朱 杰，黄冬梅，张立龙，李 俊

（1.四川师范大学消防工程研究所，成都，610101；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3.西南交通大学消防工程系，成都，610031）

室外风作用下竖井结构内火灾烟气运动规律研究

朱 杰1，黄冬梅2，张立龙3，李 俊3

（1.四川师范大学消防工程研究所，成都，610101；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3.西南交通大学消防工程系，成都，610031）

室外风是影响高层（超高层）建筑火灾蔓延的主要因素。通过数值模拟六个不同火灾场景温度场、能见度及CO浓度场变化过程，定量总结了不同风向、风速条件下侧向全开竖井结构内烟气运动规律。模拟结果发现，迎面风作用下，竖井内会产生较高滞止压力，中性面位置上升，上部烟气加速向竖井下部蔓延，下部烟气通过开口排出；背面风作用下，中性面位置下降，竖井顶部、侧面及开口面会形成空气动力阴影区且呈负压，火灾烟气从开口向外蔓延；侧向风作用下，竖井开口产生切向力封闭作用，火灾烟气主要在竖井结构内蔓延。一定速度室外风能够较强改变竖井内烟气蔓延规律，建议在进行高层（超高层）建筑设计时，参考当地常年主导风向进行外窗位置设计。

室外风向；竖井高度；烟气运动；温度；FDS场模拟

0 引言

高层（超高层）建筑凌驾于城市上空，承受着高空强劲的风力［1］。火灾情况下，室外风往往可以超过其它驱动力成为影响其火势蔓延的主要因素，竖井结构内尤为突出。为了减少此类影响，需要深入分析、动态掌握不同风向、风速条件下高层建筑竖井结构内烟气运动规律，进而为高层（超高层）建筑实际防排烟设计及人员疏散提供理论基础及实际指导依据。

目前，国内外关于竖井结构内烟气运动规律研究取得了一些基于一定假设条件下的研究成果，但很少有专门针对高层建筑竖井结构内烟气驱动力研究，尤其针对室外风作用下竖井结构内的烟气运动规律研究更是鲜见报道［2－13］。本研究采用数值模拟的方法，模拟六个不同火灾场景下竖井结构内温度场、能见度及CO浓度场变化过程，最终定量总结了不同风向、风速条件下，不同高度侧向全开竖井结构内烟气运动规律，为工程实践应用提供理论支撑。

1 研究方法及实施

1.1 几何模型

以1：10的小尺寸多层竖井现场实验模型为原型，FDS几何场模型如图1所示，其尺寸为：长×宽×高＝780mm×300mm×2700mm，前室部分尺寸为：长×宽×高＝240mm×300mm×2700mm，竖井部分尺寸为：长×宽×高＝540mm×300mm×2700mm。前室每隔270mm设置隔板，在高度方向上将其分为10个独立的空间，前室及竖井之间开口及前室与室外之间开口尺寸为：宽度×高度＝90mm×140mm，火源置于前室内，在不同工况时选择开启或关闭前室与竖井之间开口。

1.2 分析项目及初始条件

竖井中部及前室与竖井之间共设置20个测点，测定模拟过程中温度、CO浓度、能见度及气体速度变化情况，测点位置如图2所示，竖井内测点由下向上依次编号为1～10，前室与竖井之间测点由下向上依次编号为11～20；在Y＝0.15m处设置截面测定该处温度场、速度场、能见度、CO浓度场变化情况，截面位置如图2所示。

图1 竖井几何模型Fig.1 Geometric model of shaft

图2 监测断面布置图Fig.2 Layout for monitoring cross-section

研究中压力取常压101.325kPa，竖井内外温度、火源面积取现场实验对应场景实测值，使用煤油作燃料。根据相关计算参数及计算方法计算可知，当火源功率为最小为2.1kW时所需的最大网格尺寸仅为0.005m，当火源功率最大为17.9kW时所需的最大网格尺寸仅为0.012m，综合考虑各种计算的精确性及计算机性能的限制，本研究采用的网格划分为0.005m×0.005m×0.005m。

1.3 火灾场景选择

室外风向取迎风面、背风面、侧面三个，风速通过改变竖井所处高度改变，竖井所处高度设定为两个，分别为高度20m和40m，设定软件中相关参数，其风速由软件自定，火源位于A1（指一层）前室中央，竖井开口全部开放，火源面积为5.02×10－3m2，高度10m处风速取为5m／s，高度20m处风速取为7m／s，高度40m处风速取为10m／s。不考虑烟囱效应的影响，竖井内外温度均设置为28℃，设定火灾场景如表1所示：

