侯路遙，孫協(xié)鵬，易繼威，胡隆華

正向風作用下半地下室窗口火溢流實驗研究

侯路遙，孫協(xié)鵬，易繼威，胡隆華

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

正向風；半地下室窗口；腔室火災；溢出火焰高度

建筑外立面開口火溢流是建筑內(nèi)的房間發(fā)生火災、因補氣供氧相對不足發(fā)生火焰從房間窗戶開口溢出，并沿建筑外立面燃燒的特殊火災現(xiàn)象[1-2]，溢出火焰進一步引燃相鄰的上部房間及樓層，從而引發(fā)整棟建筑的立體火災燃燒，給消防救援和人員逃生造成了很大困難．因此，腔室火災演化和開口火溢流行為是火災科學領域研究的重要基礎科學問題．其中，溢出火焰高度是引燃上層房間的重要因素，所以溢出火焰高度是開口火溢流最重要的特征參數(shù)之一，科學認識溢出火焰高度的演化規(guī)律對于建筑防火設計規(guī)范具有重要的指導意義，國內(nèi)外學者對此開展了廣泛而深入的研究．

圖1 典型半地下室采光通風窗

1 實驗設計

本文所用的1∶8縮尺寸腔室火災實驗平臺[23]由燃燒腔室和外立面兩部分組成．單開口立方體燃燒腔室尺寸為0.5m×0.5m×0.5m，最外層為1cm厚的鋼板，內(nèi)部襯有3cm厚的硅酸鈣陶瓷纖維板(導熱系數(shù)＝0.18×10-3kW/(m·K)，密度＝285kg/m3，比熱容＝1390×10-3kJ/(kg·K))，能夠減少燃燒腔室內(nèi)部的熱量損失，起保溫隔熱作用．腔室內(nèi)部地面中央安裝有邊長為0.2m的方形多孔氣體燃燒器，氣體燃燒器與質(zhì)量流量計(量程100L/min(每分鐘標準升)，精度0.01L/min)相連，并連接丙烷氣瓶，調(diào)節(jié)流量供給，從而實現(xiàn)精確控制火源的熱釋放速率，本實驗中的火源熱釋放速率范圍為21.54～40.01kW (丙烷燃燒熱值c＝50404.55kJ/kg)，均發(fā)生開口火焰溢出．為模擬半地下室的扁平狹長窗戶，選用兩種不同尺寸的扁平腔室開口(×分別為0.15m×0.05m和0.25m×0.05m)表征不同的開口通風條件與高寬比，且開口的位置均位于腔室內(nèi)墻壁的最頂部．用以模擬建筑外立面的云母板高1.6m、寬1.2m，具有較好的耐火性，可以模擬溢出火焰沿建筑外立面的擴展行為．

圖2 實驗裝置

腔室火災實驗平臺的側面布置了一臺數(shù)碼攝像機(幀速率：25幀/s，像素：1920×1080)以記錄溢出火焰的形態(tài)變化，每個工況的錄制時間約為1min.通過對火焰視頻進行圖像處理[26-27]獲取火焰平均分布概率云圖，見圖3，并提取火焰平均分布概率為50%的火焰輪廓(＝0.5)作為確定溢出平均火焰高度的根據(jù)．

圖3 溢出火焰高度提取

表1為所有的實驗工況，每個工況重復實驗3次以確保數(shù)據(jù)準確，并取3次實驗的平均值用以后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析．

表1 實驗工況

Tab.1 Experimental scenarios

2 結果與分析

2.1 溢出火焰高度變化

圖4為正向風作用下從開口(虛線框)溢出的火焰隨火源熱釋放速率演化的典型圖片(正向風風速1.0m/s；開口：寬0.15m×高0.05m)，可以觀察到以下現(xiàn)象：火焰從腔室開口溢出后充滿了整個開口，中性面位置貼近開口下邊緣，腔室內(nèi)部無火焰燃燒，與Ren等[14]和Thomas等[15]的實驗結果一致；溢出火焰沿外立面擴展時緊貼外立面，厚度很薄，遠小于火焰高度，呈現(xiàn)出明顯的“貼壁火”燃燒狀態(tài)．

圖4 正向風作用下從開口溢出的火焰隨火源熱釋放速率的演化

圖5為溢出火焰高度隨正向風風速和火源熱釋放速率的演化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：火源熱釋放速率增大，溢出火焰高度隨之增大，這是由于更多的未燃燃料溢出、卷吸外部空氣發(fā)生燃燒；正向風風速增大，溢出火焰高度隨之減小，這是由于正向風增強了溢出火焰的空氣卷吸和向火焰內(nèi)部的供氧．

