纵向风对通道火灾烟气竖向分层特性的影响

风机频 率/s-1
0 12 24 24 28 0 4 8 16 20 8 16 20 8 16 20 28 16 20 24 28 32
无火时纵向风 速/(m·s-1)
,0 0.06 0.38 0.38 0.46 ,0 0.06 0.13 0.26 0.33 0.13 0.26 0.33 0.13 0.26 0.33 0.46 0.26 0.33 0.38 0.46 0.50
实验共有 22 组工况，采用不同的火源功率和纵 向风速．火源功率分别为 8.8,kW、11.8,kW、14.7,kW 和 17.6,kW，纵向风速为 0~0.7,m/s，表 1 列出了实验 工况．
表 1 实验工况
实验 编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
图 1 通道实验台示意
中打开距端部 0.,8,m 处的排风口，形成纵向风． 气体燃烧器的燃料为液化石油气，火源直径为
0.2,m，火源中心距端部 1.85,m，燃气流量由流量计控 制．由于燃烧时无明显烟颗粒生成，将适量熏香置于 火源上方的羽流中，可产生粒径 0.3,µm 左右的烟颗 粒，与实际火灾烟颗粒粒径大小相似[9]．采用激光片 光源沿纵向方向照射烟气层(见图 1)，便于更好地观 察烟气层的厚度和分层形态．
关键词：火灾；通道；纵向风；烟气层；Froude 数；激光片光源
中图分类号：X932
文献标志码：A
文章编号：1006-8740(2010)03-0252-05
Effects of Longitudinal Air Flow on Smoke Stratification in Channel Fire
Rib
=
∆bh ∆U 2
=
∆ρ gh ρ0∆U 2
=
∆Tgh T ∆U 2
(2)
式中：∆b 表示烟气层与下层冷空气的浮力差；ρ0 为
空气密度；T 表示烟气层的平均温度．
在界面附近的温度梯度和速度梯度较大．梯度
Richardson 数考虑了局部温度和速度梯度，在研究分 层流动时被广泛采用[6]，即
Rig
情况的典型实验结果，由图 3 可知，纵向风加大使得 烟气与环境的换热量加大，温升总体变低．实验 1 的 温升在竖直方向上存在突增，在某一高度范围，温升 随竖直高度的变化幅度大，而其余高度的温升变化幅 度相对较小．通过式(4)求得浮力频率随竖直高度的 变化情况(见图 4)，由图 4 可知，实验 1 在 49,cm 处 出现浮力频率的极大值，说明该处存在明显的热分层 界面．图 5 为实验 1 中烟颗粒的分层情况，烟颗粒分 层界面位于(49±1),cm 处，与热分层界面位置很吻 合．由图 5 还可以看出，烟颗粒层界面清晰、平整，烟 气与下层冷空气之间的相互扩散可以忽略．
梯度 Richardson 数；∆h 为探点之间的竖直距离；u 表
示水平流速．
实验中烟气层的雷诺数不小于 24 500，高于大多 数小尺寸通道火灾实验的 Re 数[11]，与部分全尺寸实 验的 Re 数量级相同[12]．
图 2 通道内测点布置情况
3 结果与讨论
3.1 热分层与烟颗粒分层 图 3 为稳定阶段时间平均温升随竖直高度变化
=
∂b / ∂z (∂u / ∂z)2
=
N
2 L
(∂u / ∂z)2
(3)
NL
=
⎛ ⎜⎝
−
g
∂ρl ∂z
/
ρ0
⎞1/ 2 ⎟⎠
=
⎛ ⎜ −gTa ⎝
∂
(1 / Tl
∂z
)
⎞1/ ⎟ ⎠
2
(4)
式中：b 表示浮力；NL 为局部浮力频率，是指浮力随
着竖直高度的变化率；ρl 为局部密度；Tl 为局部温
度；z 为竖直方向上的坐．
Keywords：fire；channel；longitudinal air flow；smoke layer；Froude number；laser sheet
通道建筑具有与一般建筑不同的特点，其长高比 相对较大，烟气在纵向上的蔓延过程强于在竖直方向 上的填充过程；另一方面，通道建筑特别是隧道通常 采用纵向排烟[1-2]，纵向风起到排烟作用的同时，也加 强了烟气层与下层冷空气之间的剪切．
收稿日期：2009-06-30． 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50706050). 作者简介：阳 东（1982— ），男，博士研究生，yangd@mail．ustc．edu．cn． 通讯作者：胡隆华，hlh@ustc．edu．cn．
2010 年 6 月
阳 东等：纵向风对通道火灾烟气竖向分层特性的影响
燃气流量/ (m3·h-1)
0.4 0.4 0.4 0.3 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
火源功 率/kW 11.8 11.8 11.8
8.8 11.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 11.8 11.8 11.8 14.7 14.7 14.7 14.7 17.6 17.6 17.6 17.6 17.6
Abstract：This paper experimentally investigated the effects of longitudinal air flow on the characteristics of temperature stratification and smoke density stratification in channel fires. Longitudinal air flow could cause KelvinHelmholtz instabilities of stratified flows. A relatively larger longitudinal air velocity resulted in unstable stratification, thus leading to a strong mixing between smoke layer and the fresh air and a significantly thickened smoke layer. Further studies revealed that temperature stratification and smoke density stratification were dependent upon Froude number and Richardson number. Critical conditions for instability of fire-induced stratified flows were obtained.
