《1 前言》

1 前言

建筑物发生火灾时，产生大量的烟气，国内外大量火灾实例统计数字表明，因火灾而伤亡的人群中，大多数是烟害所致。火灾中受烟害直接致死的约占1/3 ~2/3，因火烧死的约占 1/3 ~1/2，而且火烧死中也是多数受烟毒晕倒而后烧死，这足以说明火灾产生的烟气危害是何等严重。在建筑防火设计中，防排烟工程的设计具有非常重要的意义[1]。在工程设计中，为了安全可靠，设计人员大都选用机械排烟方式，但有时因受各种条件的限制，自然排烟也会成为唯一可选用的方式。在我国规范规定中[2,3]，自然排烟占有较大比重。自然排烟是利用火灾时产生的热烟气流的浮力和外部风力作用，通过建筑物的对外开口把烟气送至室外的排烟方式，这种排烟方式实质上是热烟气与室外冷空气的对流运动。

现在建筑中大都装设了喷淋系统，火灾发生后，喷淋启动，会压制火灾增长，减小火灾规模和烟气的产生，降低烟气温度和热烟气的浮力。Mawhinney[4]曾就喷淋作用对烟气的特性影响进行过研究，分析了不同的喷淋状况对火源热释放速率、辐射热流、烟气温度、氧浓度、二氧化碳、一氧化碳以及压力的影响，并就喷淋作用后对烟气的流动影响进行了分析。喷淋对烟气层冷却后，烟气温度降低，体积变小，自然填充速度变慢；但另一方面，应该注意到，烟气温度降低后，浮力减小，自然排烟量降低，会使烟气下降速度加快。目前，对于喷淋冷却与自然排烟耦合作用下烟气沉降特征，还有待进一步研究。

文章通过理论分析，建立了喷淋冷却与自然排烟耦合作用下烟气层高度的沉降模型，并结合相应实验，得到不同工况下烟气沉降高度，分析了喷淋压力对自然排烟效果的影响。

《2 喷淋冷却与自然排烟耦合作用下烟气沉降理论分析》

2 喷淋冷却与自然排烟耦合作用下烟气沉降理论分析

《2.1 自然排烟量》

2.1 自然排烟量

图 1 为设有水平自然排烟口的建筑内气体流动状况。冷空气从房间底部开口流入室内，而热烟气通过房间屋顶的水平开口排出。在工业库房中，这样的排烟设计经常遇到，底部的门为补气口，自然排烟口水平安装在库房的屋顶。通过顶部自然排烟口排出的烟气体积为[5]：

《图1》

图1  顶部水平自然排烟示意图

Fig.1  Schematic diagram of ceiling smoke venting

式（1）中， Tg 为室内烟气层的平均绝对温度，K； Ta 为室外空气的绝对温度，K；h 为烟气层厚度，m； 为排烟口下方烟气层的平均温升，K；Cd 为水平开口流量系数，取 0.7；g 为重力加速度。

从而可知排烟口的质量流量为：

    

式（2）中，AV 为排烟口面积，m2。

《2.2 喷淋冷却量》

2.2 喷淋冷却量

喷淋液滴与热烟气之间的总的对流传热量为[6]：

         

式（3）中，i  为喷淋液滴直径，μm ； ρw 为水的密度，kg/m3； Cp 为水的比热，kJ/（kg· K）；N  表示喷淋液滴的最大粒径，μm； n（i）为直径为 i  的液滴个数； Tf 为液滴到达烟气层底部时的温度，K； Tw0 为液滴的初始温度，K。

对于液滴到达烟气层底部时的温度 Tf ，可通过对单个液滴建立能量方程得到[7]：

式（4） 中， m（i） 为粒径为 i 的液滴的质量， kg； T（i）w  为粒径为 i 的液滴的初始温度； 为粒径为 i  的液滴的表面积，m2 ；T  为液滴的温度，K。

