烟气的扩散流动过程中，如何进行烟量计算？

着火房间内的烟气沿走廊至竖井内扩散是火灾烟气的主要流动路线，下面就来讨论这一流动路线上烟气的扩散问题。

1.沿走廊的扩散

（1）着火房间扩散到走廊中的烟量计算　着火房间扩散到走廊中的烟量与着火房间的门窗开闭状态有很大关系。门窗的开闭状态有四种情况：门窗全闭、窗开门闭、窗关门开、门窗全开。显然，窗关门开时扩散到走廊上的烟气最多，是最不利的情况。下列的计算即针对此情况而提出。

火灾发生时可燃物单位时间内参与燃烧的质量称为燃烧速度，计算式如下

Rr=CmBmH3/2m

式中　Rr——燃烧速度（kg/s）；

Cm——综合系数，Cm反映了燃烧所涉及的多种因素的影响，如可燃烧物的理论空气量、室内外空气温度等；

Bm——着火房间与走廊连通的门的宽度（m）；

Hm——着火房间与走廊连通的门的高度（m）。

则燃烧产生的烟气量为

Vs·n=RrVs=CmVsBmH3/2m（m3/s）

式中　Vs——着火房间中单位质量可燃物所生成的烟气容积（m3/kg）。

当室外空气温度与室内温度之比为0.368时，Cm达到最大。这时，通过敞开门洞流到走廊中的烟气的容积流量和质量流量也达到最大，即

式中　V0smax——扩散到走廊的烟气最大容积流量（m3/s）；

Msmax——扩散到走廊的烟气最大质量流量（kg/s）；

V0s——着火房间燃烧的可燃物的理论烟气量（m3/kg）；

V0——着火房间燃烧的可燃物的理论空气量（m3/kg）。

（2）烟气在走廊中的扩散流动计算　烟气在走廊中的流动呈层流流动状态，这个流动过程有以下两个特点：①烟气在上层流动，空气在下层流动。如果没有外部气流干扰，分层流动状态将保持40～50m的流程，上下两个流体层之间的掺混很微弱，但若流动过程中遇到干扰时，如室外空气送进或排气设备排气时，则层流状态将变成紊流状态流动。②烟气层的厚度在一定的流程内能维持不变，从着火房间排向走廊的烟气出口起算，通常可达20～30m，当烟气流过比较长的流程时，由于受到走廊顶棚从两侧墙壁面的冷却，两侧的烟气沿墙壁面开始下降，最后只在走廊断面的中部保留一个接近圆形的空气流截面，如图3-6所示。

图3-6　烟气流动过程中的下降状况
1—顶棚；2—墙壁；3—地板；4—烟气；5—空气

走廊中烟气的扩散流动计算就是要确定烟气流动过程中的有关参数，包括烟气层的厚度、宽度、烟气的温度和水平流动速度等。

1）烟层的宽度、厚度和烟气的水平流动速度。根据流体的特征，在走廊中流动的烟气层的宽度一般等于走廊的宽度，如图3-7所示。

图3-7　走廊中烟气的流动示意
1—顶棚；2—地板；3—门

走廊的宽度为B（m），流动烟层的厚度为hs（m），烟气水平流动速度为Ws（m），根据流动的连续性方程可得

Q=BhsWs

式中　Q——走廊中的烟气在一定流程内的平均容积流量（m3/s）。

能量平衡方程为

式中　ρa——走廊中冷空气的密度（kg/m3）；

ρs——走廊中烟气层的平均密度（kg/m3）；

ξ——走廊中烟气层水平流动的总阻力系数。

从上式中不难看出，左边为烟气层的上升浮力，右边为烟气层的流动阻力。烟气层流动阻力的含义是当烟气受浮力作用而上升到顶棚下时必然要排挤走同样容积的烟气，即使烟气沿水平方向流动而需要克服一定的阻力。

