多驱动力作用下超高层建筑疏散走廊火灾烟气输运规律研究

Super tall buildings with the height at least 100m have received considerable attention in fire protection design, particularly in smoke management design. One major factor affecting smoke movement in super tall buildings is stack effect which is significantly greater in super tall buildings than in common high-rise buildings, the other factor is wind which will enter the building with the break up of glass in fire. Smoke movement in common tall buildings is driven mainly by thermal buoyancy. However, smoke movement in super tall buildings represents particular properties under multi-driving forces such as building interior stack effect, outside wind, pressurized air supply and smoke extraction. Smoke production and dynamical characteristics in super tall buildings under multi-driving forces will be explained in this proposed project through theoretical analysis, combined with experiments and numerical simulation studies. The study includes: (1)analyze the influence of outside wind on the combustibles' burning behavior and smoke production rate, then establish the mathematical model of smoke production rate under the effect of outside wind; (2)establish the experiential prediction model of smoke movement in corridor of super tall buildings under the effect of outside wind; (3)study smoke movement properties in corridor of super tall buildings under multi-driving forces; (4)explore smoke management efficiency under compositive effects of multi-driving forces in typical fire scenarios, thereby obtaining optimal smoke management project for super tall buildings. The results will be the theoretical basis and technological supporting of smoke management of super tall buildings, then scientific smoke control method will be acquired.

超高层建筑高度高，室内外温差导致的热压作用较大，发生火灾后，外窗破碎导致室外风进入，显著影响烟气输运。在建筑内热压、室外风压、机械加压送风和机械排烟等多驱动力作用下，超高层建筑内火灾烟气输运具有不同于常规热浮力驱动下的行为特征。本项目拟通过理论分析、小尺寸和全尺寸现场实验及数值模拟研究，阐析超高层建筑内火灾烟气在多驱动力作用下的生成特性及动力学特征：（1）研究外窗玻璃破裂条件下，室外风作用对超高层建筑着火房间烟气生成量的影响，建立室外风作用下火灾烟气生成量模型；（2）建立室外风作用下超高层建筑疏散走廊火灾烟气输运模型；（3）研究不同驱动力作用下疏散走廊内火灾烟气输运规律；（4）寻求典型火灾场景下，多驱动力作用下火灾烟气的有效控制方法，获得超高层建筑火灾烟气优化控制方案。研究成果是实现超高层建筑灾变通风的理论基础，可获得科学有效的烟气控制方法，为超高层建筑烟气控制设计提供理论和技术支撑。

本项目在理想羽流模型的基础上建立了室外风作用下的烟气生成量理论模型，通过实验研究确定了理论模型中的未知系数，进而提出了考虑室外风因素的机械排烟量模型。本项目通过缩尺寸实验、理论分析和数值模拟等方法，研究了疏散走廊中火灾烟气输运特性，主要包括室外风作用下走廊烟气竖向分层特性及烟气流动模式，机械排烟作用下走廊烟气分层特性及流动规律，走廊中温度纵向分布规律及吸穿临界排烟量的计算。本项目在单纯热浮力作用下疏散走道烟气运动速度规律的基础上，考虑室外风这一影响因素，建立了室外风作用下疏散走道烟气运动速度理论模型，并通过小尺寸实验验证了理论模型的可靠性，确定了理论模型中的未知系数。本项目针对高层建筑环形走廊结构的特殊性，选取高层建筑环形走廊机械排烟口的数量、位置、高度、形状等因素对排烟效果的影响作为研究点。采取1/3尺寸实验和数值模拟相结合的研究方法，通过全面衡量比较，得到了最优的排烟方案。本项目采用理论计算、全尺寸实验及网络数值模拟相结合的方法，对高层建筑防烟楼梯间加压送风效果的影响因素进行了分析和讨论。以实际工程为例分别计算了不同送风形式、不同楼层数情况下所需的加压送风量；通过全尺寸楼梯间机械加压送风实验，研究了不同加压送风形式下高层建筑防烟楼梯间的加压送风效果，得到了不同开门工况下楼梯间门和前室门的门洞风速分布规律；利用网络模拟软件CONTAM建立模型，对影响加压送风效果的各种因素进行了分析，并对系统的设计提出了建议。.本项目的研究成果可为机械排烟系统的优化设计提供一定的理论基础，可为室外风作用下建筑火灾风险评估提供参考，可为估算室外风作用下高层建筑疏散走道中烟气运动速度提供理论支持和数据参考，可为加压送风系统的设计、施工及验收提供参考，可以帮助完善机械防排烟系统的相关规范，还可以为消防部队扑救高层建筑火灾提供一定的技术指导。