一級消防工程師綜合能力考點:煙氣流動的驅動作用
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煙氣流動的驅動作用
為了減少煙氣的危害，應當了解建筑煙氣流動的各種驅動作用，以便對火勢發展做出正確的判斷，在建筑設計中做好煙氣控制系統的設計。
(一)煙囪效應
當外界溫度較低時，在諸如樓梯井、電梯井、垃圾井、機械管道、郵件滑運槽等建筑物中的豎井內，與外界空氣相比，由于溫度較高而使內部空氣的密度比外界小，便產生了使氣體向上運動的浮力，導致氣體自然向上運動，這一現象就是煙囪效應。當外界溫度較高時，則在建筑物中的豎井內存在向下的空氣流動，這也是煙囪效應，可稱之為逆向煙囪效應。
上式中， 為壓差(Pa); 為修正系數，取3460(Pa?K/m); 為外界空氣溫度(K); 為豎井內空氣溫度(K); 為距中性面的距離(m)。此處的中性面指內外靜壓相等的建筑橫截面，高于中性面為正，低于中性面為負。
在考慮煙囪效應時，如果建筑與外界之間空氣交換的通道沿高度分布較為均勻，則中性面位于建筑物高度的一半附近;否則，中性面的位置將有較大偏離。
煙囪效應是建筑火災中豎向煙氣流動的主要因素，煙氣蔓延在一定程度上依賴于煙囪效應，在正向煙囪效應的影響下，空氣流動能夠促使煙氣從火區上升很大高度。如果火災發生在中性面以下區域，則煙氣與建筑內部空氣一道竄入豎井并迅速上升，由于煙氣溫度較高，其浮力大大強化了上升流動，一旦超過中性面，煙氣將竄出豎井進入樓道。若相對于這一過程，樓層間的煙氣蔓延可以忽略，則除起火樓層外，在中性面以下的所有樓層中相對無煙，直到著火區的發煙量超過煙囪效應流動所能排放的煙量。
如果火災發生在中性面以上的樓層，則煙氣將由建筑內的空氣氣流攜帶從建筑外表的開口流出。若樓層之間的煙氣蔓延可以忽略，則除著火樓層以外的其它樓層均保持相對無煙，直到火區的煙生成量超過煙囪效應流動所能排放的煙量。若樓層之間的煙氣蔓延非常嚴重，則煙氣會從著火樓層向上蔓延。
逆向煙囪效應對冷卻后的煙氣蔓延的影響與正向煙囪效應相反，但在煙氣未完全冷卻時，其浮力還會很大，以至于甚至在理想煙囪效應的條件下煙氣仍向上運動。
(二)浮力作用
著火區產生的高溫煙氣由于其密度降低而具有浮力，著火房間與環境之間的壓差可用與公式(5-4-11)類似的形式來表示。
Fung進行了一系列的全尺寸室內火災實驗測定壓力的變化，試驗結果指出對于高度約3.5m的著火房間，其頂部壁面內外的最大壓差為16Pa。對于高度較大的著火房間，由于中性面以上的高度h較大，可能產生很大的壓差。如果著火房間溫度為700℃，則中性面以上10.7m高度上的壓差約為88Pa，這對應于強度很高的火，所形成的壓力已超出了目前的煙氣控制水平。圖5-4-3給出了由煙氣浮力所引起的壓差曲線。
若著火房間頂棚上有開口，則浮力作用產生的壓力會使煙氣經此開口向上面的樓層蔓延。同時浮力作用產生的壓力還會使煙氣從墻壁上的任何開口及縫隙、或是門縫中泄露。當煙氣離開火區后，由于熱損失及與冷空氣摻混，其溫度會有所降低，因而，浮力的作用及其影響會隨著與火區之間距離的增大而逐漸減小。
(三)氣體熱膨脹作用
燃料燃燒釋放的熱量會使氣體明顯膨脹并引起氣體運動。若考慮著火房間只有一個墻壁開口與建筑物其它部分相連，則在火災過程中，建筑內部的空氣會從開口下半部流入該著火房間，而熱煙氣也會經開口的上半部從著火房間流出。因燃料熱解、燃燒過程所增加的質量與流入的空氣相比很小，可將其忽略，則著火房間流入與流出的體積流量之比可簡單地表示為溫度之比。
若建筑內部空氣溫度為20℃，當空氣溫度達到600℃時，其體積約膨脹到原來的三倍。對有多個門或窗敞開的著火房間，由于流動面積較大，因氣體膨脹在開口處引起的壓差較小而可以忽略，但對于密閉性較好或開口很小的著火房間，如燃燒能夠持續較長時間，則因氣體膨脹作用產生的壓差將非常重要。
(四)外部風向作用
在許多情況下，外部風可在建筑的周圍產生壓力分布，這種壓力分布可能對建筑物內的煙氣運動及其蔓延產生明顯影響。一般，風朝著建筑物吹過來會在建筑物的迎風側產生較高的滯止壓力，這可增加建筑物內的煙氣向下風方向流動。
式中： 為風作用于建筑物表面的壓力(Pa)， 為無量綱壓力系數， 為環境空氣密度(kg/m3)， 為風速(m/s)。
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