小尺寸豎井內(nèi)羽流前鋒上升時間試驗(yàn)研究

趙建賀，郜冶，霍巖，鐘偉

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

建筑物向高層發(fā)展是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的一個必然方向［1］，高層建筑物內(nèi)大都設(shè)有多而高的豎井，一旦起火，高溫?zé)煔鈺ㄟ^豎井由建筑物下層快速蔓延至頂層甚至整個建筑物.上海11.15大火在1 h內(nèi)28層樓全部過火，火勢迅速蔓延的主要原因是煙囪效應(yīng).因此有必要進(jìn)行相關(guān)研究來得到豎井內(nèi)煙氣運(yùn)動規(guī)律，為安全工程設(shè)計(jì)提供參考.

前人對非受限空間內(nèi)羽流前鋒上升時間進(jìn)行過較多研究，Tanaka等曾對非受限環(huán)境中羽流上升時間進(jìn)行過試驗(yàn)研究，建立了羽流前鋒上升經(jīng)驗(yàn)公式［2］;L.H.Hu等分別研究了自由環(huán)境下、墻邊、墻角邊油池火浮力羽流前鋒的上升時間，并推導(dǎo)了半經(jīng)驗(yàn)公式［3］;Heskestad對非受限油池火羽流前鋒上升時間研究情況進(jìn)行了總結(jié)，并對其進(jìn)行了無量綱化處理［4］.

豎井內(nèi)煙氣羽流運(yùn)動規(guī)律相對于非受限空間羽流運(yùn)動規(guī)律較復(fù)雜，因?yàn)樨Q井內(nèi)煙氣運(yùn)動受到煙囪效應(yīng)，外界冷風(fēng)引射入豎井及豎井壁面粘滯阻力等諸多因素的影響.目前對豎井內(nèi)煙氣羽流前鋒運(yùn)動規(guī)律研究較少，Tanaka等曾在開放豎井及封閉豎井內(nèi)進(jìn)行過大尺寸試驗(yàn)，并得到了無量綱羽流前鋒上升時間的經(jīng)驗(yàn)公式［2］;張靖巖等利用小尺寸豎井實(shí)驗(yàn)臺測量了開放豎井和封閉豎井內(nèi)羽流前鋒上升時間，并得到了羽流前鋒上升無量綱時間與豎井無量綱高度之間的定量關(guān)系式［5］.

本文通過小尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，對兩端開放豎井及底部封閉豎井中不同燃料條件下羽流前鋒上升時間進(jìn)行了研究，并定量描述了其運(yùn)動規(guī)律.

1 非受限環(huán)境中羽流前鋒上升時間

火羽流前鋒上升的動量方程表達(dá)式:

對流熱釋放率、溫升與羽流前鋒上升速度有如下關(guān)系:

將方程(2)～(4)代入式(1)中，可得

文獻(xiàn)［6-7］認(rèn)為高度z處的羽流截面積與羽流高度的平方成正比，且有如下關(guān)系式:

九寨情歌之所以這么有魅力，主要在于它嫻熟的運(yùn)用了比喻這種藝術(shù)表現(xiàn)手段。比喻是“嘎花”中最常見、最重要的修辭手段。在本文所舉例的所有例子，幾乎都包含比喻。雖然用花草樹木等作比喻的很多，但九寨的人們更是經(jīng)常用文學(xué)經(jīng)典來比喻，用彼情喻此情，委婉又坦率。如：

式中:rz為羽流半徑，m;β為半徑常數(shù).

NFPA 92B 認(rèn)為常數(shù) 取值在0.125 ～0.25［6］取值，L.H.Hu 等通過全尺寸實(shí)驗(yàn)確定了 β 取值為0.268［3］，G.Heskestad 綜合了 George、Kung和 Stavrianidis的測量結(jié)果［8］，認(rèn)為常數(shù) β 應(yīng)在0.104 ～0.194 取值.

