杨 勇，张晓磊，孙协鹏，胡隆华

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

室内发生火灾之后，一般经历三个过程：第一是火灾初期增长阶段，此时空气充足，燃料能够在室内充分燃烧，火灾处于“燃料控制阶段”，即火灾的严重程度取决于室内的燃料数量。第二，随着火区的扩大与火势的增长，火灾过渡到了充分燃烧阶段。但随着室内氧气的不断消耗，造成了从燃烧室开口进入室内的氧气供给不足，此时火灾由“燃料控制阶段”发展到“通风控制阶段”，通风条件的好坏将决定室内火灾的发展。第三，随着燃料逐渐消耗殆尽，火灾进入到减弱阶段并缓慢熄灭[1]。腔室火灾对人的危害主要表现在火焰、烟气与室内温度上，因此科学认识腔室火灾内部温度随火灾发展的演化规律，对于保障人们的生命财产安全具有重要的意义[2-12]。

长久以来，国内外大量的学者针对腔室室内温度进行了研究。在国外McCaffrey等[2]最早提出了室内温度的预测公式，Foote等[3]通过实验研究了强制通风对于室内温度的影响。Deal和Beylert[4]开展了腔室火灾实验，基于腔室内的能量守恒定律，结合进出腔室的气体质量流率，得出了室内温度预测公式。Mowrer和Williamson[5]则考虑了火源在墙角或靠近边墙时的情形，对室内温度模型进行了修正。Delichatsios等[6]和Babrauskas等[7,8]则建立了适用于“燃料控制”与“通风控制”阶段的温度模型。在国内，张超和李国强[9]利用FDS开展了建筑大空间火灾模拟，并提出了温升的简单计算公式。Tang等[10]以倾斜挡墙模拟斜坡，研究了建筑毗邻斜坡时腔室火灾的温度分布。Lu等[11]则开展了有侧墙影响的腔室火灾实验，研究了不同挡墙宽度与挡墙间距对腔室火灾温度的影响。Sun等[12]研究了平开窗条件下不同开窗角度的室内温度变化规律，并建立了室内温度分布模型。另外，前人还研究了环境风对于室内温度的影响[13-15]。

综上所述，前人对腔室内部温度分布的研究，仅考虑完全打开的自由窗口，即墙壁上的竖直开口。但是上悬窗在城市中普遍存在，如图1所示。此类窗口与完全打开的自由窗口的通风机制明显不同，会明显影响燃烧室的通风状况，室内温度的变化会受到上悬窗的尺寸和打开角度的复杂耦合影响。本文利用1∶8的缩尺寸腔室火灾实验模型，研究了上悬窗条件下发生火灾时室内的温度发展，分析不同上悬窗尺寸和开窗角度情况下，“通风控制”腔室内部温度的变化规律，建立适用于上悬窗的腔室火灾室内温度模型。

图1 上悬窗图Fig. 1 The top-hung window used in the urban

1 实验设计

图2为1∶8的缩尺寸腔室火灾实验平台[12]，燃烧室的尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m，燃烧室的内壁附有3 mm厚的陶瓷纤维板，其密度、导热率、比热分别为285 kg/m3、0.18 W/(m·K)和1 390 J/(kg·K)，热惯性约为267 J/(m2· K·s0.5)。腔室由四个高0.5 m的支架架起，在腔室的一侧墙中央设计了一个带有上悬窗的开口，上悬窗的尺寸与开口相同，由钢板制成并覆盖有3 mm厚的防火板。上悬窗的开窗角度可通过上部钢丝控制和调整。方形多孔气体燃烧器(边长为0.2 m)放置在燃烧室中央作为火源，其顶部上表面与燃烧室底部齐平。用质量流量计(精度：0.01 SLPM(每分钟标准升))控制燃气的供应速率，来实现不同的热释放速率，本实验采用的质量流量计为Alicat LZB-15F，量程为250 SLPM。腔室内布置了三个热电偶树，分别放置在燃烧室的内角、中央和外角处来测量燃烧室内部温度，每个热电偶树有六个直径为0.5 mm的K型热电偶，六个热电偶与燃烧室底部的距离分别为2 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和48 cm，由上到下分别编号为1、2、3、4、5、6。位于内角和外角的热电偶树距离相邻壁面5 cm。

