一、烟气流动的驱动作用

烟囱效应

烟囱效应是指当外界温度较低时，在诸如楼梯井、电梯井、垃圾井、机械管道内，其空气温度较于外界更高，从而使内部空气密度较于外界更小，产生了使气体向上运动的浮力，导致气体自然向上运动的现象。当外界温度较高时，则在建筑物中的竖井内存在向下的空气流动，这也是烟囱效应，可称之为逆向烟囱效应。在标准大气压下，由正、逆向烟囱效应所产生的压差为：

浮力作用

着火区产生的高温烟气由于其密度降低而具有浮力，着火房间与环境之间的压差可用类似的形式来表示：

Ｆｕｎｇ进行了一系列的全尺寸室内火灾实验测定压力的变化，试验结果指出：

（１）对于高度约３．５ｍ的着火房间，其顶部壁面内外的最大压差为１６Ｐａ。

（２）对于高度较大的着火房间，由于中性面以上的高度ｈ较大，可能产生很大的压差。

（３）如果着火房间温度为７００°C，则中性面以上１０．７ｍ高度上的压差约为８８Ｐａ，这对应于强度很高的火，所形成的压力已超出了目前的烟气控制水平。

气体热膨胀作用

燃料燃烧释放的热量会使气体明显膨胀并引起气体运动。因燃料热解、燃烧过程所增加的质量与流入的空气相比很小，可将其忽略，则着火房间流入与流出的体积流量之比可简单地表示为温度之比：

外部风向作用

在许多情况下，外部风可在建筑的周围产生压力分布，这种压力分布可能对建筑物内的烟气运动及其蔓延产生明显影响。一般，风朝着建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，这可增加建筑物内的烟气向下风方向流动。风作用于某一表面上的压力可表示为：

外部风向作用

一般而言，在距地表面最近的大气边界层内，风速随高度增加而增大，而在垂直离开地面一定高度的空中，风速基本上不再随高度增加，可以看作等速风。在大气边界层内，地势或障碍物（如建筑物、树木等）都会影响边界层的均匀性，通常风速和高度的关系可用指数关系来进行描述：

供暖、通风和空调系统

供暖、通风和空调系统（ＨＶＡＣ）被广泛运用在现代建筑中，其中，ＨＶＡＣ在火灾发生时能够迅速传送烟气，处于工作状态的ＨＶＡＣ系统在火灾开始阶段有助于对火灾的探测。然而，随着火势的增长，ＨＶＡＣ系统也会将烟气传送到它能到达的任何地方，加速了烟气的蔓延，同时，它还可能将大量新鲜空气输入火区，促进火势发展。因此，ＨＶＡＣ系统中应当采取必要的保护措施，以降低ＨＶＡＣ在火灾中产生的不利作用，延缓火灾的蔓延

二、烟气流动分析

火羽流

在火灾中，火源上方的火焰及燃烧生成的烟气通常称为火羽流。实际上，所有的火灾都要经历这样一个重要的初始阶段：即在火焰上方由浮力驱动的热气流持续地上升进入新鲜空气占据的环境空间，这一阶段从着火（包括连续的阴燃）然后经历明火燃烧过程直至轰燃前结束。

顶棚射流

顶棚射流是一种半无限的重力分层流，当烟气在水平顶棚下积累到一定厚度时，它便发生水平流动。

大空间窗口羽流

墙壁上的开口（如门、窗等）流出而进入其他开放空间中的烟流通常被称为“窗口羽流”。根据木材及聚氨酯等实验数据可得到平均热释放率的计算公式：

三、烟气层有关参数计算

封闭空间的烟气填充过程，直到烟气层界面下移到垂直开口的上边缘为止，烟气始终在封闭空间的上部累积，如图３．１所示。由于热膨胀，过量的空气被挤出封闭空间。当烟气层降低到开口上界面以下位置时，随着新鲜空气的进入，烟会流出封闭空间。

四、烟气流动的计算方法及模型选用原则

概述

运用数学模型模拟计算防火的发展过程，是认识火灾特点和开展有关消防安全水平评估的重要手段，尤其对建筑物的性能和设计来说尤为重要。火灾过程是可燃物在热作用下发生的复杂物理化学过程，与周围的环境有着密切的相互作用。建筑火灾的计算机模型有随机性模型和确定性模型２类。

经验模型相关概念

经验模型是指以实验测定的数据和经验为基础，通过将实验研究的一些经验性模型或是将一些经过简化处理的半经验模型加上重要的热物性数据编制成的数学模型。

区域模型一般假设

区域模型一般有如下的假设：

（１）受限空间内部压力均匀分布。

（２）各个控制体内的气体被认为是理想气体，并且气体的相对分子质量与比热视为常数。

（３）能量传递除部分由质量交换造成外，还包括辐射与导热。

（４）忽略壁面对流体运动的摩擦阻碍作用。

（５）受限空间内部物质的质量与热容相对墙壁、顶棚与地板可以忽略。

（６）不同控制体之间的质量交换主要由羽流传递作用与出口处卷吸作用造成。

（７）忽略烟气运动的时间，认为一切运动过程在瞬间完成。

场模型参数研究

火灾的场模拟研究是利用计算机求解火灾过程中各参数的空间分布及其随时间的变化，是一种物理模拟。场是多种状态参数的空间分布，是通过计算这些状态参数的空间分布随着时间的变化来描述火灾发展过程的数学方程集合。

场区混合模型研究

基于试验研究的结果和计算机客观条件等限制，我们采用场模拟的方法来研究着火房间或强流动区域，对其他非着火和非强流动区间采用区域模拟的方法。这种混合模拟方法，兼顾场模拟和区域模拟两者的优点，并能更为准确地反映火灾过程的特征，这种方法简称为场区模拟方法