中庭火灾围护结构温度场的动态特性.pdf

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：064096 中庭火灾围护结构温度场的动态特性 张小英 摘要：火灾发生时围护结构的温度特性对评价中庭式建筑结构的热安全性有重要意义．为此，建立了 四区域模型模拟火灾室内的温度分布，计算了火羽流与烟气层的温度；建立了封闭腔辐射换热模型模 拟火灾室内烟气、羽流与围护结构间的辐射换热；建立了一维非稳态导热模型模拟围护结构温度场的 动态特性。计算火灾下一钢骨混凝土柱试件的温度场并与文献结果进行比较，还计算了一中庭火灾下 围护结构温度场的变化．结果表明：中庭火灾下烟气层的高度随火灾持续时问下降，火羽流温度和烟 气层温度都随火灾持续时间上升；围护结构的温度随火灾持续时间上升，向火侧的温度上升最快，环 境侧的温度上升最慢；火灾下围护结构的温度分布与火源的位置有关，距火源越近的围护结构温度越 高。 关键词：中庭；火灾；围护；温度 一、引言 随着城市建筑向高层、大尺度、综合性方向的发展，中庭建筑以其宽敞、舒适的室 内性能以及采光、交通等功能得到越来越多的应用。中庭火灾具有火灾载荷大，燃烧产 生的烟气与热量不易排出的特点，围护结构受到高温烟气的加热，温度上升。钢以及混 凝土受热后力学性能下降是它们的共同弱点，当温度达-蛰j400℃时，钢材的屈服强度将 下降到常温下的一半，当温度达到600℃时，钢材基本失去其强度和刚度，“9．11”世 贸大厦的整体坍塌就是最典型的案例[1]。因此，研究中庭式建筑火灾发生时围护结构 的温度特性对评估建筑结构的热安全性有重要意义。 。 由于火灾过程的非定态性，围护结构的温度场随时间动态地变化，且在火羽流、烟 气层和围护结构问存在着导热、对流和辐射的复合换热，使火灾发生时围护结构温度场 的计算非常复杂。国内已有一些文献对该问题加以简化进行研究：文献[2]假设火灾发 生时，室内温度按IS0834--1975标准升温曲线上升，在此基础上计算了钢骨混凝土柱温 度场；文献[3]将烟气填充层围护结构的传热视为绝热过程，计算了未填充层围护结构 的一维温度场。 火灾发生时室内的温度分布，火羽流及烟气的辐射，围护结构间的辐射等对围护结 构的温度影响很大。现有文献一般假设室温为均匀温度，然而中庭火灾发生时火源、火 羽流、烟气填充区、未填充区的温度差别很大，需分别考虑。对火羽流及烟气的辐射一 般假设为一定温度的固体辐射，这与真实情况有较大差异。对于围护结构问的辐射，由 于涉及到复杂的辐射几何学问题，现有文献则很少考虑。 本文将中庭火灾发生时围护结构及室内的火羽流与烟气视为一个充满非均匀辐射 性介质的封闭腔，建立火源一火羽流一烟气层一未填充区的四区域模型，计算火灾室内 的温度分布，建立封闭腔辐射理论计算火羽流、烟气、及围护结构间的辐射换热，对围 422 护结构内的传热采用一维非稳态导热模型加以模拟并采用有限差分法进行离散，将封闭 腔的辐射与围护结构的：|仁稳态导热耦合求解，研究围护结构温度场的动态特性。 二、模拟中庭火灾室内温度分布的四区域模型 为了计算中庭火灾发生时室内的温度分布，本文将室内空间分为火源、火羽流、烟 气层、未填充区四个区域，如图l所示，分别考虑各区域的温度。 区域模型的概念是美国哈佛大学H。W Emmons教授最先提出的，国内～般采用双区 域模型，将失火空间分为上层相对较热的烟气和下层相对较冷的空气两个区域，并假定 两层之间分界高度在各处一致，每个区域内部的压力、温度、密度、烟气体积分数等物 理参数均匀一致。根据质量、能量守恒定律可以建立区域模型的基本方程。本文考虑火 源、火羽流的温 围护结构 度与烟气层和未填充层不同，辐射性质也 有很大差异，因此将失火空间分为四个区域。 对火源区，计算假设火灾火源位于中庭地 面中心位置，燃烧半径拟定为3m，火焰温度拟 定为1000℃(1273K)¨1。 对未填充区，假设空气温度等于烟气层与