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高层建筑火灾烟气流动规律及烟气控制研究

作　者: 李改
导　师: 卢平
学　校: 安徽建筑工业学院
专　业: 结构工程
关键词: 高层建筑火灾电梯活塞效应烟气控制数值模拟自然排烟机械排烟前室加压
分类号: TU972.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着城市不断膨胀的人口和有限的城区土地使用面积之间矛盾的加剧,高层建筑已成为城市发展的一种必然选择。高层建筑具有楼层多、内部装饰材料多、电气设备多、功能多、管道竖井多、人员多等“六多”的特点,一旦发生火灾,火势蔓延迅速,火灾后人员的疏散及逃生就是一个棘手的问题。据统计,高层建筑火灾中伤亡人数中70%以上是由于受火灾烟气窒息而死的,因此,研究高层建筑在火灾紧急情况下烟气的流动规律及其控制具有重要意义。高层建筑火灾条件下楼梯疏散人员存在疏散耗用时间长、容易造成拥堵和混乱,楼梯人员疏散存在疏散及逃生困难等问题；电梯具有下行人员疏散能力大等优点,随着现代科学技术的发展和管理水平的提高,火灾时期的电梯疏散优越性和可能性越显突出。本文在对电梯运行的活塞效应及其对火灾烟气的影响理论分析基础上,分析了电梯井和前室加压及压力波动情况,发现前室与建筑空间之间的压差与活塞比、轿厢速度、建筑气流流动路径和轿厢的位置有关。通过对电梯井加压和不加压条件下电梯运行活塞效应引起的电梯井内、建筑空间及外界之间的气体流动规律分析,确定了火灾条件下烟气是否会卷入前室的临界质量流率。对于现状条件下的大多数电梯,特别是多梯井,通过设计来防止活塞效应引起烟气卷入前室是可行的,合理的烟控系统能对火灾烟气进行有效控制,提高电梯疏散的安全性。本文选择场模型FDS建立了数值模型,对高层建筑火灾中的烟气流动进行模拟。根据模拟结果分析了自然排烟效果的影响因素：火源功率、起火房间位置、外窗尺寸以及走廊尺寸等；分析了机械排烟的影响因素：排烟量、排烟口位置、排烟口数量和起火房间位置等；分析了前室加压送风效果的影响因素：火灾位置、加压送风量、开门楼层、电梯门开启楼层和风机位置等。自然排烟受起火房间位置、建筑平面格局、外窗尺寸等因素的影响。火源位于走廊一端时,火灾快速发展产生的烟气不能及时通过近侧外窗排出,远端外窗不能有效发挥排烟作用,火源在条形走廊的中间可以加快走廊内烟气的排出,排烟效果相对稳定。增大外窗高度可明显改善外窗自然排烟效果；走廊长度的缩短会使排烟效果得到整体提高。高层建筑走廊长度较大时,自然排烟作为辅助排烟设施将更为有效。机械排烟效果更稳定、不受自然因素影响。提高单位面积排烟量可提高烟气的排出能力。排烟口设于顶棚比侧壁排烟效果更为稳定,侧壁排烟与排烟口距离地面净高密切相关,在实际中吊顶高度仅为2m左右,不宜采用侧壁排烟。本模型中,条形走廊机械排烟受排烟口数量约束不大,但对于其它格局的建筑需要进行具体分析,以保证走廊机械排烟安全有效；对于条形走廊,相同排烟量条件下,起火房间位于两排烟口之间位置时排烟效果相对较好。在着火层以下楼层,电梯门缝及前室内压力随着楼层的增加而增加,在着火层由于前室门打开,前室内压力损失快速降低,着火层以上楼层压力随着高度的增加而减小。前室内压力随着加压送风量的增加而增加,电梯及前室门两侧压差随着加压送风量的增大而增大,在加压送风量为4m3/s时,门两侧压差维持在60-80Pa；加压送风量为5m3/s时,门两侧压差维持在120Pa左右；加压送风量为6m3/s时,门两侧压差维持在180Pa左右。前室及电梯门的开启容易造成压力损失,在火灾中应该减少火灾层及相邻楼层前室门的开启,可以考虑通过其它楼层进行疏散；火灾上层及下层在电梯及前室门打开的情况下依然可以保持正压,因此在高层建筑火灾中,如果加压送风系统给前室及电梯井内提供一定的正压值,电梯可以在非火灾层停靠,建筑内人员可以利用电梯进行安全疏散。研究结果为高层建筑火灾烟气的有效控制、防排烟设计、受灾人员疏散及火灾扑救提供了一定的理论指导和技术支撑。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
插图清单  15-18
表格清单  18-19
第一章绪论  19-29
  1.1 研究背景  19-22
    1.1.1 火灾及其危害  19-20
    1.1.2 高层建筑火灾特点  20-22
  1.2 研究的目的和意义  22-23
  1.3 国内外研究现状  23-28
    1.3.1 国外研究现状  23-25
    1.3.2 国内研究现状  25-28
  1.4 研究方法及技术路线  28-29
第二章火灾动力学基础及烟气控制技术  29-55
  2.1 室内火灾燃烧  29-33
    2.1.1 火灾发展的基本过程  29-31