表1 室风影响的火灾场景设置Table 1 The setting of fire scene under external wind

2 模拟结果与分析

在处于一定高度，竖井受到近地风场影响的情况下，不考虑烟囱效应对烟气蔓延作用的影响，研究外界风向、风速对竖井内烟气运动的影响，模拟时间取400s，模拟结果如下所示，各小图中标题表示依次为：图分类（wind）＿测定参数（temp）＿风向（windward）＿图号（a～c）。

2.1 竖井所处高度为20m时竖井内测点处温度变化规律

竖井内各测点处温度差变化情况如图3所示。

由图3可知，当竖井所处高度一定时，不同风向对竖井内烟气蔓延的影响较大：当竖井开口位于背风面及侧面时，竖井内达到的最大温度均为140℃左右；当竖井开口处于背风面时，如图3-a所示，竖井内温度持续上升，且其中1、2号测点处温度高于其它测点处；当竖井开口处于迎风面时，如图3-b所示，竖井内2号～10号测点处温度保持其初始温度，仅1号测点处温度在模拟过程中有一定升高，且升高值不大，这是因为近地风场随着高层的增加风速逐渐增大，竖井上部风速大于竖井下部风速，在强大的自上而下的风压作用下，使得外界空气由竖井上部流入，由下部流出；当竖井开口处于侧面时，如图3-c所示，竖井内各测点处温度均有一定升高，各测点温度值瞬间波动较大。

图3 高度为20m时竖井内测点处温度变化曲线Fig.3 Temperatures at measuring points in shaft at 20m

2.2 竖井所处高度为20m时竖井内测点处能见度变化规律

竖井内各测点处能见度变化情况如图4所示。

由图4可知，风向对竖井内能见度的影响大小为迎风面＞侧面＞背风面：当竖井开口位于背风面时，如图4-a，模拟时间开始后3s，2号测点处能见度即开始降低，120s时竖井内能见度基本降低至10m以下，6号测点及2号测点处能见度值跳跃较大，其它测点处能见度值基本保持平稳下降趋势；当竖井开口处于迎风面时，如图4-b，竖井内各测点处能见度在整个模拟过程中均保持在30m，说明在强大的自上而下的风压作用下，竖井内烟气在底部已基本排出，中上部基本无烟气进入；当竖井开口处于风向侧面时，如图4-c，竖井内各测点处能见度保持平稳下降，且很快下降到5m以下。

图4 20m时竖井内测点处能见度变化曲线Fig.4 Visibility at measuring points in shaft at 20m

2.3 竖井所处高度为20m时竖井内测点处CO浓度变化规律

竖井内各测点处温度差变化情况如图5所示。

由图5可知，在火源面积为5.02×10－3m2，有风的情况下，竖井内CO浓度极低，但不同风向条件下引起的竖井内各测点处CO浓度上升情况差异较大：当竖井开口处于背风面时，如图5-a所示，竖井内CO浓度持续上升，400s时达到最大值，最大值为2号测点376s时刻58.9ppm；当竖井开口处于迎风面时，如图5-b所示，在强大的自上而下的风压作用下，竖井内各测点处CO浓度基本没有升高，仅1号测点处23s时浓度有略微升高；当竖井开口处于侧面时，如图5-c所示，竖井内各测点处CO浓度先升后降，300s时10号测点处升高到最大值7.9ppm。

图5 20m时竖井内测点处CO浓度变化曲线Fig.5 CO concentration at measuring points in shaft at 20m

2.4 竖井所处高度为20m时竖井内100s时温度速度场分布

在Y＝0.15m处设置截面，监测该截面处温度场及速度矢量变化情况，100s时竖井内温度场速度矢量变化情况如图6所示。

图6 竖井所处高度为20m时竖井内100s时温度和速度矢量场Fig.6 Velocity vector and temperature fields at 100sin shaft at 20m

由图6可知，当竖井开口处于背风面时，由于在背风面，即竖井顶部、侧面及开口面形成空气动力阴影区，在此区域形成负压，且空气呈旋转运动；同时发现中性面位置有所下降；由于随着高度的增加风速不断增大，图6-a中短线不断增长，这就促进了烟气的竖井中的蔓延，使竖井中烟气大量由顶部开口排出100s时刻竖井上部温度为33.20℃，局部区域为41.06℃。

