趙 楠

(北京市朝陽區(qū)消防救援支隊(duì)，北京 100027)

0 引言

建筑外立面開口火溢流是室內(nèi)火災(zāi)中的火焰隨煙氣從窗口等開口溢出，并在外部燃燒的特殊火災(zāi)現(xiàn)象。近年來，它在城市高層建筑火災(zāi)中時(shí)有發(fā)生，對(duì)城市安全造成重大威脅。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑外立面開口火溢流做了很多研究。日本學(xué)者Yokoi[1]研究在不同的建筑外立面開口形狀下火溢流的溫度分布情況，測(cè)得開口火溢流垂直擴(kuò)散軌跡中軸線上的無量綱溫度分布；學(xué)者Himoto等[2]建立小尺寸模型來預(yù)測(cè)建筑外立面開口火溢流的擴(kuò)散軌跡；美國的2位學(xué)者John和Francine[3]運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬，研究不同陽臺(tái)類型及伸長對(duì)建筑外立面火溢流蔓延的影響；中國科技大學(xué)的唐飛和胡隆華[4]通過在一個(gè)有6種不同尺寸窗口的房間內(nèi)做火災(zāi)試驗(yàn)，觀測(cè)并研究窗口尺寸對(duì)建筑外立面火溢流的影響。

上述研究都是針對(duì)陽臺(tái)、窗口等單一阻隔結(jié)構(gòu)限制下外立面開口火溢流的火災(zāi)行為進(jìn)行的，對(duì)陽臺(tái)、窗檻墻、窗戶尺寸3種常見外立面阻隔結(jié)構(gòu)共同限制下火溢流火災(zāi)行為的研究還較少。本文通過理論分析及小尺寸數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，研究外立面阻隔結(jié)構(gòu)限制下的建筑開口外部火溢流溫度分布特性。

1 理論分析

建筑外立面開口火溢流是在通風(fēng)控制燃燒下室內(nèi)火災(zāi)中的火焰從受限空間開口溢出，并在建筑外立面形成的一種特殊的浮力羽流[1]。由于建筑外立面一側(cè)的空氣卷吸受到限制，同時(shí)受窗口、窗檻墻、陽臺(tái)等外立面阻隔結(jié)構(gòu)的作用，使得建筑外立面開口火溢流的運(yùn)動(dòng)過程與自由邊界下的浮力羽流大相徑庭。因此，通過對(duì)不同尺寸的陽臺(tái)及窗口的建筑外立面開口火溢流形態(tài)的研究，將火溢流在窗口及陽臺(tái)作用下向上運(yùn)動(dòng)的過程近似看做以下2個(gè)過程：陽臺(tái)下方，窗口火溢流在窗口水平動(dòng)量及上升浮力共同作用下，由水平傳播轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向上傳播的過程；當(dāng)火溢流上升至陽臺(tái)后，以陽臺(tái)為起點(diǎn)形成的浮力羽流運(yùn)動(dòng)過程，如圖1。

圖1 火溢流在建筑外立面運(yùn)動(dòng)過程示意圖

受限空間開口火溢流可以認(rèn)為是由一個(gè)位于絕熱壁面處開口中性面上的矩形火源產(chǎn)生的[5]，如圖2。矩形火源的特征邊長l1平行于外立面，其大小用于表征火溢流的影響范圍，另一個(gè)特征邊長l2垂直于外立面，表示當(dāng)火溢流在浮力作用下由水平變?yōu)榇怪睍r(shí)到建筑外立面的距離；J0為火溢流從開口水平溢出到轉(zhuǎn)變成向上豎直傳播的過程中所受到的上升浮力通量，并且浮力通量為恒定值[5]。

注：J0—浮力通量，kW；l1—特征邊長，m；l2—特征邊長，m；H—窗口高度，m；W—窗口寬度，m；z—火源上方豎直高度，m

假定位于實(shí)際火源及火焰上方的羽流橫截面積可以被近似為一個(gè)矩形，并且矩形長寬比恒定。且特征邊長l1決定了矩形火源平行于外立面的寬度，特征邊長l2決定了火源長度(垂直于外立面)，特征邊長l1、l2表示為式(1)[5]。

l1=(AH1/2)2/5

l2=(AH2)1/4

(1)

式中：

A—外立面開口面積，A=H×W，m2。

隨著火溢流的上升，空氣卷吸率使得火羽流的水平尺寸隨著高度的增加而擴(kuò)大。火源上方的火羽流矩形橫截面特征邊長lx垂直于外立面，另一個(gè)特征邊長ly平行于外立面。浮力驅(qū)動(dòng)的空氣卷吸使得lx值隨著火源上方的高度增加而增大。這種卷吸的物理機(jī)制可以假設(shè)為和自由羽流類似。這種卷吸來自除了建筑外立面以外的所有方向：

(2)

