2019消防工程師必背知識(shí)點(diǎn)四十一：煙氣流動(dòng)與控制

第五篇 消防安全評估

第四章 建筑性能化防火設(shè)計(jì)評估

第三節(jié) 煙氣流動(dòng)與控制

統(tǒng)計(jì)表明：火災(zāi)中85%以上的死亡者是由于煙氣的作用，有毒和高溫?zé)煔獾奈胧窃斐苫馂?zāi)中人員傷亡的主要原因。因此為了及時(shí)排除有害煙氣，阻止煙氣向防煙分區(qū)外擴(kuò)散，確保建筑物內(nèi)人員的安全疏散，安全避難和為消防隊(duì)員創(chuàng)造有利撲救條件，需要在建筑中設(shè)置防煙和排煙設(shè)施。

總體上建筑的防煙和排煙的設(shè)計(jì)理論就是煙氣控制理論。對于一幢建筑物，當(dāng)內(nèi)部某個(gè)房間或部位發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)循序采取必要的防排煙措施，對火災(zāi)區(qū)域?qū)嵭信艧?，使火?zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量能迅速排除;對非火災(zāi)區(qū)域的疏散通道等應(yīng)采用機(jī)械加壓送風(fēng)等防煙措施，使該區(qū)域的氣壓高于火災(zāi)和煙氣侵入?yún)^(qū)域的氣壓，阻止煙氣的侵入。

對于大規(guī)模建筑其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，建筑物的煙氣控制往往組合應(yīng)用幾種方法。防排煙形式的合理性，不僅關(guān)系到煙氣控制的效果，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

一、煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用

為了減少煙氣的危害，應(yīng)當(dāng)了解建筑煙氣流動(dòng)的各種驅(qū)動(dòng)作用，以便對火勢發(fā)展做出正確的判斷，在建筑設(shè)計(jì)中做好煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(一)煙囪效應(yīng)

當(dāng)外界溫度較低時(shí)，在諸如樓梯井、電梯井、垃圾井、機(jī)械管道、郵件滑運(yùn)槽等建筑物中的豎井內(nèi)，與外界空氣相比，由于溫度較高而使內(nèi)部空氣的密度比外界小，便產(chǎn)生了使氣體向上運(yùn)動(dòng)的浮力，導(dǎo)致氣體自然向上運(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象就是煙囪效應(yīng)。當(dāng)外界溫度較高時(shí)，則在建筑物中的豎井內(nèi)存在向下的空氣流動(dòng)，這也是煙囪效應(yīng)，可稱之為逆向煙囪效應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，由正、逆向煙囪效應(yīng)所產(chǎn)生的壓差為：

為距中性面的距離(m)。此處的中性面指內(nèi)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(fù)。圖5-4-1給出了煙囪效應(yīng)所產(chǎn)生的豎井內(nèi)外壓差沿豎井高度的分布，其中正壓差表示豎井的氣高于外界氣壓，負(fù)壓差則相反。

煙囪效應(yīng)通常是發(fā)生在建筑內(nèi)部和外界環(huán)境之間，圖5-4-2分別給出了正、逆向煙囪效應(yīng)引起的建筑物內(nèi)部空氣流動(dòng)示意圖。

在考慮煙囪效應(yīng)時(shí)，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(yīng)是建筑火災(zāi)中豎向煙氣流動(dòng)的主要因素，煙氣蔓延在一定程度上依賴于煙囪效應(yīng)，在正向煙囪效應(yīng)的影響下，空氣流動(dòng)能夠促使煙氣從火區(qū)上升很大高度。如果火災(zāi)發(fā)生在中性面以下區(qū)域，則煙氣與建筑內(nèi)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(qiáng)化了上升流動(dòng)，一旦超過中性面，煙氣將竄出豎井進(jìn)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(qū)的發(fā)煙量超過煙囪效應(yīng)流動(dòng)所能排放的煙量。

如果火災(zāi)發(fā)生在中性面以上的樓層，則煙氣將由建筑內(nèi)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(qū)的煙生成量超過煙囪效應(yīng)流動(dòng)所能排放的煙量。若樓層之間的煙氣蔓延非常嚴(yán)重，則煙氣會(huì)從著火樓層向上蔓延。