当竖井开口处于迎风面时，竖井内会产生较高滞止压力，发现中性面位置有所上升。在强大的风力的作用下中性面以上开口外界空气不断进入，使竖井内部形成类似逆烟囱效应的烟气流动规律，A1前室处的火源产生的烟气直接排出竖井前室外，故竖井内部温度、能见度及CO浓度均变化不大，如图6-b所示。

当竖井开口处于侧面时，竖井上下开口处均未看见气体的流入或者流出，可见侧面的风在竖井开口的面存在切线方向上的力，阻止了外界空气的流入及竖井内烟气的流出，且随着模拟时间的推移，A1前室内火源的燃烧逐渐由燃料控制转变为通风控制，从而使A1前室内燃烧速率增到最大后逐渐减小，100s时刻上部温度为34.77℃，如图6-c所示。

2.5 竖井所处高度为40m时竖井内测点处温度变化规律

竖井处于40m高度处其内部各测点处温度差变化情况如图7所示。

由图7可知，当竖井开口处于背风面和侧面时，竖井内温度上升较快，但是当竖井开口处于背风面时，竖井内测点处温度升高到最大值后开始降低，最大值为1号测点处357s出现的180℃，如图7-a所示；当竖井开口位于迎风面时，竖井内测点除1号测点温度有明显升高以外，其他测点处温度基本无变化，说明蔓延进入竖井内的烟气较少或竖井内基本保持相对无烟，如图7-b所示；当竖井开口处于来风方向侧面时，竖井内1号测点处温度较其它测点处高，2号测点处温度较其他测点处温度低，所有测点处温度均持续呈上升趋势，但在320s附近所有测点处温度均有一定降低随后再升高，其最大温度出现在1号测点处286s时刻142.6℃，如图7-c所示。

2.6 竖井所处高度为40m时竖井内测点处能见度变化规律

竖井处于40m高度处其内部各测点处温度差变化情况如图8所示。

图7 高度为40m时竖井内测点处温度变化曲线Fig.7 Temperatures at measuring points in shaft at 40m

图8 高度为40m时竖井内测点处能见度变化曲Fig.8 Visibility at measuring points in shaft at 40m

由图8可知，当竖井开口处于背风面及侧面时，竖井内能见度降低速度较快，且开始降低的时间较早，竖井开口处于背风面时，竖井内3号测点处18s时刻能见度即开始降低，180s左右几乎所有测点处能见度都降低至5m以下，380s时刻测出能见度最低为0.68m，如图8-a所示；当竖井开口处于迎风面时，竖井内各测点处能见度在整个模拟实验过程中均保持在30m，如图8-b所示；当竖井开口处于来风方向侧面时，竖井内能见度降低较快，且各测点处能见度降低速度基本一致，未有较大波动，且96s左右，所有测点处能见度均降低至3m以下，如图8－c所示；由此可知，风向对竖井内烟气蔓延的影响大小顺序为：迎风面＞侧面＞背风面。

2.7 竖井所处高度为40m时竖井内测点处CO浓度变化规律

竖井处于40m高度处其内部各测点处温度差变化情况如图9所示。

由图9可知，竖井开口处与迎风面时，竖井内CO浓度基本为零，20s时仅1号测点处CO浓度有微量升高，其它测点其它时刻CO浓度均为零，如图9-b所示，说明当竖井开口处于迎风面时，由于风力的昨用，完全改变了竖井内烟气的蔓延，致使竖井内基本无烟；而当竖井开口处于背风面及来风侧面时，竖井内存在一定量的烟气，故相应的竖井内测点处CO浓度升高，但当竖井开口处于背风面时，竖井内CO浓度持续上升，至336s时1号测点处最大值达到86ppm，如图9-a所示；当竖井开口处于来风方向侧面时，竖井内CO浓度最大值为286s时刻10号测点处78.3ppm，低于竖井开口位于背风面的情况。

2.8 竖井所处高度分别为20m、40m时竖井内测点处温度变化规律对比如图10所示

2.9 竖井所处高度分别为20m、40m时竖井内测点处能见度变化规律对比如图11所示

图9 高度为40m时竖井内测点处CO浓度变化曲线Fig.9 CO concentration at measuring points in shaft at 40m

2.10 竖井所处高度分别为20m、40m时竖井内测点处CO浓度变化规律对比如图12所示

2.11 竖井所处高度为40m时竖井内100s时温度速度场分布如图13所示

图10 高度分别为20m、40m时竖井内测点处温度变化曲线对比图Fig.10 Comparisons of temperatures at measuring points in shaft at 20mand 40m

图11 高度分别为20m、40m时竖井内测点处能见度变化曲线对比图Fig.11 Comparison of visibility at measuring points in shaft at 20mand 40m

