坡地建筑外立面火災溫度演化研究*

王心凱，何 清，唐 飛

(1.中國科學技術大學 管理學院，安徽 合肥 230026；2.安徽工業大學 能源與環境學院，安徽 馬鞍山 243002；3.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

0 引言

21世紀以來，隨著城鎮化的加快，建筑業得到了快速的發展，各式各樣的建筑不斷增加。但隨之而來的，建筑火災事故往往會給人們的生命財產安全造成重大損失。因此，建筑火災安全領域引發了社會的關注且已經成為應急管理領域的重要研究熱點之一[1-3]，而對建筑外立面火羽流特征參數演化規律的研究就顯得尤為重要。

國內外學者針對建筑外立面溢出火羽流特征參數演化規律開展了大量研究[4-16]。對于自由邊界條件的受限空間開口火溢流，Yokoi[7]在1960年首次針對小尺寸燃燒室0.4 m×0.4 m×0.2 m(長×寬×高)火災，研究了通過開口溢出的熱羽流豎向溫度分布特征。Lee等[10]和Delichatsios等[12]設計了1個“長走廊型”開口火溢流實驗臺，研究了不同火源位置和不同長寬開口條件下的燃燒室內外溫度分布規律、燃燒室外的熱流密度變化規律以及火焰高度。隨后，唐飛[13]進一步考慮虛擬點源理論，對外立面火羽流豎向溫度分布模型進行了有效修正。

由于自然地形或環境條件的限制，一些建筑物必須建在山坡上。例如中國重慶市大多數高層建筑都建在山坡上。建筑附近的山坡將構成另1種特殊的約束邊界條件。Tang等[14]，Xu等[15]通過實驗研究了不同傾斜坡度下的矩形開口火溢流火焰燃燒特性，得出了傾斜墻面對于溫度分布、熱流分布和火焰形態的演化規律。但是，上述外立面火羽流研究主要針對矩形開口(窗戶)建立。

隨著建筑的多元化的發展，圓形窗口(開口)建筑逐漸增多。關于圓形開口建筑火災的研究仍然相當缺乏。目前，Zhang等[16]利用縮尺寸實驗研究并揭示了圓形開口建筑火災建筑室內氣體溫度分布規律以及外立面火焰演化特性。然而，國內外尚沒有對圓形開口建筑火災外立面火羽流溫度分布研究的相關報道。針對這一特殊火行為特征，圍繞山地建筑火災圓形開口外立面火羽流溫度演化開展研究，對坡地建筑火災經典理論進行有效補充，為圓形窗口建筑消防安全設計提供實驗參考依據。

通過小尺寸實驗，分析不同傾斜擋墻(坡地)下的圓形開口建筑火災外立面溢出熱羽流豎向溫度演化規律，并結合無量綱分析，建立考慮不同的傾斜坡度、不同的圓形開口、不同的火源功率等變量時的熱羽流豎向溫度預測模型。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

圖1為實驗裝置示意，主要包括縮尺寸建筑模型、燃燒系統及溫度數據采集系統3部分。通過實驗可獲取燃燒室內熱氣體溫度和腔室外立面熱羽流溫度數據。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experiment device

1)縮尺寸建筑腔室火災模型。采用尺寸為長0.5 m寬0.3 m高0.40 m的長方體燃燒室模擬建筑室內火災，外部為2 mm厚的鋼板，內襯有8 mm厚的防火石棉。在模擬腔室上設置單一圓形開口，1.80 m×1.70 m的防火板緊貼開口模擬建筑外立面，2.4 m×1.70 m的防火板模擬建筑傾斜擋墻。在燃燒室側壁和外立面上鉆有直徑2 mm的小孔以布置熱電偶。

2)火源燃燒裝置。在燃燒室地板正中央設置邊長為0.16 m的多孔氣體燃燒器，其下表面與地板齊平，小孔間距為8 mm。選擇丙烷氣體作燃料，丙烷氣體由氣瓶通過減壓閥和質量流量計輸送至燃燒器。通過調節質量流量計可控制丙烷氣體流量，質量流量計的精度為0.1 L/min。