逆向煙囪效應(yīng)對冷卻后的煙氣蔓延的影響與正向煙囪效應(yīng)相反，但在煙氣未完全冷卻時(shí)，其浮力還會(huì)很大，以至于甚至在理想煙囪效應(yīng)的條件下煙氣仍向上運(yùn)動(dòng)。

(二)浮力作用

著火區(qū)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥捎谄涿芏冉档投哂懈×?，著火房間與環(huán)境之間的壓差可用與公式(5-4-11)類似的形式來表示：

Fung進(jìn)行了一系列的全尺寸室內(nèi)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測定壓力的變化，試驗(yàn)結(jié)果指出對于高度約3.5m的著火房間，其頂部壁面內(nèi)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(chǎn)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(yīng)于強(qiáng)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(chǎn)生的壓力會(huì)使煙氣經(jīng)此開口向上面的樓層蔓延。同時(shí)浮力作用產(chǎn)生的壓力還會(huì)使煙氣從墻壁上的任何開口及縫隙、或是門縫中泄露。當(dāng)煙氣離開火區(qū)后，由于熱損失及與冷空氣摻混，其溫度會(huì)有所降低，因而，浮力的作用及其影響會(huì)隨著與火區(qū)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(huì)使氣體明顯膨脹并引起氣體運(yùn)動(dòng)。若考慮著火房間只有一個(gè)墻壁開口與建筑物其它部分相連，則在火災(zāi)過程中，建筑內(nèi)部的空氣會(huì)從開口下半部流入該著火房間，而熱煙氣也會(huì)經(jīng)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(zhì)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(nèi)部空氣溫度為20℃，當(dāng)空氣溫度達(dá)到600℃時(shí)，其體積約膨脹到原來的三倍。對有多個(gè)門或窗敞開的著火房間，由于流動(dòng)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(xù)較長時(shí)間，則因氣體膨脹作用產(chǎn)生的壓差將非常重要。

(四)外部風(fēng)向作用

在許多情況下，外部風(fēng)可在建筑的周圍產(chǎn)生壓力分布，這種壓力分布可能對建筑物內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)及其蔓延產(chǎn)生明顯影響。一般，風(fēng)朝著建筑物吹過來會(huì)在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較高的滯止壓力，這可增加建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)方向流動(dòng)。風(fēng)作用于某一表面上的壓力可表示為：

在建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)著火房間窗玻璃破碎的情況。如果破碎的窗戶處于建筑的背風(fēng)側(cè)，則外部風(fēng)作用產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)將煙氣從著火房間中抽出，這可以大大緩解煙氣在建筑內(nèi)部的蔓延;而如果破碎的窗戶處于建筑的迎風(fēng)側(cè)，則外部風(fēng)將驅(qū)動(dòng)煙氣在著火樓層內(nèi)迅速蔓延，甚至蔓延至其他樓層，這種情況下外部風(fēng)作用產(chǎn)生的壓力可能會(huì)很大，而且可以輕易地驅(qū)動(dòng)整個(gè)建筑內(nèi)的氣體流動(dòng)。

(五)供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)

許多現(xiàn)代建筑都安裝有供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)，火災(zāi)過程中，HAVC能夠迅速傳送煙氣。在火災(zāi)的開始階段，處于工作狀態(tài)的HVAC系統(tǒng)有助于火災(zāi)探測，當(dāng)火情發(fā)生在建筑中的無人區(qū)內(nèi)，HVAC系統(tǒng)能夠?qū)煔庋杆賯魉偷接腥说牡胤剑谷藗兡軌蚝芸彀l(fā)現(xiàn)火情，及時(shí)報(bào)警和采取補(bǔ)救措施。然而，隨著火勢的增長，HVAC系統(tǒng)也會(huì)將煙氣傳送到它能到達(dá)的任何地方，加速了煙氣的蔓延，同時(shí)，它還可將大量新鮮空氣輸入火區(qū)，促進(jìn)火勢發(fā)展。