式（4）可改写为：

式（5）中，x  方向为液滴竖直向下的方向。在求解上式时采用三阶 Runge -Kutta 进行数值积分，可以算出喷淋液滴穿过烟气层时温度的变化过程。

《2.3 烟气生成量》

2.3 烟气生成量

小室中烟气生成量用 Heskestad 模型[8]计算：

式（6）中， 为烟气生成量，kg/s； 为火源的对流热释放速率，kW；Z  为烟气层高度，m； Z0 为火源的虚点源，m； Z1 为平均火焰高度，m。

虚点源的公式为：

式（8）中， 为热释放速率，kW； D  为火源等效直径，m。

平均火焰高度公式为：

《2.4 耦合喷淋冷却与自然排烟的烟气沉降模型》

2.4 耦合喷淋冷却与自然排烟的烟气沉降模型

把上部烟气层作为控制体，根据能量守恒定律，可以得到上部热烟气层的能量方程：

式（10）中， Zu 为热烟气层的厚度，m；A 为烟气沉降的平面面积，m2； ρu 为热烟气层的密度，kg/m3； Tu 为热烟气层的温度，K； Qc 为烟气羽流的对流换热率，kW；Cps 为热烟气的比热，kJ /（kg· K）；Cpa 为环境空气的比热，kJ /（kg· K）；  是卷吸进入羽流的冷空气的质量流率，kg/s； T0 为环境空气的温度，K；mV 为自然排烟量，kg/s；Qsprinkler 为喷淋冷却量，kW。

对式（10）进一步转化，可得到：

       

式（11）中，Z  为烟气层下表面距地面的高度，Z = H - Zu，m；H  为建筑的高度，m。

把式（2）代入式（11），可得到：

对于烟气的温升，可由式（13）得到：

把式（13）代入式（12），可得到烟气层高度随时间的变化模型：

《3 实验装置与实验安排》

3 实验装置与实验安排

《3.1 实验装置》

3.1 实验装置

利用中国科学技术大学 PolyU/USTC 大空间火灾实验厅内的烟气耦合实验台进行实验研究。图 2为实验台实物图。实验台分成 3 个部分：燃烧区、喷淋区和蓄烟区。其中燃烧区是一个 2.5 m（长） ×1.22 m（宽） ×2.2 m（高）的长方形小室，为了保证燃烧的稳定和充分，在燃烧小室三面的底部均留有0.4 m 高的通风口。燃烧区小室与喷淋区相连部分敞开，开口尺寸为 1.22 m（宽） ×1.8 m（高）。燃料产生的烟气首先在燃烧区小室内聚集，然后通过开口进入到喷淋小室中。喷淋小室尺寸为 4 m（长） ×2 m（宽） ×2.6 m（高），其通向蓄烟区的开口为 2 m（宽） ×2.2 m（高），喷淋小室通向蓄烟区的一侧挡烟垂壁高度为 0.4 m，使得实验时能在喷淋区形成厚度约为 1.0 m 的烟气层。 蓄烟区尺寸为 4.2 m（长） ×4.2 m（宽） ×4.2 m（高），蓄烟区三面的底部均留有 0.5 m 高的通风口，自然排烟口位于蓄烟区的中央，尺寸大小为 0.6 m ×0.6 m，排烟口面积为地面面积的 2 %，符合规范规定[2]。

《图2》

图2  烟水耦合实验台

Fig.2  Experimental bench of smoke and sprinkler

实验使用 ZSTP -15 标准普通型洒水喷头，喷口直径为 12.7 mm，流量系数 K =80，安装于喷淋区域顶部中央位置。 喷淋小室有两串 K 型热电偶，每串热电偶沿喷淋小室中心点对称布置，距端墙和侧墙的距离分别为 1.0 m。每串热电偶有 15 只，热电偶之间的间距是 0.15 m，最上端热电偶的高度为 2.6 m。为了测得准确的烟气层温度，热电偶用倒“U”型的金属薄片保护。 实验中用热线风速仪测量热烟气的速度。实验中使用可调式减压阀对喷头工作压力进行控制，精度可达 0.002 MPa。

