高层建筑火灾烟气流动性状的数值模拟

收稿日期：2003-06-16 作者简介：周 慈（1970- ） ，女，河北 辛集人，讲师。本文编校：唐巧凤
救难度大。 在火灾过程中会产生大量烟气。由于遮光性、 毒性和高温的影响，火灾烟气对人员构成的威胁最 大。 烟是造成建筑物内人员死亡的主要原因。 因此， 研究火灾中烟气的产生、性状、测量方法及烟气的 运动与控制等都具有重要意义。80 年代以来，国际 上关于建筑防排烟理论，即火灾烟气流动与控制的 研究主要采用两种方法：一是开展火灾烟流试验， 通过试验来分析、认识、掌握火灾烟流规律及其控 制原理；二是采用计算机模拟的研究方法[1]。众所 周知， 火灾试验不但耗资巨大， 而且由于条件所限， 只能有针对性的进行，不能包罗万象。与之相比， 采用计算机模拟的研究方法便很有优越性。本研究
（西安建筑科技大学 材料工程学院，陕西 西安 710055）
摘 要：作者根据高层建筑火灾烟气流动的特点，应用火灾烟流模型和计算机网络模型，在 ＣＦＸ 软件支持下，对高层建筑火灾烟气流
动性状进行数值模拟，该模拟计算为高层建筑安全及火灾救援提供理论依据。通过模拟计算可以得出任意时刻高层建筑各部位的温度、 压力、烟气浓度及开口处流量。利用模拟计算结果，可以评价高层建筑整体或局部火灾安全性能，制定科学的应急救援预案，提供救 灾决策支持信息。
第4期
周
慈等：高层建筑火灾烟气流动性状的数值模拟
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采用该方法对高层建筑火灾烟流的性状和扩散过 程进行数值模拟。
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１ 火灾烟气流动的机理
j室
IRik ICi i室 k室
IRij ILij IWi(2)
建筑内烟流动的驱动力包括室内外温差引起 的烟囱效应、燃气浮力和膨胀力、风的影响、通风 系统风机的影响、电梯的活塞效应，等。烟囱效应 是建筑火灾中驱使烟气流动的主要动力。 高层建筑内大都设有多而长的竖井，如楼梯 井、电梯井、管道井、风道、电缆井、排风管道等。 在这些竖井内，由于室内、外温差较大，造成内、 外空气密度差，便产生了使气体向上或向下运动的 浮力，气体的上升或下降运动十分显著，这就是烟 囱效应 。一般将内部气流上升的现象称为正烟囱 效应，将内部气流下降的现象称为逆烟囱效应。室 外大气压 Po 与室内气压 Ps 相等（即 Po=Ps）的横 截面称为中性面。 其烟囱效应计算如下： 仅有下部开口的竖井，顶部内外压力差为 ∆Ps0 = K S 1T − 1T H S 0 竖井的上部和下部都有开口，正、逆烟囱效应 压差为
４ 结 论
（1） 通过模拟计算可以得出任意时刻高层建筑 各部位的温度、压力、烟气浓度及开口处流量，提 供救灾决策支持信息，制定科学的应急救援预案； （2）利用该数值模拟技术，再现高层建筑火灾 过程，分析火灾原因，为火灾调查或案例诉讼提供 ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ 待发表文章 ＊ ＊ 摘要预报 ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊
-1.6
240 250 260 270 280 290 300 310 320 T /K 图 １ 烟囱效应的压力计算图 Fig. 1 pressure calculation plot of stack effect
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辽宁工程技术大学学报 理论依据；
第 22 卷
３ 计算机程序的编制
根据高层建筑火灾烟气流动特性， 本研究采用 网络模型对其真实过程进行模拟。网络模型把整个 建筑物作为一个系统，而其中的每个房间为一个控 制体。网络模型可以考虑多个房间，能够计算烟流 的弥散过程和离起火房间较远区域的情况。为高层 建筑消防系统和防排烟系统的设计、施工提供信 息。根据以上所选定的计算模型，在 CFX 软件环 境的支持下，应用 Visual Basic 已编制出通用程序。
ΔPSO/h=k S(1/T0-1/TS) T=305K 300 K 294 K 289K 283K
ρc
∂T ∂ ∂T = λ ∂τ ∂ x ∂x
（3）
式中 T — 温度，K；τ — 时间，s； λ — 导热系数， W/m K； ρ —密度，kg/m3；c—比热，J/kg K。 运用图论基本原理和有限差分离散化方法，对 以上方程及方程组进行求解计算，得出建筑物内各 个房间、过道的温度、压力、流量等参数。
I CI = I Li + I Ri + I Wi + I Ai
（2）
∆Ps0 = K S 1T − 1T h s 0
式中 ∆Ps 0 — 内外压力差， Pa； H — 竖井高， m； h — 中性压力面以上距离， m； Ts — 井内温度， K； T0 — 井外温度，K；Ks—修正系数 。 图 1 给出了通常温度范围内囱效应压力值。
（3）根据模拟计算结果，可以评价高层建筑整 体或局部火灾安全性能，同时，对不同排烟方案量 化分析，优化高层建筑排烟系统。 参考文献：
[1] 黄恒栋.高层建筑火灾安全学概论[M].成都：四川科学技术出版社， 1992. [2] 霍 然,胡 源.建筑火灾安全工程导论[M].合肥：中国科学技术大学
出版社，1999. [3] 陈 维, 刘明臣(译).高层建筑火灾和防火安全[M].北京：群众出版 社，1986. [4] 严 治 军 . 建 筑 物 火 灾 烟 气 流 动 性 状 预 测 [J]. 重 庆 建 筑 大 学 学