為了降低HVAC在火災(zāi)過程中的不利作用，延緩火災(zāi)的蔓延，應(yīng)當(dāng)在HVAC系統(tǒng)中采取保護(hù)措施。例如在空氣控制系統(tǒng)的管道中安裝一些可由某種煙氣探測器控制的閥門，一旦某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，它們便迅速關(guān)閉，切斷著火區(qū)域其他部分的聯(lián)系;或者根據(jù)對火災(zāi)的探測信號(hào)，設(shè)計(jì)可迅速關(guān)閉HVAC系統(tǒng)的裝置，不過即使及時(shí)關(guān)閉了HVAC系統(tǒng)可避免其向火區(qū)輸入大量新鮮空氣，然而卻無法避免煙氣的煙囪效應(yīng)、浮力或外部風(fēng)力的作用下通過其通風(fēng)管道和建筑中其他開口四處蔓延。

二、煙氣流動(dòng)分析

(一)火羽流的形成

在火災(zāi)中，火源上方的火焰及燃燒生成的煙氣通常稱為火羽流。實(shí)際上，所有的火災(zāi)都要經(jīng)歷這樣一個(gè)重要的初始階段：即在火焰上方由浮力驅(qū)動(dòng)的熱氣流持續(xù)地上升進(jìn)入新鮮空氣占據(jù)的環(huán)境空間，這一階段從著火(包括連續(xù)的陰燃)然后經(jīng)歷明火燃燒過程直至轟燃前結(jié)束。圖5-4-5給出了包括中心線上溫度和流速分布在內(nèi)的火羽流示意圖，可燃揮發(fā)成份與環(huán)境空氣混合形成擴(kuò)散火焰，平均火焰高度為L，火焰兩邊向上伸展的虛線表示羽流邊界，即由燃燒產(chǎn)物和卷吸空氣構(gòu)成的整個(gè)浮力羽流的邊界。圖5-4-5b為理想化的軸對稱火羽流模型，

定性地給出了實(shí)驗(yàn)觀測得到的火羽流中心線上溫度和縱向流速分布，其中溫度以相對于環(huán)境的溫差表示。從圖中可以看到，火焰的下部為持續(xù)火焰區(qū)，因而溫度較高且?guī)缀蹙S持不變;而火焰的上部為間歇火焰區(qū)，從此溫度開始降低。這是由于燃燒反應(yīng)逐漸減弱并消逝，同時(shí)環(huán)境冷空氣被大量卷入的緣故。火焰區(qū)的上方為燃燒產(chǎn)物(煙氣)的羽流區(qū)，其流動(dòng)完全由浮力效應(yīng)控制，一般稱其為浮力羽流，或稱煙氣羽流?；鹩鹆髦行木€上的速度在平均火焰高度以下逐漸趨于最大值，然后隨高度的增加而下降。

(二)頂棚射流

頂棚射流是一種半無限的重力分層流，當(dāng)煙氣在水平頂棚下積累到一定厚度時(shí)，它便發(fā)生水平流動(dòng)，圖5-4-6表示了這種射流的發(fā)展過程。

羽流在頂棚上的撞擊區(qū)大體為圓形，剛離開撞擊區(qū)邊緣的煙氣層不太厚，頂棚射流由此向四周擴(kuò)散。頂棚的存在將表現(xiàn)出固壁邊界對流動(dòng)的粘性影響，因此在十分貼近頂棚的薄層內(nèi)，煙氣的流速較低。隨著垂直向下離開頂棚距離的增加，其速度不斷增大，而超過一定距離后，速度便逐步降低為零。這種速度分布使得射流前鋒的煙氣轉(zhuǎn)向下流，然而熱煙氣仍具有一定的浮力，還會(huì)很快上浮。于是頂棚射流中便形成一連串的漩渦，它們可將煙氣層下方的空氣卷吸進(jìn)來，因此頂棚射流的厚度逐漸增加而速度逐漸降低。

研究表明，許多情況下頂棚射流的厚度為頂棚高度的5%～12%，而在頂棚射流內(nèi)最大溫度和速度出現(xiàn)在頂棚以下頂棚高度的1%處。這對于火災(zāi)探測器和灑水淋頭等的設(shè)置有特殊意義，如果它們被設(shè)置在上述區(qū)域以外，則其實(shí)際感受到的煙氣溫度和速度將會(huì)低于預(yù)期值。

