高层建筑内竖直狭缝的火灾烟气蔓延机制与数值模型研究

Due to the huge difference of the sizes between high rise buildings and the door gaps in them, smoke flow through these gaps is relatively difficult for high rise fire simulation. This study mainly focuses on the mechanism and the corresponding numerical model of the smoke flow through vertical gaps in high rise buildings. As it has been learnt that smoke flow in these door gaps is usually driven by both buoyancy and pressure force, this study will proceed reduced-scale fire experiments, and basically focus on door gap smoke flow under coupled effect of different driven force (Permutation of buoyancy and pressure force). A simplified door flow calculation model is expected from the experimental research. Then, based on the results, the CFD program of high rise fire simulation will be modified and upgraded. A sub-model calculating smoke flow through door gaps will be added to the CFD program. The new program will be able to proceed CFD simulation of high rise fires more reasonable which takes the gap flow into account. The achievement will provide a basic simulation tool for high rise fire protection design.

竖直狭缝的烟气蔓延过程是高层建筑数值模拟的难点，高层建筑高度与电梯门、楼梯门等狭缝宽度在尺度上的巨大差异导致数值模拟计算中无法同时兼顾大小两种尺度。本项目拟开展高层建筑竖直狭缝的火灾烟气蔓延机制研究，高层建筑内竖直狭缝的气体流动同时受到浮力和压力的耦合驱动，项目将通过缩尺寸实火实验，重点研究高层建筑中不同驱动因素（浮力和压力）耦合作用下竖直狭缝的气体流动机制，建立简化的竖直狭缝气体流动理论计算模型；通过编程修改高层建筑CFD数值模拟程序，增加狭缝烟气蔓延子模型，简化数值计算中狭缝火灾烟气流动的计算过程，实现大尺度高层建筑内小尺寸狭缝火灾烟气蔓延过程的快速数值模拟计算，并给出计算范例。本项目的研究成果将为高层建筑消防安全工程设计提供基础计算工具。

高层建筑发生火灾后，高温烟气受到浮力的作用在内部竖直贯通的空间内会出现“烟囱效应（Stack effect ）”，这种现象能极大的加快烟气从下部着火区域向上部未着火区域的蔓延。目前针对高层建筑烟气蔓延的研究主要通过数值模拟计算的方法开展，然而高层建筑尺度与电梯门狭缝尺度上的巨大差异决定了针对这种场景的数值模拟计算中无法同时兼顾大小两种尺度。本项目开展了针对高层建筑电梯门狭缝的火灾烟气蔓延机制研究，研制了一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置，实现在实验室模拟多种结构的高层建筑火灾蔓延情况，开展了39组试验；简化电梯门狭缝的火灾烟气流动计算模型，实现了大尺度高层建筑火灾烟气蔓延的数值模拟计算，参照实验台装置设置，耦合了隐式求解器，建立了基于MELCOR求解器的动量守恒方程，构建了高层建筑数值模型；构建了高层建筑烟气控制的技战术方法，研究得到的高层建筑火灾烟气蔓延规律将为消防救援队伍扑救高层建筑火灾提供技战术指导，具有显著的社会效益。在Fire Technology等高水平学术期刊上发表论文10篇，其中SCI/EI收录5篇，授权专利3项，培养硕士研究生1名。项目负责人与美国德州大学奥斯汀分校（UT Austin）Ofodike Ezekoye教授合作共同向国际规范理事会（ICC）提交了研究报告，为ICC开展高层建筑电梯疏散过程中烟气控制策略的相关规范修订提出建议，在上述合作交流过程中，分别接待了Ofodike Ezekoye教授一行和Hiroshi Koseki教授一行的来访，并对美国德州Austin市消防训练基地进行了访问。项目研究成果获得消防救援队伍认可，项目成果在上海、浙江等省份的消防救援队伍得到应用，浙江消防救援总队在全省高层建筑灭火救援战训培训班上邀请项目负责人进行授课。