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环境风对高层建筑火灾的影响(对中性层的影响)

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1.引言
现在东亚已然拥有了很多摩天大楼。而最近不断增加的高层建筑火灾事故的报道已经引起了许多建筑使用者的关注，同时也让他们开始对高层建筑的火灾危险性产生忧虑。高层建筑周围强烈的环境风会影响到火灾的发展和烟气的蔓延。一系列实验的结果已经证明高层建筑周围的环境风对于空间火灾拥有两种不同的影响：一种是通过风的作用给予火焰更多更充足的氧气从而加重火灾的剧烈程度，另一种则由于风的作用造成燃烧热量的散失以及可燃气体浓度的稀释。环境风的风压也影响了外部火焰的发展（火羽从隔间区域的窗口喷出）。我们都知道这样一个经验公式模式的变化：风的速度从建筑底部开始随着建筑高度的提升而从零开始上升。在像香港这种大都市的城区，海平线以上32米的平均风速大概是3~8m/s，而其最大风速往往能达到40 m/s。在高层建筑的顶部，风速则更高。如果风速在5~20 m/s左右，风压对于建筑的压迫作用将达到15~240Pa。另一方面，由火灾引起的压强通过一间隔间的变化大概在5~15Pa左右，即大约只有10Pa。鉴于风产生的作用远大于火本身，因此可以认为是风在此间起到了主导作用。高层建筑问题中强烈的环境风能够极大的影响火势和延期的蔓延发展（比如说常规的机械排烟在这种情况下就无法比较有效的达到其工作目的）。对于火灾在强烈环境风影响下的发展现象的研究是高层建筑防火安全设计中必不可少的。
在许多国家和地区的消防安全守则或建筑条例中，环境风对于高层建筑火灾的严重影响并未被完全考虑进去。例如在台湾，无论是建筑条例还是消防安全规范中都未将环境风对高层建筑火灾的影响纳入考虑范畴。在香港的建筑条例中，环境风的影响被考虑进了高层建筑避难层的设计之中，这样有利于阻止烟气在避难层的聚集。一些实验性的和数据上的研究已经考虑过了由风致交叉自然通风保证的烟气在避难层聚集的潜在危险性。然而环境风对于烟气在着火房间内扩散的推动和抑制作用并未被考虑，因此我们需要对环境风作用于高层建筑火灾的影响进行更多更深入的研究从而完善现行的建筑条例。最近Yang等已经将环境风作用下的防排烟系统从工作效率上进行了改进，与此同时，他还对台湾建筑条例关于高层建筑防排烟系统方面的内容提出了不少改进的建议。Chow 和Li已经完成了环境风对于静态防排烟系统（假设以天花板高度为标准）工作效率影响的研究并且修正了用于计算烟气排出率及需要排烟空间大小关系的最关键的公式。但是对于提升高层建筑火灾安全性，我们还需要对应对不同火灾情况下的防排烟进行更多更细致的研究。同时，研究环境风对于高层建筑室内火灾的影响可以为火灾安全设计提供指导方案。Proch等人已经分析过了风对限定在室内的浮烟运动的影响。作为他们研究对象的发生火灾的室内空间是一个在两面相对的墙面上有两个开口的房间，其中迎风面的开口接近地面，而背风面的开口则接近天花板。他们研究的这种情形可以代表有利于风对于火灾进行更大作用的情况，即风促进了烟气的上升和火焰的想上蔓延。然而风的影响还有另外一种情况，也就是所谓的逆风情况。在逆风情况下，应风口在高出而背风口在低处，因此风的作用相对于前一种情况来看可以说是恰好相反的。在通风领域中，建筑的通过温差和环境风达成的自然通风往往受到了多的多的关注，同时今年来发现了多稳态情形（and multiple steady state behavior was found in recent years）。这些研究往往是在假设内外温差非常小而且进入室内的净热恒定不变或者独立于空气流动之外的情况下进行的。然而在室内火灾中，室内的温度通常都要远远大于室外温度，而且火灾的热释放率必定会受到空气流通的影响。因此显而易见的，许多关于环境风对于室内火灾发展影响的基本的问题需要进行更细致的探讨。本篇论文涉及到了这方面问题中的一部分并且尝试对室内火灾在逆风作用情况下的发展进行研究。