矿区土地复垦信息系统中时态数据组织方法研究
陈秋计 ，谢宏全
１ １，２
（1.中国矿业大学北京校区， 北京 100083 ; 2. 河北理工学院，河北 唐山 063009）
摘
要 ： 基于 ＧＩＳ 建立矿区土地复垦信息系统，对矿区土地资源管理和土地复垦规划决策具有
重要意义。沉陷地土地资源信息随着煤炭的开采而不断变化，所以，矿区土地复垦空间数据库 是一个时态数据库。本文分析了采煤沉陷地土地资源动态变化的特点，在前人研究的基础上， 综合了基于事件和基于特征时空数据模型的特点， 建立了一个基于事件和特征的时空数据模型， 并进一步给出其相应的数据组织方法。在此基础上，探讨了基于该模型的时空信息查询与分析 方法。该模型可以较好地保持特征实体的完整性，数据冗余较少，适合于在现有的 ＧＩＳ 软件中 组织时空数据。
报,2001,23(1):36~41. [5] L.Y. Copper etc. An Experimental Study of Upper Hot Layer Stratification in Full Scale Multi-room Fire Scenarios[J]. Journal of Heat Transfer, 1982, (104):741.
m ji — 通过开口从 j 室流向 i 室的烟气流量， kg/s； Mi —i
室 的 质 量 发 生 速 度 M i = M com ,i + M sup, j
(Байду номын сангаас
)；
M com,i — i 室火灾时的燃烧速率，kg/s； M sup,i — 向
i 室的送风速率，m3/s ； τ — 时间， s； ρ i — i 室的 烟气密度，kg/m3； Vi —i 室的体积，×104m3； (2)室温解析
０ 前 言
近几十年来，高层建筑在世界各地蓬勃发展， 方兴未艾。现代化建筑一般都是典型的高层建筑， 在这样的场所，人员密度大，可燃物多，安全出口 较少，最大的安全隐患就是火灾。就火灾而言，烟 气中毒和窒息是造成人员伤亡的主要原因。因烟囱 效应的影响，高层建筑火灾烟气纵向蔓延速度很 快，另一方面安全出口少人员疏散困难，扑救难度 大，所以一旦发生火灾，容易造成群死群伤事故。 高层建筑的迅速发展给火灾防治带来了许多新问 题，研究和发展相应的火灾发生、发展过程及防治 新技术势在必行。 高层建筑的火灾特性为：囱效应显著，起火因 素多，受环境影响大，人员集中且难疏散，火灾扑
［２］
IWi(4)
图 2 着火室热平衡图 Fig.2 heat balance plot of fire-catching chamber
２ 火灾烟流数学模型
(1)烟气流动解析
Vi
∂ρ i = ∑ (mij − m ji ) = M i ∂τ
（1）
式中 mij — 通过开口从 i 室流向 j 室的烟气流量， kg/s；
第 22 卷第 4 期 Vol.22 No.4
文章编号：1008-0562(2003)04-0524-03
辽宁工程技术大学学报 Journal of Liaoning Technical University
2003 年 8 月 Aug. 2003
高层建筑火灾烟气流动性状的数值模拟
周 慈，杨振宏，郭进平
关键词：高层建筑火灾；烟囱效应；烟气流动；数值模拟 中图号：TU 834.27 文献标识码：A
Numerical simulation of fire smoke flow properties in high-rise building
ZHOU Ci， YANG Zhen-hong， GUO Jin-ping (College of Material Engineering,Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055,China) Abstract：According to the characteristics of high-Rise building fire smoke flow, based on CFX software, the fire smoke flow properties in high-rise building is simulated by using fire smoke flow model and network model. According to the simulation, the theory of highr-rise building fire safety and fire resuce is set up. The temperature, pressure, smoke concentration and flow-rate at a place of the high-rise building can be obtained by simulating. With the simulation results, the whole or local fire safety property in the high-rise building can be evaluated and emergency saving scheme can be scientifically made, useful information for establishing aid way is provided. Key words ： high-rise building fire ；stack effect；smoke flow；numerical simulation