通過Boussinesq假設(shè)，設(shè)定 ρz=ρ∞.將式(6)、(7)代入式(5)，并附上邊界條件(t=0 s，uz=0 m/s)，通過求導(dǎo)運(yùn)算及積分變換，得到羽流上升速度表達(dá)式:

對式(8)進(jìn)行變換后兩邊積分，得

代入邊界條件(t=0 s，z=0 m)，可得

火源的對流熱釋放率是引起熱煙氣羽流上升的主要原因，可表示為

將 g=9.8 m/s2，ρ∞=1.2 kg/m3，T∞=293 K 及Cp=1.005 kJ/kg·K代入方程(10)可得:

Tanaka等人曾在非受限空間中實(shí)施了羽流前鋒上升時間測量的實(shí)驗(yàn)［2］，火源的熱釋放率在2.6～16.3 kW，得到非受限空間羽流前鋒上升時間的半經(jīng)驗(yàn)公式:

L.H.Hu等人通過全尺寸實(shí)驗(yàn)得到了非受限空間羽流前鋒上升時間的半經(jīng)驗(yàn)公式［3］:

非受限環(huán)境內(nèi)羽流前鋒運(yùn)動規(guī)律已有了較為成熟的研究，而豎井內(nèi)羽流運(yùn)動相對于前者則有相對復(fù)雜的邊界條件，受到較多因素的影響，有必要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)對其深入研究.

2 豎井內(nèi)火災(zāi)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

此試驗(yàn)豎井尺寸高120 cm，長20 cm，寬16 cm，正面安裝塑料玻璃板以便觀察，其他三面為木質(zhì)膠合板，具體尺寸見圖1.火源布置于豎井中央，油池尺寸及燃料種類見表1及表2.熱電偶布置于豎井中心從下至上依次為T1～T10，熱電偶間距為12 cm.采用GL450溫度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為1 s.環(huán)境溫度為23℃.

試驗(yàn)分為SFA和SFB 2個系列，共分為18個條次，SFA系列為兩端開放豎井火災(zāi)試驗(yàn)，裝置示意圖見圖1，SFB為底部封閉豎井火災(zāi)試驗(yàn).2個系列試驗(yàn)的區(qū)別在于SFA系列中，豎井位于距地面2 cm的位置處，豎井底部的火源區(qū)域四面與外界相通，油池燃燒時可以從外界引射入大量冷空氣;SFB系列試驗(yàn)中，豎井直接置于地面上，外界空氣不能從豎井底部引射入豎井內(nèi).此外，2個系列試驗(yàn)的工況完全相同.

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of experimental configuration

2.2 火源和熱釋放速率

火源的質(zhì)量損失速率和熱釋放速率的關(guān)系如下:

表1 兩端開放豎井內(nèi)的熱釋放速率Table 1 The heat release rate for two-end-open shaft model

表2 底部封閉豎井內(nèi)的熱釋放速率Table 2 The heat release rate for bottom-end-closed shaftmodel

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

文獻(xiàn)［3］中，觀察者通過目測方法來判斷煙氣羽流前鋒隨時間所到達(dá)的高度;Tanaka通過熱電偶的突然溫升來判定羽流前鋒的到達(dá)時間［2］，但在靠近火源的位置此種方法可能由于火焰的熱輻射造成誤判;張靖巖等［5］通過N-百分比法來判斷煙氣前鋒的位置;本文也依據(jù)N-百分比法［9］，通過計(jì)算，認(rèn)為當(dāng)豎井中某高度處熱電偶溫升達(dá)到15℃時，煙氣羽流前鋒到達(dá)此處.由于熱電偶T1在火源正上方，且靠近火焰，火焰常對T1造成沖刷，不能正確反映熱煙氣的溫度，羽流上升時間不易判斷，所以取T2～T10的溫度數(shù)據(jù)作為分析熱煙氣溫度的依據(jù).

由圖2可以看出，相同條件下，兩端開放豎井內(nèi)煙氣溫度遠(yuǎn)小于底部封閉豎井內(nèi)煙氣溫度，這是因?yàn)樵跓焽栊?yīng)作用下，開放豎井底部大量冷空氣被引射入豎井內(nèi)部，冷空氣與熱煙氣混合后降低了豎井內(nèi)部溫度，而且開放豎井較底部封閉豎井在煙囪效應(yīng)作用下煙氣快速上升.

圖2 熱電偶溫升及羽流前鋒分界面的確定Fig.2 Determination of temperature rise and plume front interfaces

圖3為不同燃料，不同火源功率條件下開放豎井內(nèi)羽流前鋒上升時間與熱釋放速率之間的關(guān)系，對試驗(yàn)結(jié)果線性擬合后平均，可得上升時間與熱釋放速率的－5/4次方成正比.