煙氣頂棚射流中的最大溫度和速度是估算火災(zāi)探測器和灑水淋頭響應(yīng)的重要基礎(chǔ)。對于穩(wěn)態(tài)火，為了確定不同位置上頂棚射流的最大溫度和速度，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得到不同區(qū)域內(nèi)的關(guān)系式，應(yīng)該指出的是，這些實(shí)驗(yàn)是在不同可燃物(木垛、塑料、紙板箱等)、不同大小火源(668kW～98MW)和不同高度頂棚(4.6m～15.5m)情況下進(jìn)行的，得到的關(guān)系式僅適用于剛著火后的一段時(shí)期，這一時(shí)期內(nèi)熱煙氣層尚未形成，頂棚射流可以被認(rèn)為是非受限的。

在撞擊頂棚點(diǎn)附近煙氣羽流轉(zhuǎn)向的區(qū)域，最大平均溫度和速度與以撞擊點(diǎn)為中心的徑向距離無關(guān)，Alpert推導(dǎo)出此時(shí)最大溫度和速度可按公式5-4-16、5-4-17計(jì)算：

以上公式組不適用于以下幾種情況。

1.火源是瞬時(shí)的而且(或者)受到滅火劑的影響;長寬比大于等于2的矩形火源;空氣入口受限或者平均火焰高度小于等于火源高度的三維火源;由噴焰組成的火源(如管道或加壓燃料儲(chǔ)液罐小孔泄漏造成的);火焰在火源以上分散到一定程度，具有多重火羽流的火源。

2.在無阻平面空間內(nèi)，火焰平均高度L高于頂棚高度

的50%，而且(或者)火源直徑D大于火源最小寬度的10%。

3.受空氣動(dòng)力紊亂度的影響產(chǎn)生的頂棚射流?？諝鈩?dòng)力紊亂度是由氣流場中的障礙物而產(chǎn)生，或者受自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)的影響而產(chǎn)生。

4.含有梁、煙幕或其他分界面，能夠引起非軸對稱流或者導(dǎo)致熱氣層向下朝著火源流動(dòng)的頂棚，和(或)易燃的和(或)不水平的頂棚。

5.火源或者其火焰到分界面的距離在火源直徑D之內(nèi);火羽流中軸線到分界面的距離在2

(頂棚高度)之內(nèi)。

(三)大空間窗口羽流

從墻壁上的開口(如門、窗等)流出而進(jìn)入其他開放空間中的煙流通常被稱為“窗口羽流”。一般情況下，在房間起火之后，火災(zāi)全面發(fā)展的性狀(即可燃物的燃燒速度、熱釋放速率等)是墻壁上的門窗等通風(fēng)開口的空氣流速控制的，即熱釋放速率與通風(fēng)口的特性有關(guān)。根據(jù)木材及聚氨酯等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到平均熱釋放率的計(jì)算公式：

在確定火源高度時(shí)，可以假定火源處于開放空間中，并具有與窗口射流火焰頂端處的窗口射流相同卷吸量的火源高度。而且，假定位于火焰頂端處的空氣卷吸與開放空間中的火災(zāi)相同。

三、煙氣層有關(guān)參數(shù)計(jì)算

煙層高度對人員疏散是一個(gè)重要的影響因素，人員在到達(dá)安全位置之前，應(yīng)希望疏散過程中不會(huì)在建筑煙氣中穿過。

封閉空間的煙氣填充過程

直到煙氣層界面下移到垂直開口的上邊緣為止，煙氣始終在封閉空間的上部累積，如下圖所示。由于熱膨脹，過量的空氣被擠出封閉空間。當(dāng)煙氣層降低到開口上界面以下位置時(shí)，隨著新鮮空氣的進(jìn)入，煙會(huì)流出封閉空間。

2——底部面積。

四、煙氣流動(dòng)的計(jì)算方法及模型選用原則

(一)概述

在火災(zāi)科學(xué)的研究方法中，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)過程或某火災(zāi)分過程階段的模擬研究是一個(gè)飛躍。它具有信息代價(jià)少、模擬工況靈活、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，流體數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)一步完善，將成為未來研究火災(zāi)問題的主要手段。火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模擬方法的核心是火災(zāi)模型，火災(zāi)模型是由火災(zāi)各分過程子模型在特定的模擬平臺(tái)上融合而成的。