由图10可知，随着竖井所处高度的增高，风力逐渐增大，符合近地风场的变化规律，即风速随高度的增大而增大。竖井结构内烟气运动规律基本与20m高度竖井一致。图10-a中，由于风力较大，外部风紧贴在竖井表面，上部风直接作用于竖井的顶部，100s时竖井开口处温度已达到40℃，竖井下部温度达到80℃左右，可见，外部风对竖井内烟气的蔓延产生了较大的影响作用；图10-b中，随着竖井所处高度的增高，风力的增大，由竖井上部开口进入竖井内的空气流速增大，更大限度的阻止了烟气蔓延进入竖井内部，竖井内部温度基本环境温度；图10-c中，100s时刻竖井上部温度达到39.77℃，且竖井内部温度除着火层外基本处于均匀状态。

图12 高度分别为20m、40m时竖井内测点处CO浓度变化曲线对比图Fig.12 Comparison of CO concentrations at measuring points in shaft at 20mand 40m

图13 竖井所处高度为40m时竖井内100s时温度和速度矢量场Fig.13 Velocity vector and temperature fields at 100sin shaft at 40m

3 结论及建议

（1）室外风是影响竖井结构内火灾烟气蔓延规律的主要因素。随着竖井高度增高，风速逐渐增大，室外风对竖井结构内烟气蔓延规律影响增强。

（2）当竖井开口位于迎风面时，室外风对竖井内烟气的运动影响最大，竖井内会产生较高的滞止压力，中性面位置上升。强大的风压的作用下上部烟气加速向竖井下部蔓延，下部气体通过开口向竖井外部排出。迎风面情况下，当火源位于中性面以上时，火灾烟气蔓延向下蔓延会造成极大危害；当火源位于中性面以下时，烟气易从下部开口排出，进而减少火灾危害。

（3）当竖井开口处于背风面时，在竖井顶部、侧面及开口面会形成空气动力阴影区且呈负压，烟气呈旋转运动，大量烟气在烟囱效应及外部负压的作用下迅速由中性面以上开口向外蔓延，并在开口外部做漩涡运动。中性面位置下降。

（4）当竖井开口侧向来风时，风对竖井内烟气运动的影响表现为对竖井内烟气的侧向力封闭作用，烟气主要在竖井结构内蔓延，能见度迅速降低；

（5）外部风是影响竖井内烟气蔓延的重要参数，一定速度的风能够改变竖井内烟气的蔓延规律。在进行高层（超高层）建筑设计时，应以当地常年主导风向为依据进行开窗位置设计。

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Movement of fire smoke under external wind in shaft structure

ZHU Jie1，HAUNG Dong-mei2，ZHANG Li-long3，LI Jun3

（1.Research Institute of Fire Engineering，Sichuan Normal University，Chengdu，610101，China；
2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei，230026，China；3.Department of Fire Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China）

External wind is one of the major factors that influence the spread of fire in high-rise（super high-rise）buildings.By numerical simulation for the temperature field，visibility and CO concentration field at six different fire scenarios，this paper quantitatively investigates the movement behaviors of smoke in the side full open type shaft structure under different wind direction and velocity conditions.It is found that under adverse wind，stagnation pressure will be generated in the shaft，with the rise of neutral surface position，and the top smoke will spread towards the bottom of shaft at a high speed and move out from the opening at the bottom.Under favorable wind，the neutral surface position will descend，with formation of an air power shadow zone at the top，side and opening of the shaft，being of negative pressure.In this case the fire smoke will spread from the opening.Under side wind，tangential force closure will form at the opening of the shaft，and the fire smoke mainly spreads in the shaft structure.External air has a significant role in the spread of smoke in the shaft at a certain velocity.It is recommended that the design of external window position in high-rise（super high-rise）buildings should refer to local perennial prevailing wind direction.

External wind；Shaft height；Smoke movement；Temperature；FDS field simulation

X928.7，X932

A

1004-5309（2011）-0227-08

2010-09-06；修改日期：2011-08-02

四川省教育厅重点项目“超高层建筑火灾烟气蔓延规律及控制研究”基金号：10ZA010；香港裘搓基金“超高层建筑主动防火技术研究Active Fire Pretection in Supertall Building（基金号：5-2H46）”；四川省科技支撑计划项目“超高层建筑火灾烟气运动力源机理及安全疏散研究”支持。

朱 杰（1979-），女，副教授，博士，主要从事建筑火灾、交通火灾防治技术方面的研究，尤其火灾烟气控制理论及技术应用。