    2.1.2 室内的受限燃烧  31-33
  2.2 火灾的特殊现象  33-36
    2.2.1 阴燃  33-34
    2.2.2 轰燃  34-35
    2.2.3 回燃  35-36
  2.3 火灾规模及其确定方法  36-47
    2.3.1 火灾荷载  36-37
    2.3.2 火灾荷载密度  37-40
    2.3.3 热释放速率及其确定  40-43
    2.3.4 设定火灾模型  43-47
  2.4 火灾烟气控制  47-54
    2.4.1 烟气危害性分析  47-49
    2.4.2 火灾烟气流动的驱动力  49-52
    2.4.3 高层建筑火灾烟气控制  52-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章火灾烟气流动机理  55-67
  3.1 压力特征及伯努利方程简单应用  55-58
    3.1.1 伯努利方程简单应用  56-57
    3.1.2 经过通风口的质量流量  57-58
  3.2 带有排烟口的火灾室压力分布分析  58-60
  3.3 充分混合阶段  60-63
  3.4 分层阶段  63-66
    3.4.1 经过通风口的质量流量  63-65
    3.4.2 烟气层高度  65-66
  3.5 本章小结  66-67
第四章高层建筑电梯活塞效应及烟气控制  67-83
  4.1 不加压情况下高层建筑电梯的活塞效应分析  67-71
  4.2 烟气控制措施和烟控系统  71-81
    4.2.1 加压控制烟气原理  71-72
    4.2.2 加压情况下的电梯活塞效应分析  72-76
    4.2.3 烟控系统  76-81
  4.3 本章小结  81-83
第五章火灾模型及FDS模拟规律  83-99
  5.1 火灾模型及特点  83-86
    5.1.1 场模型  83-84
    5.1.2 区域模型  84-85
    5.1.3 网络模型  85-86
  5.2 FDS模拟理论基础  86-90
    5.2.1 基本控制方程  86-87
    5.2.2 燃烧模型  87-88
    5.2.3 热辐射模型  88-89
    5.2.4 热边界条件  89-90
  5.3 FDS数值模型的建立  90-97
    5.3.1 几何模型的建立  90-92
    5.3.2 模拟时间的确定  92-93
    5.3.3 网格划分的确定  93-94
    5.3.4 设定火灾场景  94-97
  5.4 本章小结  97-99
第六章高层建筑火灾烟气控制模拟结果分析  99-121
  6.1 高层建筑火灾安全影响因素  99-100
  6.2 高层建筑走廊自然排烟效果影响因素分析  100-108
    6.2.1 火灾功率对自然排烟效果的影响  100-103
    6.2.2 起火房间位置对自然排烟效果的影响  103-104
    6.2.3 外窗尺寸对自然排烟效果的影响  104-106
    6.2.4 走廊尺寸对自然排烟效果的影响  106-108
    6.2.5 自然排烟效果影响因素小结  108
  6.3 高层建筑走廊机械排烟效果影响因素分析  108-114
    6.3.1 排烟量对机械排烟效果的影响  108-110
    6.3.2 排烟口位置对机械排烟效果的影响  110-111
    6.3.3 排烟口数量对机械排烟效果的影响  111-112
    6.3.4 起火房间位置对机械排烟效果的影响  112-113
    6.3.5 机械排烟效果的影响因素小结  113-114
  6.4 高层建筑电梯前室加压送风效果影响因素分析  114-119
    6.4.1 火灾位置对加压送风效果的影响  114-115
    6.4.2 加压送风量对加压送风效果的影响  115-116
    6.4.3 开门楼层对加压送风效果的影响  116-117
    6.4.4 电梯门开启楼层对加压送风效果的影响  117-118
    6.4.5 风机位置对加压送风效果的影响  118-119
    6.4.6 加压送风效果影响因素小结  119
  6.5 本章小结  119-121
第七章结论与展望  121-125
  7.1 本文主要结论  121-122
  7.2 本文的创新点  122-123
  7.3 研究展望  123-125
参考文献  125-131
致谢  131-133
作者简介及读研期间主要科研成果  133

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