙氣層對空氣的卷吸作用顯著，不利于人員疏散。

關(guān)鍵詞：走廊機械排煙擋煙垂壁實驗?zāi)M

在各類火災(zāi)中，建筑火災(zāi)對人們生命財產(chǎn)的危害最大、最直接[1]，而眾多的火災(zāi)案例表明，煙氣是造成火災(zāi)中人員傷亡的最主要因素[2-5]，筆者通過對近些年人員密集場所火災(zāi)案例的分析后發(fā)現(xiàn)，如何有效的控制火災(zāi)時煙氣的流動，對保證人員安全疏散以及消防滅火救援行動的展開起著重要的作用[6]。

一、實驗說明

實驗主要研究機械排煙口布置方式對走廊煙氣的流動的影響，故火源材料經(jīng)過試驗，選擇了燃燒時產(chǎn)煙量較大的橡膠產(chǎn)品，并在點火位置附近點燃純酒精以提高煙氣層的溫度，便于測量。

實驗的走廊按照《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范(GB50045-95)》進(jìn)行比例縮小，實驗中所采用的風(fēng)機的規(guī)格如表所示，所采用的擋煙垂壁亦是按照規(guī)范縮小，尺寸為5cm。[7]

表1　排煙風(fēng)機的規(guī)格

實驗所需測量的數(shù)據(jù)為煙氣層溫度和煙氣層高度，煙氣層溫度的測量通過安裝熱電偶來實現(xiàn)；而煙氣層高度的測量需要按照走廊的尺寸來繪制醒目的坐標(biāo)系圖紙，并粘貼在走廊的一側(cè)，選擇走廊在實驗中都能看到的視野點放置錄影設(shè)備，實驗結(jié)束后根據(jù)保存的影像按照一定的時間間隔進(jìn)行讀數(shù)，便可得到煙氣層高度的實驗數(shù)據(jù)。

圖1　實驗走廊意圖

二、實驗現(xiàn)象

表2　實驗現(xiàn)象一覽表

三、實驗數(shù)據(jù)處理

煙氣層溫度數(shù)據(jù)為熱電偶顯示的讀數(shù)，每5秒記一次讀數(shù)；煙氣層高度數(shù)據(jù)根據(jù)實驗錄像，讀取走廊背景的坐標(biāo)數(shù)值，每10秒記一次讀數(shù)。將記錄好的數(shù)據(jù)輸入電腦后，制成統(tǒng)計表格，并繪制曲線進(jìn)行分析和對比。

根據(jù)實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，1號位置距離著火源最近，不同的實驗的煙氣層高度和溫度的數(shù)據(jù)變化并不顯著；2號位置煙氣量比較穩(wěn)定，不同的實驗中煙氣層高度和溫度的數(shù)據(jù)變化顯著，能夠反映出各個排煙口布置方式對煙氣流動的影響；3號位置的煙氣層高度和溫度的數(shù)據(jù)對有否擋煙垂壁有明顯變化；4號位置的相關(guān)數(shù)據(jù)制成的曲線能夠反映不同排煙方式(自然排煙條件、頂部風(fēng)機排煙、側(cè)面風(fēng)機排煙)下煙氣的流動趨勢。因此，選擇2號位置為實驗的主要分析測點，并同時結(jié)合3號、4號位置的趨勢來說明各個不同排煙口布置方式對走廊煙氣流動的影響。

四、實驗數(shù)據(jù)分析

圖2中，燃燒開始后，1號位置煙氣層高度逐漸增加并在100s時達(dá)到最大約18cm，之后緩慢下降，并在320s時降到最低約8cm。2號位置煙氣層高度煙氣層高度逐漸增加，并在100s時達(dá)到最大，之后逐漸下降，并在320s時降到4cm。3號位置煙氣層高度逐漸增加，在70s時達(dá)到最大18cm，之后有小幅波動，接著緩慢下降，與320s時降到最低4cm。4號位置煙氣層高度逐漸增加，并在70s到150s基本保持不變，之后慢慢下降。

圖2　實驗1煙氣層高度曲線圖

圖3　實驗2煙氣層高度曲線圖

圖3中，在燃燒開始，1號位置煙氣層高度緩慢增加，在100s時達(dá)到最大約18cm，之后煙氣層高度逐漸下降。2號位置煙氣層高度緩慢增加，在100s時達(dá)到最大約22cm，之后煙氣層高度逐漸下降。3號位置煙氣層高度開始增加緩慢，30s后增加速度加快，并在100s時達(dá)到最大值15cm，之后逐漸下降。4號位置煙氣層高度逐漸增加，在100s時達(dá)到最大約20cm，之后煙氣層高度逐漸下降。

圖4中，隨著燃燒的開始，1號位置煙氣層高度逐漸升高，在20s時達(dá)到最大，之后保持不變。2號位置煙氣層高度逐漸升高，在80s時達(dá)到最大值20cm，之后逐漸下降至200s后基本保持不變。3號位置的曲線先逐漸上升，期間還有波動，至160s時達(dá)到最大值24cm，之后逐漸下降至180s之后基本保持不變。4號位置煙氣層高度40s之前基本不變，之后急劇升高至20cm，之后又基本不變，后又升高至24cm，之后基本保持不變。

圖4　實驗4煙氣層高度曲線圖

圖5　實驗5煙氣層高度曲線圖

圖5中，在燃燒開始后，1號位置煙氣層高度急劇增加，在30s時達(dá)到最大約10cm，之后煙氣層高度基本保持不變。2號位置煙氣層高度在燃燒開始后急劇增加，在30s時達(dá)到最大約10cm，之后煙氣層高度至120s基本保持不變，之后下降保持不變交替進(jìn)行。3、4號位置煙氣層高度一直為0。

