小面积房间与走廊中烟雾运动特点的模拟分析

李俊峰

(山东临邑县公安消防大队，山东 德州 251500)

通常楼房内着火，会因火势的蔓延，使整个走廊内烟气弥漫，向楼梯内扩散，而后经门窗流走。火灾发生初期消防人员极易控制火情也能够尽快疏散被困人员，是确保人身安全的最佳时段。掌握该时段内烟气的流向特点，消防人员才能对失火房间作出准确的判断，按照楼梯、走廊、失火房间的行进步骤采取救护措施及灭火工作。因此，针对室内及走廊的烟气流向特点，合理设计通风排烟系统、安全设置人员疏散预案以避免楼房内烟气的弥漫，降低火灾导致的人身伤亡和经济损失。故而以模型房间为例，对火灾初始屋内及走廊内烟气流向特点作了进一步探讨。

一 烟气流动理论分析

1.室内烟气流向特点

楼房内起火时，失火房间内的空气被加热升温，燃烧所产生的烟雾及释放的气体与周围空气密度同比要低，因而会浮于空气上方，当升至屋顶后流向即刻变为斜向下运动，此即为顶棚射流。屋顶和墙壁在一定程度上制约着热烟气的四散，从而使得热烟气上升汇聚在顶棚附近，最终形成热烟气层，热气层的厚度不断的增加，当它的体积占据屋门以上的空间并超出屋门上面的边框时，便会有部分热烟气形成射流从屋门流向走廊。

2.走廊烟气流向的特征

以射流形式从居室流入走廊的热烟气会形成一个个的浮力羽流并不断地碰撞走廊的顶棚，而且此时着火的房间会产生一个小的射流并向外排出。射流速度要比冷空气和热烟气交界处的重力波速度快得多，在交界处，冷空气和热烟气的末端和前缘相互冲击从而产生了跳跃气体。跳跃气体吸收了大量的环境空气，此时在它下面的热烟气流动的速度逐渐变慢，质量流量由于处于跳跃状态时吸收了大量气体而增加。热烟气撞击到走廊顶棚之后便四散蔓延，直到充满整个顶棚。当热烟气触到顶棚边缘的墙壁上时，就会被反弹回来，反弹回来的热烟气沿着分界面流动，最终折回着火的房间。但持续反弹过程中并没有大量环境空气可吸收。一般反弹回来的热烟气在流动到着火房间门口周围的跳跃点时，就会把跳跃气体吞噬，而且去除了这个点对底层冷空气的吸收，反弹活动进行几次之后，就会逐渐削弱最终消失，走廊顶棚的热烟气一般厚度均匀，热烟气从着火房间流出进入走廊，汇集到走廊顶棚，使其厚度不断增加，并沿着建筑物的顶层四散开去。

(1)制作实验物理模型。制作房间到走廊的烟气流动模型。为了在试验中更容易更清晰地观察，我们一般选取耐高温的透明有机玻璃作为模型的原材料，制作中，我们必须保证模型的密封性，从而防止烟气的散失，杜绝外界环境的的干扰，使火焰在房间的中间位置保持不变。

(2)实验的过程和解析。实验的目的是分析火灾初始阶段烟气的流动特点，因此我们一般选用燃烧时产烟率较高的橡胶制品作为火源的原材料，点燃时，为了方便引燃橡胶制品，可以在其周围卷上一层海绵。我们把火源放到模型着火房间底部的中心位置，当实验开始进行时，我们通过模型窗口把点燃的火柴伸进模型房间引燃海绵。实验开始后，需要把模型房间的窗户紧闭，并封闭走廊的末端。在点燃火源后的15s、30s、60s的时刻，分别记录房间和走廊中烟气的状态。火源熄灭以后，将走廊末端的密闭挡板拿开，从而了解不同时间段的烟气流动情况。

从实验的现象可以知道：火源被点燃之后，会产生大量烟气，这些烟气上升至房间顶部后，与顶棚发生碰撞改变流动方向，与顶棚成各种角度斜向下流动，从而形成顶棚射流。热烟气的蔓延受到房间在空间上的限制，它们汇集在房间顶部形成热烟气层，这时候我们可以清晰的看到房间内显示的分层现象。燃烧一直持续的情况下，热烟气层的厚度也在不断的增大，当厚度达到一定程度，占满屋门上端至顶棚的空间，就会有部分热烟气从房间排除，形成烟气羽流。从房门上边框以射流形式流入走廊，其会变为一个浮力羽流并与走廊顶棚发生碰撞，从而形成顶棚射流。热烟气在走廊顶棚不断地四散蔓延，致使走廊也出现鲜明的分层现象，流动的热烟气的前端与所触到的环境冷空气相互碰撞从而产生跳跃气体，且持续着跳跃状态。

3.网络数值模拟

网络模型和实验模型的尺寸保持统一。制作模型时，建造的模型实体必须以长方体作为最小单元，它并不具有可以建造倾斜模型实体、弧状模型实体的特殊功效。我们利用分解的方法对不规则形状的实体进行研究，通过把某个不规则形状的实体分解成多少个小立方体单元来创建，小立方体单元被分解的数量越多，最后制造的实体与原实体就会越接近。

二 结论

(1)火灾发生的初级阶段对小尺寸房间到走廊的烟气流动特征进行理论分析探索、实验模型模拟、网络模型模拟。且三种研究方式的结果具有一致性。从而我们可以得知，各类各样的建筑物其火灾场景的烟气流动特点都可以利用与房屋成比例的模型和网络模拟方式进行形象的展示，从而使研究者以及设计人员避免盲目设计，增强建筑防排烟设计的针对性和有效性。

(2)比例模型房间到走廊的烟气流动特点：火灾发生时，由于热能的作用使有毒的气体呈直线向上高速上升，从而形成火羽流，毒烟气上升至房间顶棚后四散蔓延，即产生了顶棚射流;燃烧一直持续的情况下，会制造更多的热烟气，房间顶部的热烟气层厚度不断增加，体积不断扩大，当烟气层充满整个房间顶部，且抵达屋门上边框时便会从屋门上檐以烟气羽流的形式射出，此烟气羽流进入走廊后与走廊顶棚撞击会形成顶棚射流，且这个位置的热烟气流速较大。热烟气在走廊顶棚四散流动，最后与走廊尽头的墙壁发生碰撞，然后被反弹回来至分界面，这样的反弹在持续发生几次后会不复存在，最后热烟气会占满整个房间以及走廊。

［1］孙萌阳.基于物理模型的烟雾模拟技术的研究［D］.新疆大学.2010

［2］翟松青.脉动风场中烟雾模拟方法的优化研究［D］.燕山大学.2010