圖4和圖5說明本實驗條件下的腔室火災發(fā)展(中性面位置)以及通風機制都與無風條件下的開口位于腔室中央的火溢流有所不同．

在通風控制燃燒階段，腔室內(nèi)外存在靜壓差，驅(qū)動開口上部分“呼出”熱煙氣及未燃氣，開口下部分“吸入”冷空氣維持內(nèi)部燃燒[28]．而當開口位于腔室側墻頂部時，腔室內(nèi)的燃氣(丙烷氣)經(jīng)燃燒器釋放后具有豎直向上的初始速度，撞擊頂棚后直接通過頂部的開口溢出．因此相較于開口位于腔室中央，開口位于腔室側墻的頂部更有利于未燃氣的溢出，同時由于開口的高度較小(通風條件更加受限)，導致溢出火焰更容易充滿整個開口，這也說明所有燃料都溢出開口并在腔室外燃燒，腔室內(nèi)幾乎沒有新鮮空氣流入，從而無法支持腔室內(nèi)的火焰燃燒．溢出火焰高度與腔室的通風情況(開口尺寸)、溢出燃燒熱釋放速率有關．下一節(jié)將通過討論影響溢出火焰高度的因素與相關參數(shù)，以建立正向風作用下頂部扁平開口火溢流的火焰高度無量綱物理模型．

圖5 不同風速下溢出火焰高度隨火源熱釋放速率的變化

2.2 正向風作用下頂部扁平開口溢出火焰高度模型

結合以上討論與分析，正向風作用下頂部扁平開口火溢流火焰高度應與腔室開口尺寸、正向風風速、熱釋放速率有關：

前人[10,25]在對正向風作用下開口位于腔室中心位置時溢出火焰高度的研究表明正向風會影響溢出火焰的空氣卷吸，從而影響溢出火焰高度的演化規(guī)律，因此這里引入正向風弗勞德數(shù)[10,14]：

基于上述分析，公式(1)可以進一步改寫為公式(5)的無量綱形式：

圖6 溢出火焰高度模型

本文的主要發(fā)現(xiàn)基于小尺寸的腔室火災實驗，相較于現(xiàn)實情況進行了一定的簡化，然而在實際中建筑物火災的情況更加復雜，未來可以進行全尺寸實驗，并采用更多不同尺寸的開口和外界環(huán)境風速來模擬更貼近現(xiàn)實的建筑火災場景，以驗證本文提出的正向風作用下類似于半地下室窗口溢出火焰高度的無量綱理論模型．

3 結 論

本文利用縮尺寸腔室火災實驗平臺，通過改變正向風風速、火源熱釋放速率、開口尺寸等參數(shù)，研究了正向風作用下半地下室腔室頂部扁平窗戶開口火溢流的火焰高度．主要結論有：

(1)溢出火焰高度隨正向風風速增大而減小，隨火源熱釋放速率的增大而增大．并且實驗中觀察到溢出火焰充滿腔室開口，沿外立面擴展時呈現(xiàn)貼壁燃燒狀態(tài)．

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Window-Ejected Flame Height from Semi-Basement Compartment Under External Facing Wind

Hou Luyao，Sun Xiepeng，Yi Jiwei，Hu Longhua

(State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

Unlike the common compartment，the semi-basement usually depends on the window which is narrow and elevated to top high up on the wall near the ceiling to meet the need of lighting and aeration. Once the semi-basement is on fire，the ejected flame will have disastrous effects on the whole building above the ground，and the external facing wind will affect the facade flame as well，which still lacks researches. This paper utilized a reduced-scale fire compartment and a wind tunnel to conduct a series of simulating experiments on semi-basement fire. The ejected flame height from the window under various heat release rates and external facing wind speeds was measured. Results show that the ejected flame blocks the opening and extends flatly against the facade. The flame height increases with increasing heat release rate but decreases with increasing wind speeds. The experimental results are interpreted by the dimensionless analysis. A non-dimensional model for the flame height under various conditions is proposed.

external facing wind；semi-basement window；compartment fire；facade flame height

X913.4；P425.6

A

1006-8740(2023)03-0313-06

2022-05-11．

國家自然科學基金重點國際合作研究資助項目(52020105008)；國家自然科學基金資助項目(52206181)．

侯路遙(1997— )，女，碩士研究生，luyaohou@mail.ustc.edu.cn. Email：m_bigm@tju.edu.cn

10.11715/rskxjs.R202204012

胡隆華，男，博士，研究員，hlh@ustc.edu.cn.

(責任編輯：梁 霞)