圖6　實驗6煙氣層高度曲線圖

圖6中，1號位置煙氣層高度在火災(zāi)初期迅速上升至10cm，并持續(xù)處于較穩(wěn)定狀態(tài)，2號位置煙氣層高度不斷增加，在100s時達(dá)到最大值26cm后出現(xiàn)小幅波

動，隨后曲線呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，3號位置煙氣層高度不斷增加，在90s時達(dá)到最大值28cm后出現(xiàn)小幅波動，隨后曲線呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，4號位置煙氣層高度在火災(zāi)初期迅速達(dá)到最高值30cm，并一直持續(xù)到130s，隨后緩慢下降至230s，繼而迅速下降至0。

圖7中，1號位置煙氣層高度在80s時就到達(dá)最高點20cm，最高點附近出現(xiàn)小幅波動，曲線繼而呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，2號位置煙氣層高度在火災(zāi)初期迅速上升，在80s時至其最高值16cm，并維持此值至200s，隨后煙氣層高度曲線緩慢下降至0，3號位置煙氣層高度在火災(zāi)發(fā)生后50s后迅速上升，在80s時至其最高值16cm，隨后煙氣層高度曲線緩慢下降，其間伴隨小幅波動，4號位置煙氣層高度在60s時開始增長，在200s達(dá)到最大值24cm，然后由于風(fēng)機作用迅速下降。

通過研究圖8，在2號位置與3號位置之間加設(shè)了擋煙垂壁后，由于擋煙垂壁阻擋煙氣的作用使得煙氣流動受阻，沿著分界面向下蔓延，在2號測點位置積聚，因此2號位置加設(shè)擋煙垂壁后的煙氣層高度要比未加設(shè)的值要大。

圖8　各實驗2號測點煙氣層高度曲線圖

圖9中，各實驗中3號、4號位置的煙氣層高度曲線反映了不同排煙方式及不同排煙口的位置條件下高度曲線的趨勢不同。

自然排煙方式的高度曲線迅速上升，且有明顯的峰值，之后緩慢下降；頂部風(fēng)機排煙方式的高度曲線相比而言起伏比較?。粋?cè)面風(fēng)機排煙方式的高度曲線緩慢上升到峰值，且峰值持續(xù)出現(xiàn)，繼而緩慢下降。

各排煙方式中，在2號與3號位置之間加設(shè)擋煙垂壁的實驗得到的高度曲線與未加擋煙垂壁的曲線相比，曲線中各個值均有所減小，使得加設(shè)擋煙垂壁后曲線出現(xiàn)了滯后性，表明了擋煙垂壁對防煙工程有顯著效果。

圖9　各實驗3、4號測點煙氣層高度曲線圖

五、實驗結(jié)論

通過觀察實驗現(xiàn)象，得到煙氣在走廊中的流動過程：當(dāng)長直走廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入到長直走廊時，熱煙氣流從房門上檐射出，將形成一個短小的浮力羽流撞擊走廊頂棚，從而形成走廊頂棚射流。熱煙氣沿走廊頂棚向前蔓延，走廊內(nèi)的煙氣出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，熱煙氣流動邊界與它前面的環(huán)境冷空氣的前緣相互作用形成一個跳躍狀態(tài)。走廊下部的冷空氣被卷吸進(jìn)來，且煙氣層下部流動速度減慢。熱煙氣沿走廊頂棚不斷蔓延，直至走廊盡頭，煙氣經(jīng)過走廊末端敞開的開口排出。

通過實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)按照實驗5在走廊設(shè)置擋煙垂壁，并在擋煙垂壁靠近著火房間的一側(cè)設(shè)置頂部風(fēng)機機械排煙時，可燃物開始燃燒，進(jìn)入長直走廊的煙氣沿著走廊頂棚向前蔓延，煙氣流動至風(fēng)機處被抽出；隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，煙氣量不斷增加，未被風(fēng)機及時抽出的煙氣繼續(xù)沿頂棚向前流動，撞擊擋煙垂壁后，煙氣被反射回來，并沿著走廊和擋煙垂壁壁面向下蔓延，由于風(fēng)機的作用，煙氣在擋煙垂壁的下部回流，被風(fēng)機抽出。實驗中并幾乎沒有煙氣越過擋煙垂壁向另一側(cè)蔓延，所以走廊3、4號位置幾乎沒有煙氣。因此，此排煙口布置方式使得火災(zāi)過程中走廊的煙氣層高度相對較低，能夠保證一定的疏散所需能見度，是實驗效果最好的排煙方式。

此外，本次實驗還探索了將風(fēng)機裝在走廊側(cè)面對走廊煙氣流動的影響。將風(fēng)機裝在走廊側(cè)面后，煙氣沿著走廊頂棚蔓延，靠近風(fēng)機一側(cè)流動的煙氣被風(fēng)機排出；未排出的部分沿著走廊頂棚繼續(xù)蔓延，只有少許煙氣通過走廊盡頭的開口流到室外，風(fēng)機的作用一定程度上也加速了外部空氣的進(jìn)入，外部空氣的進(jìn)入對煙氣層下部產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)了明顯的卷吸現(xiàn)象，大部分煙氣隨著空氣回流至風(fēng)機處而被排出。實驗過程中，下部煙氣層對空氣的卷吸作用十分顯著，此現(xiàn)象從火災(zāi)發(fā)生初期約50秒出現(xiàn)到3分50秒結(jié)束，持續(xù)時間近3分鐘，占該實驗總時長的44%。此現(xiàn)象使得走廊下部空氣中有毒有害氣體和煙塵的含量增加，含氧量減少，能見度降低，很不利于人員逃生。因此，此方式不能作為最好的排煙方式。

參考文獻(xiàn)

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