油盘热释放速率通过一个六支点压电式称重平台测量得到。实验中，称重平台将感受到的压力变化传送到数据采集器中，然后再输入到计算机，经过转换后记录为燃料质量随时间的变化。燃烧过程中，计算机每隔 1.5 s 采集一次数据，这样整个实验过程中可以得到燃料的实时变化情况，通过其变化曲线的瞬时斜率就可求出单个油盘的质量损失速率。

《3.2 实验安排》

3.2 实验安排

在实验中，选取了 4 种不同的油盘，油盘尺寸分别为 0.25 m ×0.25 m，0.3 m ×0.3 m，0.5 m ×0.5 m，0.6 m ×0.6 m。油盘的深度为 0.05 m，实验所用的燃料为柴油，每次实验用油大约 600 mL，对于喷淋实验，在点火时同时开启喷淋，喷淋工作压力分别为 0.05，0.075 MPa 和 0.1 MPa，实验工况共 16 组，每次实验持续时间约为 600 s，具体实验工况以及实验结果见表 1。

《表1》

表1  试验工况统计及结果

Table 1  Experimental results and test conditions

《4 结果与讨论》

4 结果与讨论

在实验当中，只有上部 8 支热电偶处在烟气之中，对两串热电偶 TA 和 TB 取水平位置平均，对处于烟气层中的 8 支热电偶取空间算术平均，得到不同实验状况下烟气层平均温度随时间的变化如图 3 所示。从图 3 可以看到，在无喷淋情况下，烟气温度较高。喷淋作用后，烟气温度明显降低，但在不同压力下，温度差别不大。

《图3》

图3  热电偶平均温度随时间的变化曲线

Fig.3  Change of mean temperature of thermocouple with time

对每次实验的平均值在平滑时间段内取平均，可以得到各次实验的烟气层的平均温度。 烟气层的平均温度见表 1。

根据表 1 中的输入参数，对式（14）进行数值求解，可得到自然排烟情况下烟气层高度随时间的变化情况，烟气层高度在不同火源和不同喷淋情况下随时间的变化情况见图 4。

《图4》

图4  不同尺寸油盘不同喷淋压力下的烟气沉降

Fig.4  Smoke filling of different fires under different sprinkler pressure

喷淋对烟气层冷却之后，在自然填充情况下，烟气层下降速率变慢。 但是有自然排烟的情况下，喷淋作用后，烟气温度下降，浮力降低，自然排烟量减小，会造成烟气层下降速率同比无喷淋的情况下变大。喷淋冷却与自然排烟耦合作用下，同一火源的烟气沉降速度非常接近；自然排烟可以使烟气层稳定在一定高度，如在无喷淋情况下，对于 0.5 m ×0.5 m 油盘，烟气层高度可稳定在 3.626 5 m，对于 0.6 m ×0.6 m 油盘，烟气层高度可稳定在 3.378 8 m；喷淋冷却烟气层之后，烟气层最终稳定高度降低，但在不同压力下差别较小，如对于 0.3 m×0.3 m 油盘，烟气层最终稳定高度为 3.785 4 m；当喷淋压力为 0.05 MPa 时，烟气层最终稳定高度为 3.620 2 m，降低 4.4 %；当喷淋压力增大到 0.1MPa 时，烟气层最终稳定高度为 3.575 1 m，降低 5.6 %，两种压力下烟气层厚度的最终差别为 1.2%。

《5 结语》

5 结语

文章在自然排烟与喷淋冷却理论分析的基础上，建立了喷淋冷却与自然排烟耦合作用下的烟气层沉降模型。开展了相应的实验作为模型输入参数，得到了不同实验条件下烟气层沉降结果。结果表明，喷淋冷却与自然排烟耦合作用下，烟气沉降速度相差很小。随着压力的增大，烟气层最终沉降高度相差较小，如对于 0.3 m ×0.3 m 油盘，烟气层最终稳定高度为 3.785 4 m；当喷淋压力为 0.05 MPa 时，烟气层最终稳定高度为 3.620 2 m；当喷淋压力增大到  0.1 MPa 时，烟气层最终稳定高度为 3.575 1 m。