知识点：建筑火灾的烟气蔓延

　　(一)烟气的扩散路线

　　当高层建筑发生火灾时，烟气在其内的流动扩散一般有3条路线：

　　第一条，也是最主要的一条是：

　　着火房间——走廊——楼梯间——上部各楼层——室外;

　　第二条是：着火房间——室外;

　　第三条是：着火房间——相邻上层房间——室外。

　　1.着火房间内的烟气流动

　　火灾过程中，由于热浮力作用，燃烧产生的热烟气从火焰区直接上升到达楼板或者顶棚，然后会改变流动方向沿顶棚水平扩散。由于受冷空气掺混以及楼板、顶棚等建筑围护结构的阻挡，水平方向流动扩散的烟气温度逐渐下降并向下流动。逐渐冷却的烟气和冷空气流向燃烧区，形成了室内的自然对流流动，火越烧越旺。着火房间内顶棚下方逐渐积累形成稳定的烟气层。

　　描述室内烟气流动特点和规律涉及几个重要的概念，包括烟气羽流、顶棚射流、烟气层沉降，以下作简单介绍

　　(1)烟气羽流。在一般的建筑房间内，内部物品多为固体。当可燃固体受到外界条件的影响开始燃烧时，首先发生阴燃。当达到一定温度并且有适合的通风条件时，阴燃便转变为明火燃烧。明火出现后，可燃物迅速燃烧。燃烧中，火源上方的火焰及燃烧生成的流动烟气通常称为火羽流

　　在燃烧表面上方附近为火焰区，它又可以分为连续火焰区和间歇火焰区。而火焰区上方为燃烧产物即烟气的羽流区，其流动完全由浮力效应控制，一般称其为烟气羽流或浮力羽流。由于浮力作用，烟气流会形成一个热烟气团，在浮力的作用下向上运动，在上升过程中卷吸周围新鲜空气与原有的烟气发生掺混。

　　(2)顶棚射流。当烟气羽流撞击到房间的顶棚后，沿顶棚水平运动，形成一个较薄的顶棚射流层，称为顶棚射流。由于它的作用，使安装在顶棚上的感烟探测器、感温探测器和洒水喷头产生响应，实现自动报警和喷淋灭火。

　　当顶棚射流的热烟气通过顶棚表面和边缘的开口排出，可以延缓热烟气在顶棚以下积聚。热烟气羽流经撞击顶棚后形成顶棚射流流出着火区域。由于热烟气层的下边界会水平卷吸环境空气，因此热烟气层在流动的过程中逐渐加厚，空气卷吸使顶棚射流的温度和速度降低。另外，当热烟气沿顶棚流动时，与顶棚表面发生的热交换也使得靠近顶棚处的烟气温度降低。

　　研究表明，假设顶棚距离可燃物的垂直高度为H，多数情况下顶棚射流层的厚度约为距离顶棚以下高度h的5%~12%，而顶棚射流层内最大温度和最大速度出现在距离顶棚以下高度h的1%处。顶棚射流的最大温度和最大速度值是估算火灾探测器和喷头热响应的重要基础。

　　(3)烟气层沉降。随着燃烧持续发展，新的烟气不断向上补充，室内烟气层的厚度逐渐增加。在这一阶段，上部烟气的温度逐渐升高、浓度逐渐增大，如果可燃物充足，且烟气不能充分地从上部排出，烟气层将会一直下降，直到浸没火源。由于烟气层的下降，使得室内的洁净空气减少，烟气中的未燃可燃成分逐渐增多。如果着火房间的门、窗等开口是敞开的，烟气会沿这些开口排出。根据烟气的生成速率，并结合着火房间的几何尺寸，可以估算出烟气层厚度随时间变化的状况发生火灾时，应设法通过打开排烟口等方式，将烟气层限制在一定高度内。否则，着火房间烟气层下降到房间开口位置，如门、窗或其他缝隙时，烟气会通过这些开口蔓延扩散到建筑的其他地方。

　　2.走廊的烟气流动(略)

　　3.竖井中的烟气流动(略)

　　(二)烟气流动的驱动力

　　烟气流动的驱动力包括室内外温差引起的烟囱效应，外界风的作用、通风空调系统的影响等。

　　1.烟囱效应

　　当建筑物内外的温度不同时，室内外空气的密度随之出现差别，这将引发浮力驱动的流动。如果室内空气温度高于室外，则室内空气将发生向上运动，建筑物越高，这种流动越强。竖井是发生这种现象的主要场合，在竖井中，由于浮力作用产生的气体运动十分显著，通常称这种现象为烟囱效应。在火灾过程中，烟囱效应是造成烟气向上蔓延的主要因素。

　　2. 火风压

　　火风压是指建筑物内发生火灾时，在起火房间内，由于温度上升，气体迅速膨胀对楼板和四壁形成的压力。火风压的影响主要在起火房间，如果火风压大于进风口的压力，则大量的烟火将通过外墙窗口，由室外向上蔓延;若火风压等于或小于进风口的压力，则烟火便全部从内部蔓延，当它进入楼梯间、电梯井、管道井、电缆井等竖向孔道以后，会大大加强烟囱效应。

　　烟囱效应和火风压不同，它能影响全楼。多数情况下，建筑物内的温度大于室外温度，所以室内气流总的方向是自下而上的，即正烟囱效应。起火层的位置越低，影响的层数越多。在正烟囱效应下，若火灾发生在中性面以下的楼层，火灾产生的烟气进入竖井后会沿竖井上升，一旦升到中性面以上，烟气不单可由竖井上部的开口流出来，也可进人建筑物上部与竖井相连的楼层;若中性面以上的楼层起火，当火势较弱时，由烟囱效应产生的空气流动可限制烟气流进竖井，如果着火层的燃烧强烈，则热烟气的浮力足以克服竖井内的烟囱效应，仍可进人竖井而继续向上蔓延。

　　因此，对高层建筑中的楼梯间、电梯井、管道井、天井、电缆井、排气道、中庭等竖向孔道，如果防火处理不当，就形同一座高耸的烟囱，强大的抽拔力将使火沿着竖向 孔道迅速蔓延。

　　3.外界风的作用

　　风的存在可在建筑物的周围产生压力分布，而这种压力分布能够影响建筑物内的烟气流动。建筑物外部的压力分布受到多种因素的影响，其中包括风的速度和方向、建筑物的高度和几何形状等。风的影响往往可以超过其他驱动烟气运动的力(自然和人工)。一般来说，风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较髙滞止压力，这可增强建筑物内的烟气向下风方向的流动。

　　烟气在水平方向的扩散流动速度较小，在火灾初期为0.1~0.3m/s，在火灾中期为0.5~0.8m/s。烟气在垂直方向的扩散流动速度通常为1~5m/s。在楼梯间或管道竖井中，受“烟囱效应”影响，烟气上升流动速度可达6~8m/s，甚至更高。

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