在建高层建筑火灾轰燃与烟囱效应数值模拟研究

发布时间：2020-07-06 15:12

【摘要】：伴随着我国经济的高速发展,城市化进程的不断加快,高层建筑层数及其高度的增加,致使建造难度越来越大,其中的火灾安全问题对生命财产构成了极大的威胁。与既有高层建筑相比,在建高层建筑在施工过程中,工程建设周期长、联合参与主体多、工作界面复杂,导致存在更多消防安全隐患。综合考虑在建高层建筑火灾燃烧的特性,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究火灾特征值及其变化规律,对预防在建高层建筑火灾及指导救援灭火工作具有重要的意义与价值。论文的主要内容包括以下几个方面:首先,根据在建高层建筑的火灾特点,确定火灾轰燃与烟囱效应的理论基础。通过描述火灾轰燃的烟气运动状态、临界条件与判据,引入轰燃非线性动力学分析方法。对烟囱效应进行分类,分析竖井内烟气的压强分布,阐述了竖井中性面Klote模型。其次,在建高层建筑火灾轰燃现象的突变研究。建立在建高层建筑火灾能量守恒方程,经量纲归一化与微分同胚变换后,得到属于燕尾突变的势函数。根据突变系统的控制变量分岔集曲线,计算出在建高层建筑火灾轰燃时上层烟气的临界温度。第三,构建了在建高层建筑竖井温度及中性面计算模型。通过分析在建高层建筑的竖井特征,针对烟气的蔓延特性,推导了上部开口及侧向连续开口的竖井温度模型。根据温度在竖井内连续分布的特点,建立竖井中性面模型,分析研究结果得到了烟囱效应的影响因素。最后,建立在建高层建筑火灾数值模拟模型。利用模拟软件FDS对在建高层建筑不同施工场景进行火灾仿真模拟,分析不同可燃物、不同通风风速以及不同火源点位置对火灾热释放速率、温度、烟气可见度及CO浓度等火灾特征值的变化规律,验证了火灾轰燃与烟囱效应现象。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU998.1
【图文】：

曲线,建筑火灾,发展过程,轰燃

表现为曲线发生一个突跃现象，轰燃发生后，有限空间的火势将很难控制。图2.1 建筑火灾发展过程火灾的剧烈燃烧主要发生在轰燃阶段与充分发展阶段，轰燃发生之后，火灾的燃烧强度继续增加，火灾的范围随着热量传递和可燃物分解而继续扩大，热释

区域空间,烟气运动,热烟气

（a）羽流射流阶段（b）顶棚射流阶段（c）烟气填充阶段（d）烟气发展阶段图2.2 区域空间烟气运动的不同阶段羽流射流阶段：当区域空间内下层的可燃物开始燃烧时，热烟气的浮力作为控制力起主导作用向上蔓延，高温烟气逐渐在顶棚下积聚，形成上部的热烟气层。顶棚射流阶段：当热烟气层在上部积累一定厚度后，热烟气的浮力和扩散作用起主导作用，在顶棚射流的作用下不断向两侧扩展，热烟气层的下边界在流动过程中发生空气卷吸，不断混合空气使烟气层逐渐加厚。热烟气填充阶段：热烟气层在顶棚射流的作用下到达区域空间侧壁，撞击侧壁产生更多能量辐射，热量不断向下传递给可燃物，促使更多可燃物燃烧，产生的烟气逐渐充满整个上层空间。烟气层发展阶段：随着烟气层和可燃物之间的热辐射越强烈

平衡曲线,热损失,竖井,烟囱效应

火灾进入完全发展阶段。图2.3 热增益与热损失的平衡曲线图2.3 烟囱效应理论基础2.3.1 烟囱效应原理在建高层建筑内存在有许多未封闭的楼梯井、电梯井等竖向结构，当发成火灾时，烟气蔓延进入竖井结构中，这些竖向通道就像一座座高烟囱，加速了烟气的扩散[4]。烟气在竖井内聚集使得竖井内温度高于竖井外，热烟气的密度小，因此在浮力作用下沿着垂直通道自然上升，从上层的洞口处渗出，在竖井内外气体密度差引起的压力差的作用下，冷空气从低层渗入，从而形成烟囱效应[45]。烟囱效应是由于竖井内外温差形成的压力差以及竖井外风压共同作用所产生的现象，以压力差为主要驱动力，压力差与竖井内外温差产生的气体密度差及竖井上下开口之间的高度差成正比[46]，假设竖井底部及顶端开口，则竖井顶部的内外压差HC .O P可表示为：.( )HC O O C P gH（2-9）式中：O 为竖井外气体的密度；C 为竖井内气体的密度；g 为重力加速度常数?

【参考文献】