外墙竖向通道对建筑外立面火蔓延的影响及其机理研究

With the wide use of combustible materials on building exterior wall, façade fires occur frequently. The façade fire spread is significantly affected by the vertical channel produced by curtain wall or concave façade structure. In this research, both experimental and theoretical methods are employed to systematically investigate the influence mechanism of the vertical channel characteristics (including characteristic sizes of the cross section and front opening, opening position, etc.) on fire spread characteristics (including fire spread rate, mass loss rate, flame shape, etc.). The influencing law is obtained through conducting small-scale, medium-scale and large-scale vertical fire spread experiments. Both microscopic and macroscopic measuring methods (including schlieren photography, DPIV, infrared camera, heat flux meter, etc.) are used to acquire the characterization and key values of flow field, temperature field and heat transfer during fire spread. The influence mechanism of vertical channel on the fire spread behavior is revealed through analyzing interaction laws among the vertical channel, flow field, temperature field and heat transfer. Functional relationships are established to represent above interaction laws. Further, models are established to predict fire spread behaviors under the influence of vertical channel. The research results provide a guidance for the risk assessment of façade fire spread and the optimization design of vertical channels.

随着可燃材料在建筑外墙的广泛应用，外立面火灾事故频发，凹型外墙、幕墙等结构形成的外墙竖向通道对外立面火蔓延存在显著影响。本项目拟采用实验研究和理论分析相结合的方法，系统地研究外墙竖向通道对外立面火蔓延的影响及机理。通过开展不同尺度的外立面火蔓延实验，揭示竖向通道特征参数（横截面特征尺寸、正面开口特征尺寸、开口位置等）对火蔓延特性（火蔓延速度、质量损失速率、火焰形态等）的影响规律，采用微观与宏观相结合的测量技术（纹影摄像、DPIV、红外热像测温、热流监测等）对火蔓延中流场、温度场和传热进行特性表征并获取关键参数值，通过分析竖向通道对流场、温度场和传热的影响及其相互作用，揭示竖向通道对外立面火蔓延的影响机理。建立流场、温度场、传热特征参数和竖向通道特征尺寸、火蔓延特性参数的函数关系，进而得到竖向通道影响下火蔓延行为的预测模型。研究成果可为建筑外立面火蔓延危险性评价和竖向通道的优化设计提供依据。

随着可燃材料在建筑外墙的广泛应用，外立面火灾事故频发，凹型外墙、幕墙等结构形成的外墙竖向通道对外立面火蔓延存在显著影响。本项目采用实验研究和理论分析相结合的方法，系统地研究了竖向通道对外立面火蔓延的影响及机理。通过开展不同尺度的外立面火蔓延实验，明晰了竖向通道特征参数（横截面特征尺寸、正面开口特征尺寸、开口位置等）对火蔓延特性（火蔓延速度、火焰形态、火焰高度等）的影响规律，通过分析竖向通道对流场、温度场和传热的影响及其相互作用，揭示了竖向通道对外立面火蔓延的影响机理。建立了流场、温度场、传热特征参数和竖向通道特征尺寸、火蔓延特性参数的函数关系，进而得到竖向通道影响下火蔓延行为的预测模型。对于封闭式竖向通道，火焰高度和火蔓延速度均随着结构因子（横截面宽度和长度的比值）的增大先升高后降低，建立传热模型预测了预热区表面的总热流、对流热流和辐射热反馈，建立了预测竖向通道中诱导气流流量的数学模型。对于凹型竖向通道，火蔓延速度随着结构因子的增大而增大，得到了火焰高度和热解长度的关系式，分别建立了对流和辐射传热控制的凹型通道顺流火蔓延模型。对于正面部分封闭竖向通道，结构因子为1~1.4时，火蔓延速度随着正面覆盖率(非开口面积与正面面积比值)的增大先降低后升高。结构因子为1.6时，平均火焰高度和火蔓延速度均随覆盖率的增大而增大。针对结构因子较大的工况，建立了平均火焰高度和火蔓延速度的预测模型。对于侧面部分开口竖向通道，平均火焰高度随着开口率的增加先下降然后上升，而火蔓延速度先升后降。建立了侧面部分开口的竖向通道影响下外立面逆流火蔓延速度的预测模型。对于侧面全部开口竖向通道，随着幕墙间距的增大，平均火焰高度先降后升，而火蔓延速度先升后降。建立了幕墙对外立面辐射热反馈的数学模型。本项目所建模型的预测结果和实验结果基本一致。研究成果完善了建筑火灾动力学，可为建筑外立面火蔓延危险性评价和竖向通道的优化设计提供依据。