图2 实验设计图Fig. 2 Experimental setup

实验工况如表1所示。选用了三种不同尺寸的开口，每个开口设置四个开窗角度θ，分别为10°、20°、30°和40°(如图2)。表1中同时给出了实验所用的火源功率，由于不同开口和不同角度的实验达到“通风控制”的功率不同，因此不同窗口条件下的火源功率范围有所差异，以保证有较多的实验工况处于“通风控制”条件下。在测量数据之前每组工况维持15 min燃烧，以保证达到燃烧稳定状态，温度分析采用的是15 min后稳定燃烧的时间段。所有实验工况重复三次，平均值用于数据分析，其相对不确定度(2σ/平均值)在95%置信度下均小于7%，σ为三次实验的标准差。

表1 实验工况表

2 结果与分析

2.1 室内温度的发展

图3给出了上悬窗典型工况(开口尺寸为25 cm×25 cm、角度40°、火源功率为73.92 kW)燃烧稳定阶段室内温度随时间的变化关系。从图3可以看出，瞬态室内温度基本保持不变，达到稳定燃烧状态。中心位置最下端的热电偶距离燃烧器上表面非常近，从燃烧器出来的燃料温度相对较低，同时，该区域燃料相对富足(“fuel-rich”)，燃烧强度偏低，导致该位置的温度相对略低[16]。本文主要研究室内燃烧稳定阶段的温度发展。

图3 稳定阶段室内温度随时间的变化Fig. 3 Gas temperature inside the fire compartment versus time at steady state

图4给出了三种不同开口尺寸，开窗角度为10°、20°、30°和40°时室内温度随总火源功率的变化情况。可以发现：

(2)通过比较同一开口在不同开窗角度下的室内温度随功率变化图，可以发现随着开窗角度的增大，室内火灾处于“燃料控制”阶段的火源功率越大。这是因为，开窗角度影响着腔室的通风条件，开窗角度越大，通风条件越好，进入腔室的氧气越多，从而使在室内燃烧的燃料越多，达到“通风控制”的火源功率则越大。

从图4中可以看出，“通风控制”条件下不同位置热电偶测量的室内温度整体趋于一致，测量数值基本趋于稳定，这种趋势与前人的实验结果一致[12,17]。因此，以“通风控制”条件下热电偶测量温度数据的平均值，作为“通风控制”条件下室内温度值，其随开窗角度的变化如图5所示，从图5中可以发现：(1)“通风控制”下，同一尺寸开口情况下室内温度随开窗角度的增大而升高；(2)“通风控制”下，同一开窗角度，室内温度随开口尺寸的增大而升高。

图4 室内温度随总火源功率的变化Fig. 4 Temperature inside the compartment versus total heat release rate

2.2 考虑上悬窗开口尺寸和开窗角度的通风控制腔室火灾温度模型

经过前面分析我们已经发现，上悬窗条件下室内温度依赖于开口的尺寸和开窗角度。Tang等[17]曾开展自由开口条件下室内温度的实验研究，发现燃烧室内部的温升量ΔTg由燃烧室内的热释放和有效热损失控制的能量平衡决定，并给出了以下方程：

图5 不同尺寸开口在通风控制条件下室内温度随开窗角度的变化Fig. 5 Variation of temperature inside the under-ventilated fire compartment with a top-hung window for various window dimensions with opening angles

(1)

上悬窗“通风控制”条件下，燃烧室内的温升也由燃烧室内的热释放和有效热损失控制的能量平衡决定，且在上悬窗条件下，由于上悬窗的阻挡，腔室的烟气从上悬窗与腔室壁面形成的两侧三角形通道中流出(图2)，因此结合自由开口下的温升方程给出以下方程：

(2)

图6 通风控制条件下不同尺寸开口在不同开窗角度下室内温升模型Fig. 6 A model on temperature rise inside the under-ventilated fire compartment with a top-hung window for various window dimensions with opening angles

3 结论

本文利用1∶8的缩尺寸腔室火灾实验台，开展了上悬窗不同尺寸、不同开窗角度条件下，通风控制腔室火灾室内温度发展的实验研究，主要的研究发现和结论包括：

(1)通风控制条件下腔室火灾室内温度随上悬窗开窗角度的增大而增加，同一开窗角度下，腔室内的温度随开口尺寸的增大而增大。

(2)分析了上悬窗开口尺寸和开窗角度对通风条件的影响，耦合这两个因素，提出了上悬窗条件下通风控制腔室火灾温度的模型。