運(yùn)用數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算防火的發(fā)展過程，是認(rèn)識(shí)火災(zāi)特點(diǎn)和開展有關(guān)消防安全水平評估的重要手段，尤其對建筑物的性能和設(shè)計(jì)來說尤為重要。經(jīng)過最近二、三十年的研究，在火災(zāi)煙氣流動(dòng)研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展出了多種分析火災(zāi)的數(shù)學(xué)模型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有大約60~70種比較完善的火災(zāi)模型可供使用。綜合實(shí)際計(jì)算要求和客觀條件限制，對火災(zāi)過程的同一個(gè)分過程進(jìn)行模擬時(shí)，各火災(zāi)模型采用的子模型形式往往是不同的。各子模型形式從不同的角度、不同的程度對分過程采用合理的簡化形式進(jìn)行?；Ｍ环诌^程采用不同的子模型形式時(shí)，其適用范圍內(nèi)的模擬結(jié)果可能都是合理的。有的模型適用于模擬計(jì)算火災(zāi)產(chǎn)生的環(huán)境，主要反映出建筑在火災(zāi)時(shí)室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化、火災(zāi)中煙氣的流動(dòng)、煙氣中有毒氣體的濃度、火災(zāi)中人員的可耐受時(shí)間等;有的模型適用于計(jì)算建筑、裝修材料的耐火性能、火災(zāi)探測器和自動(dòng)滅火設(shè)施的響應(yīng)時(shí)間等。

火災(zāi)過程是可燃物在熱作用下發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)過程，與周圍的環(huán)境有著密切的相互作用。任何一種火災(zāi)模型都是以對實(shí)際火災(zāi)過程的分析為依據(jù)，各種火災(zāi)模型的有效性取決于對實(shí)際過程分析的合理性。火災(zāi)數(shù)值研究的困難主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：第一，火災(zāi)事件具有隨機(jī)性特點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)生活中可能出現(xiàn)的火災(zāi)場景數(shù)不勝數(shù);第二，對于大多數(shù)火災(zāi)過程很難進(jìn)行深入的機(jī)理方面的分析。火災(zāi)研究涉及空氣動(dòng)力學(xué)、多相流、湍流的混合與燃燒、輻射以及導(dǎo)熱等多學(xué)科知識(shí)，許多相關(guān)內(nèi)容在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域還都是研究的熱點(diǎn)，其中某些現(xiàn)象至今仍無法建立成熟的理論對其進(jìn)行解釋;第三，火災(zāi)過程中可能發(fā)生燃燒的物質(zhì)多種多樣，因此無法應(yīng)用單一的數(shù)學(xué)模型及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述物質(zhì)由聚合狀態(tài)熱解為可燃?xì)怏w并發(fā)生燃燒的過程。

建筑火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模型有隨機(jī)性模型和確定性模型兩類。隨機(jī)性模型把火災(zāi)的發(fā)展看成一系列連續(xù)的事件或狀態(tài)，由一個(gè)事件轉(zhuǎn)變到另一個(gè)事件，如由引燃到穩(wěn)定燃燒等。而由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)有一定的概率，在分析有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和火災(zāi)事故數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過這種事件概率的分析計(jì)算，可以得到出現(xiàn)某種結(jié)果狀態(tài)的概率分布，建立概率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。而確定性模型是以物理和化學(xué)定律為基礎(chǔ)，如質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等基本物理定律。用相互關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)公式來表示建筑物的火災(zāi)發(fā)展過程。如果給定有關(guān)空間的幾何尺寸、物性參數(shù)、相應(yīng)的邊界條件和初始條件，利用這種模型可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

在開展火災(zāi)危險(xiǎn)性分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮火災(zāi)發(fā)展的確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，單純依據(jù)任何一種模型都難以全面反映火災(zāi)的真實(shí)過程。出于火災(zāi)研究的定量分析和定性分析需要，大家更關(guān)心的是火災(zāi)過程的確定性數(shù)學(xué)模型。本節(jié)主要介紹火災(zāi)發(fā)展的確定性火災(zāi)模型，包括有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀^(qū)域模型、場模型和場區(qū)混合模型。