由连续方程得

代入能量平衡方程得

故有

因为

代入上式经整理得

式中　ta——走廊中的冷空气温度（℃）；

ts——走廊中流动烟层的平均温度（℃）。

烟层流动的总阻力系数ξ与烟气流程长短、顶棚面与两侧墙壁面的结构特性以及烟气空气之间的相对速度等有关。

由上述分析可知，走廊中流动的烟气层的厚度与走廊的围护结构特性、烟气流程长短、烟气量以及烟气温度有关，其中烟气温度是决定性因素。当烟温ts降低时，烟层厚度hs增大，但当烟温ts在200℃以上时，随着烟温降低，烟层的厚度无明显增大，即烟温变化对烟层厚度的变化影响不明显；而当烟温ts在100℃以下时，随着烟温降低，烟层的厚度明显增大，即烟温变化对烟层厚度的变化影响比较显著。

由上式变换得

在ξ、ts一定时，有hs/（Q/B）1/3=f1（ts）和Ws/（Q/B）1/3=f2（ts）。

图3-8是按上式计算得到的烟层厚度hs、烟气水平流动速度Ws与烟气平均温度ts之间的关系曲线。由图3-8中可见ts＞200℃时，烟层厚度变化不大，而当ts＜100℃时，随着烟气温度降低，烟层厚度急剧增大。

图3-8　烟层厚度和烟气水平流动速度与烟气温度的关系曲线

2）烟层中的烟气温度。在走廊中流动的烟层，一方面受到与其接触的顶棚、墙壁等围护结构的冷却，另一方面与走廊中的冷空气进行掺混，所以，随着流程的增大，烟层中的烟气温度逐渐降低。

烟气温度的影响在于烟气温度越高，烟层越稳定，烟气的水平流动速度越大即流动越强烈；反之，烟气温度越低，烟层越不稳定，烟气的水平流动速度越低，流动越缓慢。

火灾实验证明，从着火房间流动到走廊中的烟气在一定流程内的烟层厚度是恒定的，但是，在这段流程中，烟气的温度则是逐渐降低的。如图3-9所示，在起始点a，相应的烟气温度为tsa，在终止点b，相应的烟气温度为tsb，从a点至b点的流程中，烟气冷却，体积收缩，相当于烟气层的厚度减少Δhs，然而实际上的烟层厚度是不变的，这说明空气掺混入烟层的体积恰恰相当于烟气冷却所收缩的体积。

图3-9　烟气冷却和空气掺混
1—顶棚；2—地板；3—门

图3-9中从a点至b点的流程L内烟温的降低值可由热平衡导出，即

式中　a——烟气在烟层与空气接触面上的散热系数[kJ/（m2·h）]；

Cs——烟气在流程L内的平均容积比热容[kJ/（m2·h）]。

由上式可见：

①　当流程L增大时，烟层中的烟温降落增大，呈正比例关系。

②　当烟层厚度hs增大时，烟层中的烟温降落减少，呈反比例关系。

③　当烟气的水平流动速度Ws增大时，烟层中的烟温降落减小，呈反比例关系。

实际上，按上式来计算烟层的温度降低值是十分困难的，实用的计算公式是根据实验结果整理得到的经验公式。

2.热压作用与烟气的垂直扩散

当垂直通道内外的气体温度不同时，由于密度差会产生一定的热压，从而引起垂直通道内气流的流动。下面主要讨论热压与风量的计算及不同情况下垂直通道内的压力分布及其对烟气扩散的影响。

（1）热压通风的计算　图3-10所示为垂直通道内充满烟气时的压力分布情况。烟气温度为ts，周围空气温度为ta，且ts＞ta。上部开口距中性层高度为h2，下部开口距中性层距离为h1。