式中：

u—一般火羽流的上升速度，m/s；

α—卷吸系數(shù)；

ρa(bǔ)—火羽流周圍環(huán)境空氣密度，kg/m3。

在高度為z處，空氣卷吸對(duì)于橫截面尺寸的影響如下：

(3)

式中：

ρ—高度z處的火羽流周圍環(huán)境空氣密度，kg/m3。

隨著z的增加，火羽流上升速度減小，由于溫度降低，火羽流密度增加，假定(ρdu+udρ)約為0。因此，式(3)可以簡化為：

α(2lx+ly)dz=d(lxly)

(4)

根據(jù)上文對(duì)矩形火源的假設(shè)，矩形火源的矩形長寬比K可以表示為下式：

(5)

火焰上方垂直高度與中性面高度差z′見式(6)：

z′=z-zn

(6)

式中：

zn—中性面高度，m。

利用式(7)對(duì)中性面高度進(jìn)行近似計(jì)算[1]：

(7)

將初始條件z′=0，lx=l2，以及陽臺(tái)處的臨界條件z′=Hfloor-H/2(Hfloor為建筑每一層的高度)帶入式(4)積分得到

(8)

根據(jù)高斯分布[6]：

(9)

式中：

T—距離火羽流中心線徑向距離r處的溫度，℃；

T∞—環(huán)境溫度，℃

Tmax—中心線處的最高溫度，即x=0處的溫度，℃；

b(z)—有效火羽流半徑，關(guān)于z的函數(shù)，m；

β—高斯剖面系數(shù)。

由于陽臺(tái)的阻礙作用，大量熱煙氣在陽臺(tái)下方聚集，因此將陽臺(tái)下方沿z方向的Tmax-T∞均近似取為ΔTg，ΔTg為從窗口流出熱煙氣的平均溫度。將式(8)帶入式(9)，取陽臺(tái)下方火羽流高斯剖面系數(shù)為β1，陽臺(tái)邊緣處的溫度Tbalcony可以用下式表示：

(10)

當(dāng)火溢流上升到陽臺(tái)后，一部分在陽臺(tái)下方形成頂棚射流，發(fā)生熱量損失，另一部分受浮力作用沿陽臺(tái)邊緣向上運(yùn)動(dòng)，形成自由邊界的浮力羽流。根據(jù)高斯分布，取陽臺(tái)上方自由羽流高斯剖面系數(shù)為β2，陽臺(tái)上方自由羽流沿垂直中心面徑向溫度可用下式表示：

(11)

b(zb)可以表示為b(zb)=C1zb[1]，C1為火羽流半徑系數(shù)。根據(jù)自由羽流中心線溫度隨高度變化的規(guī)律[7]，將陽臺(tái)上方自由羽流中心線溫度近似表示為(Tbalcony-T∞)/(mzb+1)5/3，m為表征自由羽流中心線處溫升沿zb變化規(guī)律的常數(shù)，得到起火房間上層外立面縱向溫度分布與陽臺(tái)伸長d、窗檻墻高度L、窗口寬度W的關(guān)系式，如式(12)：

(12)

從式(12)可以看出，開口外部火溢流的溫度分布受陽臺(tái)伸長、窗檻墻高度及窗口寬度的共同影響，三者共同影響著建筑外立面阻隔結(jié)構(gòu)的阻隔效果。利用式(12)，可以計(jì)算火溢流的縱向溫度分布，同樣，反過來還可以用于計(jì)算確保建筑上層建筑外立面防火安全的某阻隔結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)值。

2 數(shù)值模擬與討論

2.1 模擬工況設(shè)計(jì)

為了對(duì)所建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證與修正，本文利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)軟件[8]數(shù)值模擬外立面阻隔結(jié)構(gòu)限制下火溢流。數(shù)值模擬采用1/2縮尺寸模型，尺寸為3.3m×4m×4.5m，為3層建筑，每層設(shè)置2個(gè)相同的房間，房間尺寸為3.3m×2m×1.5m，起火房間位于一層左側(cè)，如圖3。根據(jù)John和Francine[3]對(duì)陽臺(tái)幾何形狀的研究，無磚墻圍護(hù)且兩側(cè)無隔離墻的陽臺(tái)對(duì)火溢流蔓延的阻隔效果最好，因此每個(gè)房間設(shè)置落地窗口，窗口高度為H，寬度為W，窗檻墻高度為L，其中H+L=1.5m。并于2層2房間落地窗口下沿設(shè)置與窗口寬度相等的陽臺(tái)，陽臺(tái)伸長為d。

(a)前視圖

本文主要研究對(duì)象為住宅與辦公建筑，我國上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-88—2006《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》[9]中給出在無噴淋的辦公室、客房中，最大熱釋放速率為6MW，根據(jù)縮尺寸模型比例關(guān)系[10]，得到縮尺寸模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)的火源功率為1MW。