3)溫度數據采集系統。在燃燒室內外角落分別設置3串6個直徑為1 mm的K型熱電偶，距離相鄰側墻表面0.05 m，內外角落的熱電偶分別位于頂棚下方0.05 m和0.15 m處，用于測量室內熱氣體溫度。在外立面上設置4個直徑為1 mm的K型熱電偶，以測量外立面熱羽流溫度。熱電偶位于圓形開口中心線正上方，距離外立面0.005 m，相鄰2個測點間距為0.10 m，最下方熱電偶與燃燒室外部頂棚距離為0.9 m。實驗中熱電偶將溫度信號轉化為電信號，經熱電偶導線輸送到7018數據采集模塊，最后由電腦記錄并輸出溫度數據。

1.2 實驗工況設計

實驗中，根據其流入腔室內的空氣質量流率和熱煙氣流出的質量流率[17]相同的辦法利用MATLAB計算出臨界溢出的火源功率，如表1所示。文中所有工況火焰均能完全溢出。采用3個不同通風因子的開口用以模擬不同建筑圓形門窗尺寸,每1個開口尺寸下采用3種不同的火源熱釋放速率以及不同傾斜角度側墻。

如表1所示，27個實驗工況涵蓋了不同實驗條件的組合。每次實驗重復3次，且實驗重復性較好。環境溫度為(39±5)℃。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

2 實驗結果與討論

2.1 燃燒腔室內溫度

圖2為無傾斜擋墻作用下的典型圓形開口工況燃燒室內氣體溫度(Tg)隨火焰功率的變化關系。由圖2可知，在穩定燃燒狀態下，對于確定的開口尺寸，燃燒室內6個熱電偶測得的熱氣體溫度基本保持一致，每個測點溫度隨火源功率變化趨于穩定。

圖2 開口0.175 m室內氣體溫度隨火源功率變化Fig.2 Change of indoor gas temperature with fire source power under opening size of 0.175 m

圖3為圓形開口直徑為0.2 m工況建筑燃燒室內火羽流溫度(Tg)隨外部傾斜擋墻角度的變化關系。從圖3中看出，對于確定開口的燃燒室，燃燒室內的溫度不隨著傾斜擋墻的角度而變化，這和矩形溢流開口下的腔室外溫度分布規律類似[15]。

圖3 開口0.2 m室內火羽流溫度隨傾斜擋墻坡度變化Fig.3 Change of indoor fire flume temperature with slope of inclined retaining wall under opening size of 0.2 m

2.2 無傾斜擋墻下外立面熱羽流豎向溫度分布

對于矩形開口，開口中性面位置一般為0.4倍的開口高度[10]。對于圓形開口，由于圓形面積在中部變化較大，使得圓形開口中性面對比矩形開口較高，其開口中性面位置(Zn)在大約0.41D～0.44D范圍內[16]。本文選取0.42D的位置作為參考高度，以Z-Zn表示中性面到至測量熱電偶的距離。圖4為無傾斜擋墻下不同圓形開口尺寸建筑火災外立面熱羽流豎向溫度分布圖。

圖4 不同開口尺寸和火源功率下外立面熱羽流豎向溫度分布Fig.4 Distribution of vertical temperature of external facade thermal plume under different opening sizes and fire source power

從圖4可以得出：1)在一定的火源功率和開口尺寸相同條件下，熱羽流溫度隨豎直高度的增加而降低。2)對于確定的圓形開口，在相同豎直高度位置的熱羽流溫度隨火源功率增大而升高。3)當火源功率和豎直高度一定時，由于開口尺寸越小的工況腔室外的火源功率越大，導致熱羽流溫度越高。圓形開口建筑外立面豎向熱羽流溫度演化過程與矩形開口火溢流工況[13,14]基本一致。

依據Lee的研究[11]，外立面火羽流演化特性受開口形狀和尺寸的影響。Delichatsios等[12]通過理論分析得到與矩形開口尺寸相關的特征長度，基于實驗數據建立了矩形開口溢出熱羽流溫度無量綱預測模型如式(1)所示：