图3-10　竖井内的压力分布

下部开口处压差为

Δp1=（ρs-ρa）gh1（Pa）

或

|Δp1|=（ρs-ρa）gh1（Pa）

下部开口处压差为

Δp2=（ρa-ρs）gh2（Pa）

则流经下部孔口的空气质量的流量为

式中　M1——下部孔口空气质量流量（kg/s）；

α1——孔口流量系数；

A1——下部孔口面积（m2）。

从上部孔口流出的烟气质量流量为

式中　M2——上部孔口流出的烟气质量流量（kg/s）；

α2——孔口流量系数；

A2——上部孔口面积（m2）。

若垂直通道内水平截面积为F（m2），则烟气的垂直流动速度为

在质量流量M1和M2的计算中，涉及h1和h2，h1和h2可按以下条件计算。

根据质量平衡M1=M2，得

一般可认为α1≈α2，则

由上述公式得

Δp2/|Δp1|=h2/h1

所以

h2/h1=（A1/A2）2·（Ts/Ta）

由于垂直通道的总高度h已知，则h2和h1分别可求出。其中h1为

由上式和图3-11可见，当底部开口面积A1增大时，h2/h1值增大，即中性层下移；相反，当顶部开口面积A2增大时，h2和h1值减小，中性层上移。由此可知，对于顶部和底部均有开口的垂直通道，其中性层总是偏向面积较大的一方。

还可以看到，垂直通道中的烟气温度提高时，h2/h1值增大，即中性层下移；相反，当烟气温度降低时，h2/h1值减小，中性层上移。

图3-11　烟囱效应与开口大小
（a）顶部开口面积增大；（b）底部开口面积增大

（2）正反热压作用　当建筑物内部气温高于室外空气温度时，由于浮力作用，在建筑物的各种垂直通道中存在上升的气流，这种情况称为正热压作用。通常所说的热压作用即为正热压作用。

当建筑物内部的气温低于外界空气温度时，在建筑物的各种垂直通道中，则往往存在着一股下降的气流，这种情况称为反热压作用。一般情况下反热压作用发生在夏季，特别是在设有空调系统的建筑中。

图3-12所示为正反热压作用下高层建筑内各部分的气流状态。正反热压作用下所形成的气流方向是完全相反的。

对正热压作用，垂直通道内的压差在中性层以上为正值，在中性层以下为负值；对反热压作用，情况则相反，垂直通道内的压差在中性层以上为负值，在中性层以下为正值。其压差分布如图3-13所示。

图3-12　正反热压作用下的气流状况
（a）正热压作用；（b）反热压作用

图3-13　热压作用下建筑物竖井内外的压力差
（a）正热压作用；（b）反热压作用

（3）热压作用对火灾烟气流动的影响　高层建筑中火灾所生成的烟气流动过程完全受热压作用的支配。

在正热压作用下，如果火灾发生在中性层之下，烟气将随建筑物中的空气流入竖井。烟气流入竖井后使竖井内气温升高，产生的浮力作用增大，竖井内上升气流加强。当烟气在竖井内上升到中性层以上时，烟气流出竖井进入建筑物上部各楼层。如果楼层上下之间无渗漏状况时，那么，着火层所产生的烟气将向上渗漏，在中性层以下的楼层中进烟后，烟气将随空气流入竖井向上流动；在中性层以上楼层中进烟后，烟气将随空气排至室外，如图3-14 a所示。如果火灾发生在中性层之上，着火房间中的烟气将随着建筑物中的气流通过外墙开口排至室外，如图3-14 b所示。

图3-14　正热压作用下的气流状况
（a）着火层在中性层之下；（b）着火层在中性层之上

在反热压作用下，如果火灾发生在中性层之上，且烟气温度较低时，烟气将随着建筑物中的空气流入竖井，烟气流入竖井后虽然使井内的气温有所升高，但仍然低于外界空气温度，使竖井内气流方向朝下，烟气被带到中性层以下，随后流入各楼层中，如图3-15 a所示。如果火灾产生的烟气温度较高，烟气进入竖井后导致井内气温高于室外气温，这时，一般条件下的反热压作用转变为火灾条件正热压作用，烟气在竖井内转为上升流动。若火灾发生在中性层之下且烟温较低时，着火层中的烟气将随空气排至室外，如图3-15 b所示。同样，如果火灾产生的烟气温度较高时，也将转变为正热压作用。

图3-15　反热压作用对火灾烟气流动的影响
（a）着火层在中性层之下；（b）着火层在中性层之上

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