2.对烟气运动的理论考量
在高层建筑火灾中，地点、空间开口数量以及环境风风向支配着室内烟气的运动。下面将仅考虑图1中逆风作用影响下的情形。图1所示的室内空间在左墙靠近天花板以及其相对的右墙靠近地板平面的高度各有一个开口。假定环境风的风向从左水平向右。如果室内外没有温差的话空气将从高点开口流入并且从低点开口流出，即对于室内来说空气的流动是整体向下的。众所周知，如果在此室内发生火灾的话，浮力将促使烟气和空气向上运动。因此环境风对于火灾热产生的浮力发生了逆作用。简单地说，就是可以假定室内各点温度相同并且各个开口的高度（每个开口从其顶端到底端的距离）很小以至于可以忽略不计。

在图1中，用Z代表纵坐标，它的起点（Z=0）定于低点开口高度的中点高度。设大气压强为Po并且室内Z=0高度的压强为Pi0 。根据△P = Pi0-Po 图1中不同点的压强可以表示如下：
高点开口附近的室外压强：（125%截图）
（1）
室内压强：
（2）
低点开口附近的室外压强：
（3）
其中V代表环境风速，h代表两个开口之间的垂直距离。XXX和XXX分别代表室内外空气密度。XXX和XXX分别代表在高点和低点的压强系数（取值0.8和-0.2）。
两个开口的压差和通过各个开口的空气的质量流量可以表示如下：
通过高点开口：
（4）
（5）
通过低点开口：
（6）
（7）
其中代表质量流量，A代表开口面积，C代表流量系数（根据开口形式的不同取值在0.6—0.8之间）。注意在推到的过程中用到了。
在通风控制型火灾中，可燃物的质量燃烧速率是室内所有可燃物以及燃烧发散掉的的总和：=+。可燃物的燃烧速率与流入的空气质量流量是成比例的=S。其中S代表空气中燃烧质量的化学计量比，对于乙醇S≈0.11，PMMA≈0.12，甲醇≈0.15，木材≈0.18.根据r=，得出r≥S ，那么后文出现的r的取值范围可以是r≥0.10 。
在假定的准稳态情况下，空气的量是不足的。
（8）
假设两个开口完全相同，将式（5）和式（7）代入式（8）可得：
（9）
根据
（10）
那么
（11）
如果图1中烟气的运动趋势是向上并且假设整个房间内的温度处处相等的话，那么用（4）-（11）可以得到：
（12）
上式中r=
新鲜空气进入上述两个火灾场景的质量流量可以概括为：
（13）
其中代表新鲜空气流入的质量流量，r=。很明显可以看出Q决定了烟气的运动。如果Q﹥0，烟气流动趋势在图1中向下;如果Q﹤0,则向上。因此Q=0时是室内同室外无气体交换的临界状态。那么这个临街环境风速如下：
（14）
在实际情况中，烟气往往是向上运动的，即Q﹤0。因此可以说风速应该是小于的。根据估算，=3.6（=300K，=900K，=1）。如果h取3m，=6.2m/s。也就是说只有环境风速小于6.2m/s的时候，室内烟气的运动就是向上的。一旦刮过高层建筑的环境风的风速高于这个临界值，一些基于常规火灾安全守则的测量数值就很有可能无法适应实际的情况了。
式（14）可以被变换为一个无量纲的形式：

其中弗劳德数=。临界的弗劳德数大约在1.15左右。

3.对烟气温度的理论考量
火灾烟气的温度主要取决于火灾能量、空气流量以及室内的热量散失。假设XX（envelope？）与室内烟气温度相一致，那么根据室内的能量平衡可得：
（15）
其中M是总热质量（total thermal mass）（包括空气），是总热质量的具体热量。热对流系数和墙面面积。在通风控制型火灾条件下，，其中是每单位质量的空气完全耗尽所释放的热量（约为3000 kj/kg，此数值基本上与可燃物种类无关）那么式（15）可以变换如下：
（16）
结合式（13）来看，式（16）可改写为以下形式：
（17）
其中，
无量纲参数如下：
， ，
为了很好的分析式（17），首先必须确定参数的范围。

