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火灾荷载溢出效应下高层建筑火灾烟气传输动力学特征研究

火灾荷载溢出效应下高层建筑火灾烟气传输动力学特征研究

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作者：李薇贵州大学

学位级别：硕士

随着我国城镇化建设不断推进,有限的土地资源与不断增加的城市人口二者之间的矛盾日益凸显,高层建筑已然成为当下主流,人们享受高层建筑带来生活便利的同时,也伴随着巨大的火灾威胁。高层建筑是由多个单一结构(走廊、竖井、房间)组合而... 详细信息

随着我国城镇化建设不断推进,有限的土地资源与不断增加的城市人口二者之间的矛盾日益凸显,高层建筑已然成为当下主流,人们享受高层建筑带来生活便利的同时,也伴随着巨大的火灾威胁。高层建筑是由多个单一结构(走廊、竖井、房间)组合而成,其火灾烟气流动规律较单一建筑结构更为复杂。本文设计并搭建了1:10缩尺比例火灾相似模拟实验平台,并结合FDS数值模拟分析了高层建筑火灾烟气内外传输时其动力学特征,主要有以下两方面:不同火源位置对高层建筑内部烟气流动特性影响以及高层建筑外立面烟溢流影响因素分析。具体研究内容包括:考虑到实际建筑火灾中火源位置的随机性及烟气蔓延至邻室的可能性,基于最不利原则,设计了18组实验工况开展小尺寸相似模拟实验,探究不同热释放速率、不同火源位置对火灾烟气流动的影响。研究表明:热释放速率越大,烟气传输区域内温升越高。当火源位于同一水平位置,不同起火楼层时,主要考虑烟囱效应对烟气的抽吸作用,起火楼层越高,烟囱效应强度减弱,导致水平走廊及邻室温升增大;而火源位于同一起火楼层,不同水平位置时,主要考虑火源与竖井二者之间的距离,火源水平位置越靠近竖井,烟气能更快被卷吸入竖井,使得水平走廊及邻室温升值降低。烟气从前室流入开放竖井中后,其驱动力逐渐以烟囱效应为主,热释放速率与火源位置对烟气羽流上升速率均存在影响:热释放速率越大,烟气羽流上升速率越快;起火楼层越高,羽流上升速率减慢;起火室越靠近竖井,羽流上升时间越短,上升速率加快。同时烟气在竖井上升过程中会不断与壁面发生热交换,其温度随高度增加呈指数衰减,尤其在中性面以下温度衰减幅度较为明显。基于实际高层建筑火灾中烟气亦可从着火房间破碎窗户外溢蔓延的可能,因此设计7组火灾场景,通过Pyrosim构建全尺寸模型,分析不同火源功率、不同着火房间窗口高宽比、不同正向风速对烟气溢流的影响。研究表明:上层邻室温度与CO浓度变化主要取决于烟气沿外立面蔓延时是否贴壁,而火源功率、着火房间窗口高宽比是主要影响因素。烟气沿外立面向上蔓延时,受冷空气卷吸效应影响,烟气层厚度逐渐增加,其整体温度分布呈纵向衰减,尤其在着火房间窗口之上至10m处温度衰减较为明显。不同正向风速对烟气溢流作用机制不同,风速较小时,热对流效应加强,导致外立面及上层邻室温度等测量参数呈增大趋势;风速较大时,冷空气与烟气混合加剧,外立面温度骤降,上层邻室各测量参数均保持在常温下状态。

关键词：高层建筑烟气流动特征火源功率窗口高宽比正向风速数值模拟

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