(二)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/strong>

多年來，人們在與火災(zāi)斗爭的過程中收集了很多實(shí)際火場的資料，也開展過大量的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，測得了很多數(shù)據(jù)，并分析、整理出了不少關(guān)于火災(zāi)分過程的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t是指以實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過將實(shí)驗(yàn)研究的一些經(jīng)驗(yàn)性模型或是將一些經(jīng)過簡化處理的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图由现匾臒嵛镄詳?shù)據(jù)編制成的數(shù)學(xué)模型。它是對火災(zāi)過程的較淺層次的經(jīng)驗(yàn)?zāi)M，應(yīng)用這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以對火?zāi)的主要分過程有較清楚的了解。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌谄渌碚撃Ｐ湍軌驅(qū)鹪纯臻g以及關(guān)聯(lián)空間的火災(zāi)發(fā)展過程進(jìn)行估計(jì)，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ＞窒抻诿枋龌鹪纯臻g的一些特征物理參數(shù)，如煙氣溫度、濃度、熱流密度等隨時(shí)間的變化，因此經(jīng)常被稱為“局部模型”，常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀忻绹鴺?biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的FPETOOL模型、計(jì)算煙羽流溫度的Alpert模型和計(jì)算火焰長度的Hasemi模型。

(三)區(qū)域模型

20世紀(jì)70年代，美國哈佛大學(xué)的Emmons教授提出了區(qū)域模擬思想：把所研究的受限空間劃分為不同的區(qū)域，并假設(shè)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)是均勻一致的，而質(zhì)量、能量的交換只發(fā)生在區(qū)域與區(qū)域之間、區(qū)域與邊界之間以及它們與火源之間。從這一思想出發(fā)，根據(jù)質(zhì)量、能量守恒原理可以推導(dǎo)出一組常微分方程;而區(qū)域、邊界及火源之間的質(zhì)量、能量交換則是通過方程中所出現(xiàn)的各源項(xiàng)體現(xiàn)出來。區(qū)域模型一般還有如下的假設(shè)：

①各個(gè)控制體內(nèi)的氣體被認(rèn)為是理想氣體，并且氣體的相對分子質(zhì)量與比熱視為常數(shù);

②受限空間內(nèi)部壓力均勻分布;

③不同控制體之間的質(zhì)量交換主要由羽流傳遞作用與出口處卷吸作用造成;

④能量傳遞除部分由質(zhì)量交換造成外，還包括輻射與導(dǎo)熱;

⑤受限空間內(nèi)部物質(zhì)的質(zhì)量與熱容相對墻壁、頂棚與地板可以忽略;

⑥忽略煙氣運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，認(rèn)為一切運(yùn)動(dòng)過程在瞬間完成;

⑦忽略壁面對流體運(yùn)動(dòng)的摩擦阻礙作用。

區(qū)域模型通常把房間分為兩個(gè)控制體，如圖5-4-11所示，即上部熱煙氣層與下部冷空氣層。人們普遍認(rèn)為區(qū)域模型模擬給出的近似與相當(dāng)接近。區(qū)域模擬是一種半物理模擬，在一定程度上兼顧了計(jì)算機(jī)模擬的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在消防工程界具有廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用區(qū)域模型既可以在一定程度上了解火災(zāi)的成長過程，也可以分析火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散過程。目前，區(qū)域模型在建筑室內(nèi)火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模擬中具有重要地位。如果無需了解各種物理量在空間上的詳細(xì)分布以及隨時(shí)間的演化過程，模型中的假設(shè)十分趨近于火災(zāi)過程的實(shí)際情況，可以滿足工程需要。但是區(qū)域模擬忽略了區(qū)域內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程，不能反映湍流等輸運(yùn)過程以及流場參數(shù)的變化，只抓住了火災(zāi)的宏觀特征，因而其近似結(jié)果也是較粗糙的。

目前，世界各國的研究者建立了許多室內(nèi)火災(zāi)區(qū)域模擬的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的FAC3等為典型代表。常用的區(qū)域模型有ASET和ASET-B、HARVARD-V和FIRST、CFAST和HAZARD 1模型。