另外两个参数可以大致估算如下：

式（17）最简单的情形就是当墙壁是隔热的情况，即β=0。这种情况下，根据式（17）可得
（18）
很明显的只有当θ＜σ，dθ/d是非负的，因此内部气体温度是呈上升状态的。当θ＞σ时，dθ/d是负值，内部气体温度上升至σ。所以θ=σ是室内气温最终会达到的一个稳态数值。在向此数值趋近的时候，风的作用（无量纲量）Γ如在图2中显示的一样起着调节作用。在Γ=θ/θ+1的时候达到表示烟气的运动趋势开始变化的尖端点。根据经验在一些情景中造成烟气温度上升的因素非常复杂。当Γ=0的时候，温度上升率最先上升，然后逐步下降直到θ=0处下降到0.当Γ≥1时，温度上升率全程下降。当0＜Γ＜1时，温度上升率曲线先在Γ=θ/θ+1处降至0，然后开始上升，并最终于θ=σ再次降为0。以上表明了环境风对于烟气温度的上升有非常巨大的影响。这里必须指出的是所提到的的温度θ在实际火灾中是很少会超过3.5（对应的烟气温度在1300K左右）的，并且θ一般都不会超过σ。因此在实际中我们应该将通过房间墙壁散失出去的热量纳入考虑范围。
如果墙壁不是隔热的，那么由图2可以根据式（17）和式（18）推算出dθ/d～θ的尖端点很有可能会到0线以下。图3对于不同取值的β给出了两种不同的显示结果。可以看出在Γ的取值处于一些特定范围内的时候曲线尖端点会穿过0线到达0线以下（图4）。曲线分别在A，B，C有三个0点，在D有一个尖端点，而在E处有一个轻微的屈服点。通过更多的研究我们会发现A和C是两个定量而B是个非定量，这表明了最终烟气温度可能是A或者C。在以上讨论的曲线情景下，可以通过研究确定式（17）中的几个定量。

式（17）中的定量取值如下：
（19）
上式可以简化为：
（20）
根据上式，Γ值与β值得不同在图5中用曲线的形式表示了出来。很明显可以看出来无量纲量β不会改变曲线的整体轮廓，但是会对曲线的变化幅度产生一定影响。当Γ的取值处于红色弧形范围以内的时候会有三个定量，两个在红色弧线上，另一个在黑色曲线上。在红色弧形范围以外只有一个位于黑色曲线上的定量。因此Γ的取值范围中有一个将两种情景分开的临界值。这个临界值的取值如下：

在图5中，这个临界值取到了红色弧线的最右边点。由于式（21）找不到一个清晰的解出方式，因此我们可以通过观察曲线的趋近情况来得出结果。例如，Γ在图5中的临界区直分别在0.694和0.547左右，回顾上面用过的式子：

由上面式子可以知道临界值Γ与弗劳德数的关系，现表示如下：
（22）
其中弗劳德数的两个取值分别为1.18和1.05.由此，环境风速也会存在临界值。现在我们得到两个风速的临界值（或者说是两个弗劳德数的取值），一个确定烟气运动的方向，另一个是烟气温度方程式的一个定量。
从动态角度来看，图5可以给我们提供更多的信息。我们先讨论图5b部分。考虑到通风控制型情况下的室内火灾，当没有环境风作用（Γ0）时规范化的烟气温度将在最终无限趋近于3.4。如果环境风存在并且速度缓慢提升，我们就可以假定次状态为准稳态。恒定的温度会首先开始下降直到风速到达Γcr。然后这个值的取值会突然从红色弧线变换到黑色弧线上，并且开始随着黑色弧线的值上升（此为风速超过Γcr的情况下温度值得变化）。我们很明显的可以得出一个从恒定温度横跨Γ=Γcr变换到另一个温度的突变。相反的，如果风速从一个高点缓慢下降，恒定烟气温度同样会在Γ=Γcr从黑色曲线突变到红色曲线。这是非常有趣的一个现象，它暗示了风对于恒定烟气温度的影响非常复杂的事实。当风抑制通风控制型的室内火灾时，Γcr和Γcr2会首先被估算确定。

4.结论
在高层建筑中，环境风会对室内火灾变化趋势以及烟气运动情况造成巨大的影响。本文研究讨论了风对于一个有两个开口并发生通风控制型火灾房间的烟气运动方向和温度的影响，现总结如下：
1. 在逆风作用情况下，风力和热浮力在火灾房间中相互抵触。更强的一方会决定烟气运动的方向。临界风速（或者说是临界弗劳德数）亦由此确定。当环境风速超过了临界数值，风力会促使烟气向下运动，否则烟气会在热浮力的作用下向上运动。
2. 环境风对于原本恒定的烟气温度有着非常复杂的影响。讨论这类问题的时候我们要用到另一个临界风速（或者说另一个临界弗劳德数）。当环境风速超过了临界值的时候，只有一个稳态的烟气温度。否则会出现三个稳态烟气温度值。其中两个是恒定的，另外一个是非恒定的。当风速缓慢从0开始爬升，或者从高点开始缓慢下降到0，稳态烟气温度将会在达到临界风速的时候从一个状态突变到另一个。临界风速的取值会被室内墙壁散失的热量多少所影响。

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