(1)

結合圖4可知，將公式(1)中特征長度替換為圓形開口尺寸相關的特征長度，可表征圓形開口外立面熱羽流溫度。對外立面熱羽流溫升進行無量綱處理，做出外立面熱羽流豎向無量綱溫升Θ與無量綱豎直高度(Z-Zn)/D的變化關系，如圖5所示。基于實驗溫度數據擬合可得到圓形開口火溢流建筑外立面熱羽流豎向溫升預測公式如式(2)所示：

圖5 無傾斜擋墻下外立面熱羽流無量綱溫升與無量綱豎直高度的擬合關系Fig.5 Fitting relationship of dimensionless temperature rise of external facade thermal plume and dimensionless vertical height without inclined retaining wall

(2)

2.3 傾斜擋墻下外立面熱羽流豎向溫度分布

圖6為傾斜擋墻下不同圓形開口尺寸建筑火災外立面熱羽流豎向溫度分布圖。從圖6可以得出：在相同開口、火焰功率下，同一位置的豎向隨著傾斜擋墻角度的增加而增加，且增加速率變大。這個演化規律和矩形開口溢出的溫度分布規律類似[13]。隨著傾斜角度的增加，外立面的的火羽流迅速增強，側墻與傾斜擋墻之間的空氣變少，燃燒室外部新鮮空氣被卷到中性面以下，這種情況類似于煙囪效應。從而導致從燃燒室溢出的火焰在較大的傾斜角度下迅速沿側墻散開，形成較高的火焰高度，使得溫度增加。

圖6 不同傾斜擋墻下外立面熱羽流豎向溫度分布Fig.6 Distribution of vertical temperature of external facade thermal plume under different inclined retaining walls

采用和無傾斜擋墻下的圓形開口火溢流外立面熱羽流豎向溫度分布預測公式同樣的方法，得到傾斜擋墻為60°時建筑外立面熱羽流豎向溫升預測公式如式(3)所示，傾斜角度為80°時預測公式如式(4)所示。

(3)

(4)

傾斜擋墻的影響可以用余弦函數來量化傾斜擋墻的影響因子I。在沒有傾斜擋墻下影響因子I為1。如圖7所示。從圖7數據擬合得到不同傾斜擋墻下的圓形開口火溢流外立面熱羽流影響因子如式(5)所示：

圖7 影響因子I和傾斜擋墻坡度聯系Fig.7 Correlation between impact factor I and slope of inclined retaining wall

I=-0.24cos(θ)+1.24

(5)

式中：I為不同傾斜擋墻(坡地)影響因子。

因此，可以得到傾斜擋墻作用下的圓形開口火溢流建筑外立面熱羽流豎向溫升預測公式如式(6)所示：

(6)

圖8為基于擬合公式(6)得到的外立面熱羽流溫度預測值與實驗結果的對比關系。由圖8可知，數據的相對偏差在20%的范圍內，因此外立面熱羽流溫度預測值與實驗結果表現出良好的一致性。

圖8 建筑外立面熱羽流溫度預測值與實驗結果的對比Fig.8 Comparison between predicted values and experimental results of thermal plume temperature on external facade of building

3 結論

本文針對坡地建筑外立面火災這一特殊火行為特征，開展了不同坡度角度情況下圓形開口建筑火溢流實驗研究，測量和分析不同傾斜擋墻(坡地)下的圓形開口建筑火災外立面溢出熱羽流豎向溫度演化規律，具體結論如下：

1)當腔室的開口尺寸和火源功率一定時，在穩定燃燒狀態下圓形開口燃燒室內溫度基本不隨著外面傾斜擋墻(坡地)存在而改變。

2)當開口尺寸和火源功率一定時，同一豎向位置處圓形開口外立面溢出熱羽流豎向溫度隨著傾斜擋墻角度的增加而增加。

3)基于矩形開口外立面溢出熱羽流豎向溫度分布模型，結合無量綱理論分析與實驗數據，建立不同傾斜擋墻作用下圓形開口建筑火災外立面熱羽流豎直溫度預測模型。