圖4為不同燃料，不同火源功率條件下兩端開放豎井內(nèi)羽流前鋒上升時間與高度之間的關(guān)系，對試驗(yàn)結(jié)果線性擬合后平均，可得上升時間與高度的1/2次方成正比.基于圖3、4的結(jié)果可知:

由圖5可求得，所以兩端開放豎井中羽流前鋒上升時間的表達(dá)式可以寫成:

圖3 開放豎井中羽流前鋒上升時間與熱釋放速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between travel time and heat release rate in open shaft

圖4 兩端開放豎井中羽流前鋒上升時間與高度的關(guān)系Fig.4 Relationship between travel time and height in two-end-open shaft

圖5 試驗(yàn)系數(shù)Fig.5 Experimental coefficient

與開放豎井的分析方法類似，由圖6可得，在底部封閉豎井中，羽流前鋒上升時間與火源熱釋放速率成－3/4次方的關(guān)系;由圖7可得羽流前鋒上升時間與高度成4/3次方的關(guān)系.基于圖6和圖7的結(jié)果可知:

圖6 底部封閉豎井中羽流前鋒上升時間與熱釋放速率的關(guān)系Fig.6 Relationship between travel time and heat release rate in bottom-end-closed shaft

由圖8可求得Cs2=15.46，所以底部封閉豎井中羽流前鋒上升時間的表達(dá)式可以寫成:

同時隨著高度z的增大，羽流前鋒上升時間在兩端開放豎井與底部封閉豎井中的差值逐漸變大;該圖還說明隨著熱釋放速率的增大，羽流前鋒到達(dá)相同高度的時間會逐漸縮短，且上升時間的變化速率逐漸降低.

如圖9所示，根據(jù)得到的羽流前鋒上升時間半經(jīng)驗(yàn)公式(19)、(21)，本文對羽流前鋒到達(dá) z=2.0 m及z=4.0 m高度處的上升時間進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)到達(dá)同一高度處兩端開放豎井中羽流前鋒上升時間明顯小于底部封閉豎井中羽流前鋒上升時間，說明煙囪效應(yīng)大大加速了開放豎井中羽流的上升.

圖7 底部封閉豎井中羽流前鋒上升時間與高度的關(guān)系Fig.7 Relationship between travel time and height in bottom-end-closed shaft

圖8 試驗(yàn)系數(shù)Fig.8 Experimental coefficient

圖9 羽流前鋒上升時間比較Fig.9 Comparison of travel time

3 結(jié)論

本文測量了兩端開放豎井和底部封閉豎井火災(zāi)中羽流前鋒的上升時間，在測點(diǎn)溫差達(dá)到15℃條件下，認(rèn)為羽流前鋒到達(dá)該位置.試驗(yàn)表明在煙囪效應(yīng)作用下，羽流在開放豎井中能夠快速上升.通過小尺寸試驗(yàn)分析得到了兩端開放豎井與底部封閉豎井中羽流前鋒上升時間半經(jīng)驗(yàn)公式，分別為 t=8.96Q·－5/4z1/2和 t=15.46Q·－3/4z4/3.

開放豎井內(nèi)煙氣上升除受到自身浮力外，還受到煙囪效應(yīng)內(nèi)外壓差的作用，針對本課題，需要進(jìn)一步研究煙囪效應(yīng)與浮力等決定因素對開放豎井內(nèi)羽流上升的影響權(quán)重.

［1］霍然，胡源，李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論［M］.2版.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009:370-375.

［2］TANAKA T，F(xiàn)UJITA T，YAMAGUCHIJ.Investigation into rise time of buoyant fire plume fronts［J］.International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes，2000，2(1):14-25.

［3］HU L H，LIY Z，HUO R，et al.Experimental studies on the rise-time of buoyant fire plume fronts induced by pool fires［J］.Journal of Fire Sciences，2004，22(1):69-86.

［4］HESKESTAD G.Rise of plume front from starting fires［J］.Fire Safety Journal，2001，36(2):201-204.

［5］張靖巖，李元洲，霍然，等.豎井中羽流前鋒上升時間的實(shí)驗(yàn)研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2006，6(2):111-114.ZHANG Jingyan，LI Yuanzhou，HUO Ran，et al.Experiment study on the rise-time of fire plume fronts in the vertical shaft［J］.Journal of Safety and Environment，2006，6(2):111-114.

［6］NFPA 92B，Guide for smoke management systems in malls，atria and large areas［S］.Quincy，MA，USA:National Fire Protection Association，2000.

［7］KARLSSON B，QUINTIERE JG.Enclosure fire dynamics［M］.［s.l.］:CRC Press，1999:47-80.

［8］HESKESTAD G.Virtual origins of fire plumes［J］.Fire Safety Journal，1983，5(2):109-114.

［9］COOPER L Y，HARKLEROAD M，QUINTIERE J，et al.An experimental study of upper hot layer stratification in full-scale multiroom fire scenarios［J］.Journal of Heat Transfer，1982，104:741-749.