起火房間兩角和正中央設(shè)置3樹熱電偶，每樹7個(gè)，熱電偶兩兩間隔為0.2m。起火房間上層建筑每層窗口正中央均勻布置15個(gè)熱電偶，熱電偶兩兩間隔為0.1m(如圖4)，用來測(cè)量壁面處的溫度。

圖4 縮尺寸數(shù)值模擬模型溫度測(cè)點(diǎn)示意圖

模擬選取火源功率為1MW，火源設(shè)置在一層左側(cè)房間地面正中央，面積為1m2，火源尺寸為1m×1m。

為了使模擬結(jié)果更具普遍性和代表性，本文模擬工況的設(shè)計(jì)借鑒我國GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018版)》[11]和GB 50368—2005《住宅建筑規(guī)范》[12]中有關(guān)陽臺(tái)及窗檻墻的相關(guān)規(guī)定，選取4種不同的陽臺(tái)伸長尺寸d(d=0.2、0.3、0.4、0.5m)，4種不同尺寸的窗口寬度W(W=0.8、1.0、1.2、1.4m)，4種不同的窗檻墻高度L(L=0.4、0.5、0.6、0.7m)。按照常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，需要做4×4×4=64組實(shí)驗(yàn)，本文利用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需做16組實(shí)驗(yàn)即可，見表1。

表1 模擬工況

2.2 典型火羽流實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在火溢流縱向溫度分布數(shù)學(xué)模型的建立過程中，將火溢流陽臺(tái)上方的運(yùn)動(dòng)假設(shè)為自由邊界下浮力羽流的運(yùn)動(dòng)過程。為驗(yàn)證該假設(shè)的可行性，將數(shù)值模擬中火溢流縱向溫度隨高度變化的曲線與Yokoi[1]實(shí)驗(yàn)所得的自由邊界下浮力羽流的溫度分布曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖5、6。圖5給出了不同工況下外立面縱向溫度分布，圖6為Yokoi[1]利用酒精作為燃料，在實(shí)驗(yàn)中得出的自由邊界條件下浮力羽流溫度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 外立面縱向溫度分布圖

圖6 Yokoi的線源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖5、6可以看出，陽臺(tái)上方外立面縱向溫度分布的曲線變化規(guī)律與Yokoi實(shí)驗(yàn)中獲得的浮力羽流自由邊界條件下的縱向溫度分布變化規(guī)律大致相同。同時(shí)，陽臺(tái)的伸長在火溢流的縱向溫度分布中有著重要的作用。不同的陽臺(tái)伸長，縱向溫度的衰減速度也是不一樣的。隨著陽臺(tái)伸長的增大，外立面開口火溢流受陽臺(tái)的阻礙作用增強(qiáng)，因此陽臺(tái)上方的火溢流溫度及火溢流受到的向上浮力減小，外立面縱向溫度的衰減速度逐漸變緩。

2.3 基于數(shù)值模擬的擬合結(jié)果

根據(jù)早期研究[13]，將空氣卷吸率α取為0.11，利用數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合求解，得到起火房間上層外立面縱向溫度分布與陽臺(tái)伸長d、窗檻墻高度L、窗口寬度W的關(guān)系，見式(13)：

(13)

由式(13)可以看出，在陽臺(tái)上方火溢流的β2值為2.27，對(duì)于自由羽流，β2的值應(yīng)在0.64～1.5之間變化[14]，陽臺(tái)作用下受限空間開口火溢流β2的值大于自由羽流。這種現(xiàn)象可以解釋為，受限空間開口火溢流受陽臺(tái)作用，在陽臺(tái)邊緣形成浮力羽流向上傳播，由于陽臺(tái)的阻隔作用，火溢流遠(yuǎn)離建筑外立面，但由于墻面的作用，浮力羽流一部分被垂直于建筑外立面方向的空氣壓縮，因此徑向的溫度降低會(huì)更加迅速，從而導(dǎo)致β2的值比軸對(duì)稱火羽流大很多。

3 結(jié)論

(1)理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果均表明，陽臺(tái)、窗檻墻和窗口阻隔結(jié)構(gòu)共同影響著建筑外立面開口火溢流的外部溫度分布，三因素相互作用相互聯(lián)系。因此，在對(duì)建筑外立面阻隔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，必須考慮多阻隔結(jié)構(gòu)對(duì)火溢流的阻隔作用，靠單一因素的參數(shù)設(shè)計(jì)，無法保證建筑外立面的防火安全。

(2)對(duì)多阻隔結(jié)構(gòu)限制下的外立面開口火溢流火災(zāi)行為進(jìn)行初步探討，研究成果可以為建筑外立面阻隔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供新思路、新方法，所得結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。

(3)后續(xù)將開展大量實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究，以期最終找到一套行之有效的建筑外立面阻隔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。