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高层建筑竖井内烟气流动特征及控制研究

张靖岩  
【摘要】:近年来,塔式高层建筑以其独特的适应性在高层建筑中占据着相当的比例。本文主要以塔式高层建筑安全核区域的防排烟设计为背景,研究此类建筑中对人员疏散极为重要的竖向通道(竖井)中烟气运动的基本规律,建立烟囱效应下的羽流发展模型,进而探讨塔式高层建筑安全核区域中有效的防排烟手段。 本论文首先依据相似原理建立小尺寸竖井实验台,研究竖井顶部、底部温度和前室补气口流速随火源与竖井中心线距离的变化规律。通过对实验数据进行无量纲处理,建立了稳态条件下的竖井内温度、速度分布模型,并得到了开放和封闭竖井中烟气运动的非滞止状态产生的临界无量纲准则数。研究结果表明,烟囱效应的产生主要是由于竖井内外压差与烟气自身浮力的联合作用,在不同范围内两者对竖井内烟气上升所发挥的作用不同:在火源距离竖井中心线较近区域(l/L<0.825),竖井内外压差起主要作用;在火源距离竖井中心线较远区域(l/L>0.825),烟气的自身浮力起主要作用。 利用USTC/PolyU大空间实验厅内的小尺寸和全尺寸竖井实验台的实验结果,结合理论分析,建立了一种描述竖井中羽流发展特点的简单模型,得到了羽流上升无量纲时间和竖井无量纲高度之间的定量关系式。此关系式显示,在相同火源、相同竖井尺寸条件下,开放竖井和封闭竖井中的烟气层上升无量纲时间分别和无量纲高度的1.03次方、1.50次方成正比,与火源热释放速率的1/3次方成反比。由于烟囱效应的作用,开放竖井中的烟气层上升速度最快,非受限空间次之,封闭竖井内最慢。 发展了一种理想火灾情况下计算中性面位置的双区模型,把竖井空间分为两个区:火源区和非火源区,每个区内温度是均一的,在此基础上利用质量守恒原理发展了一种预测中性面位置的简化模型,并与CFD模拟(工具:FDS)进行了对比。模拟结果显示与双区假设符合得很好,并且两种方法计算的中性面位置与整个建筑高度之比e均大于0.5,e值很大程度上取决于起火前室的通风因子,其值在0.5到0.62之间。 从理论和模拟两方面论述了利用竖井进行排烟的可行性。结果表明,影响竖井排烟效果的主要因素是进入竖井的高温烟气和外部力(包括外界空气的热阻力


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