(四)場模型

火災(zāi)的場模擬研究是利用計(jì)算機(jī)求解火災(zāi)過程中各參數(shù)(如速度、溫度、組分濃度等)的空間分布及其隨時(shí)間的變化，是一種物理模擬。場是多種狀態(tài)參數(shù)(如速度、溫度與組份濃度)的空間分布，是通過計(jì)算這些狀態(tài)參數(shù)的空間分布隨著時(shí)間的變化來描述火災(zāi)發(fā)展過程的數(shù)學(xué)方程集合。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)的不斷成熟以及計(jì)算機(jī)性能的提升，場模型越來越廣泛地應(yīng)用到火災(zāi)研究領(lǐng)域。火災(zāi)的孕育、發(fā)生、發(fā)展和蔓延過程包含了流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和相變，涉及質(zhì)量、動(dòng)量、能量和化學(xué)成分在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下相互作用，其形式是三維、多相、多尺度、非定常、非線性、非穩(wěn)態(tài)的動(dòng)力學(xué)過程。場模型由于引入的簡化條件少，因而是目前為止可獲取更高精確度的受限空間火災(zāi)數(shù)學(xué)模型。計(jì)算所得數(shù)據(jù)較細(xì)致，可以詳細(xì)了解空間中溫度場、速度場、組分濃度場等數(shù)據(jù)分布情況及其隨時(shí)間變化的詳細(xì)信息。但實(shí)際計(jì)算結(jié)果的正確與否還取決于適當(dāng)?shù)妮斎爰僭O(shè)。

自從1983年Kumar首先建立火災(zāi)場模型以來，出現(xiàn)了許多場模擬的大型通用商業(yè)軟件和火災(zāi)專用軟件。通用商業(yè)軟件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等為代表，都具有非常友好的用戶界面形式和方便的前后處理系統(tǒng)。用于火災(zāi)數(shù)值模擬的專用軟件有瑞典Lund大學(xué)的SOFIE、美國NIST開發(fā)的FDS和英國的JASMINE等，它們的特點(diǎn)是針對性較強(qiáng)。場模擬可以得到比較詳細(xì)的物理量的時(shí)空分布，能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象。

但由于場模型是通過把一個(gè)房間劃分為幾千甚至上萬個(gè)控制體，計(jì)算得出室內(nèi)各局部空間的有關(guān)參數(shù)的變化。計(jì)算時(shí)通常所使用的場模擬方法有有限差分法、有限元法、邊界元法等。導(dǎo)致這種模型的計(jì)算量很大，當(dāng)用三維不定常方式計(jì)算多室火災(zāi)時(shí)，需要占用很長的機(jī)時(shí)，一般只在需要了解某些參數(shù)的詳細(xì)分布時(shí)才使用這種模型。

(五)場區(qū)混合模型

對于復(fù)雜多室建筑的火災(zāi)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通常是采用區(qū)域模擬的方法。然而，實(shí)驗(yàn)研究表明：煙氣層在著火區(qū)域或相對強(qiáng)流動(dòng)區(qū)域無明顯的分層現(xiàn)象，區(qū)域模擬的雙層假設(shè)不能成立，只有在附近相鄰的其它區(qū)域，煙氣層才有明顯的分層現(xiàn)象。這樣，若采用區(qū)域模擬的方法模擬復(fù)雜多室建筑的火災(zāi)過程則不能真實(shí)地反映其火災(zāi)的特性。如果使用場模擬的方法，由于場模擬是求解流體力學(xué)的基本控制方程，整場和多參量描述復(fù)雜多室建筑的火災(zāi)過程，需要大量的計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間，目前，由于計(jì)算機(jī)容量和運(yùn)算速度等客觀條件的限制，很難對復(fù)雜多室建筑的火災(zāi)過程進(jìn)行場模擬，另外，在明顯的煙氣層分層區(qū)間采用場模型，也增加了計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間的耗用。因此，基于試驗(yàn)研究的結(jié)果和計(jì)算機(jī)客觀條件等限制，我們采用場模擬的方法來研究著火房間或強(qiáng)流動(dòng)區(qū)域，對其它非著火和非強(qiáng)流動(dòng)區(qū)間采用區(qū)域模擬的方法。這種混合模擬方法，兼顧場模擬和區(qū)域模擬兩者的優(yōu)點(diǎn)，并能更為準(zhǔn)確地反映火災(zāi)過程的特征，這種方法簡稱為場區(qū)模擬方法。