∆h4,9
2
(6)
B处
( ) (( ) ) Rig1 = −gTa
1 / T16 −1 / T21 / ∆h2,7 u5 − u7 / ∆h2,7 2
(7)
( ) (( ) ) Rig2 = −gTa
1 / T18 −1 / T23 / ∆h4,9 u6 − u8 / ∆h4,9 2
(8)
式中：Rig1 和 Rig2 分别表示烟气层界面上方和下方的
另一方面，烟气层具有多重定义，从组分分层的 角度上讲，可以指宏观烟颗粒组成的可视烟气层；从
温度分层的角度讲，可以指由于温度差造成的热分 层．宏观烟颗粒分层和热分层在纵向风作用下的关 系也有待研究．
1 实验设置
通道模型按 1∶8 比例设计，尺寸为 7.5,m(长)× 1.5,m(宽)×0.6,m(高)(见图 1)．通道的顶面和底面均 为 8,mm 厚的防火板，侧面为 6,mm 厚的防火玻 璃．离火源较近的通道端部封闭，另一端开启．实验
摘 要：研究了纵向风对通道火灾热分层和烟颗粒分层特性的影响．纵向风可能使通道内的分层流出现 KelvinHelmholtz 流动不稳定性，并导致烟颗粒向下部空间扩散；当纵向风较大时，烟气层的热分层稳定性被破坏，导致烟颗粒 与冷空气出现强烈掺混，烟颗粒层显著变厚．通道火灾的热分层和烟颗粒分层特性与 Froude 数或 Richardson 数关联 紧密．实验初步得到了出现 Kelvin-Helmholtz 流动不稳定和热分层不稳定的临界条件．
无纵向风时，通道内的烟气具有较好的层化结 构，烟气层与下部冷空气之间的界面清晰[3]，与冷空 气之间的质量交换较小[4]．通道内热烟气与冷空气的 流动属于分层流动的一种[5]，流体力学对于均匀分层 流的研究表明，分层流中速度剪切的加大会加剧两层 之间的卷吸和掺混[6-7]，并造成不同类型的不稳定机
制[6]，通常采用 Richardson 数或 Froude 数作为表征 均匀分层流维持稳定性的判据．Newman[5]研究了通 风作用下的通道火灾烟气层，其最大 Fr 数超过 10， Delichatsios[8]研究了 t2 火产生的顶棚射流，其最大 Fr 数可能超过 3，均超过了均匀分层流维持流动稳定性 的临界值[6-7]．但值得注意的是，均匀分层流仅在剪切 层内存在密度梯度，分层内部的参数是均匀的，而火 灾烟气层内本身存在温度梯度，因此可能具有和均匀 分层流不同的不稳定机制及临界判据．由于火灾时 人员往往经过通道向安全区域疏散，烟气层的竖向分 层特性值得关注．目前，国内外学者对于通道火灾烟
第 16 卷 第 3 期 2010 年 6 月
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燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology
Vol.16 No.3 Jun. 2010
纵向风对通道火灾烟气竖向分层特性的影响
阳 东，胡隆华，霍 然，蒋亚强，刘 帅，祝 实
(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)