烟囱效应（精选4篇）
烟囱效应 篇1
摘要：阐明了烟囱效应的通风原理, 介绍了烟囱效应在建筑中的表现形式, 从传统天井、新型通风塔、生态中庭等方面着手, 探讨了烟囱效应在建筑中的节能利用方式, 为现代建筑的节能设计提供了新思路。
关键词：烟囱效应,建筑节能,天井,通风塔,中庭
“烟囱效应”是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降, 造成空气加强对流的现象。在有共享中庭、竖向通风 ( 排烟) 风道、楼梯间等具有类似烟囱特征, 即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物 ( 如水塔) 中, 空气 ( 包括烟气) 靠密度差的作用, 沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象, 即为烟囱效应[1]。首先关注一下现代建筑里的一些热现象。通过对这些热现象的解释, 来引出“烟囱效应”和建筑节能的关系。
1 通风原理及思考
关于宿舍楼我相信北方的学生普遍有这样的感受, 炎热的夏季宿舍闷热无比。大部分宿舍楼都是内走廊式两侧布置房间, 即使两个相对的宿舍打开门窗也无法达到良好的通风效果。同样冬季开学之初, 楼内温度无法在开学时快速升温。了解宿舍建筑开窗无法完成通风换气的原因, 并利用室内外形成的温差, 通过热物理学来对宿舍楼进行自然降温或升温, 将会给建筑节能带来极大的方便。
了解这种现象产生的原因, 就要先了解一种常见的建筑通风方式, 再结合现象分析宿舍楼建筑内外环境为何无法进行合理的循环。
1. 1 “烟囱效应”原理
所谓烟囱效应就是指建筑内的热压通风, 其原理为当室内温度高于室外时, 热空气 ( 密度小) 上升 ( 见图1a) ) , 从建筑上部风口排出, 冷空气 ( 密度大) 从建筑底部吸入。当室内温度低于室外时, 位置互换 ( 见图1b) ) , 气流方向也互换。
烟囱效应的形成同样需要两个条件: 1) 室内外温差是首要条件; 2) 保证建筑上下部进出风口换气通畅。对于宿舍楼来说, 每个独立且密封的宿舍单元无法形成宿舍楼的上下通风, 也就无法完成热压通风。
1. 2 原理思考
通风换气的原理解释了宿舍楼无法进行良好通风换气的现象, 是否可以通过建筑设计来改善建筑通风效果, 从而提高建筑内环境质量, 可能是宿舍楼建造多考虑成本问题而不重视这种调节装置的设计和装配, 但是这种原理可以合理运用到现代建筑设计中, 以减少人造通风以及人工降温或升温的措施, 有助于建筑节能, 实现绿色建筑的目标。
无论是古代中国还是现代西方城市, 人们通过利用“烟囱效应”的原理, 在住宅中建造“天井”“通风塔”“生态中庭”等, 用来抵御自然恶劣气候、改善室内环境。我们可以通过了解我国南北方以及西方现代建筑对于“烟囱效应”原理的利用, 以及现代绿色建筑对这一原理延续的成功利用, 来指导我们进行绿色建筑设计以及旧建筑的节能改造。
2 “烟囱效应”在建筑中的表现形式
2. 1 传统民居天井
在我国南方地区民居中天井是人们长期以来应对湿热天气而形成的建筑形式, 尤其是岭南民居天井的利用较为普遍, 天井面积通常不大, 宽度相当于正间中央开间, 而长只有厢房开间大小, 小天井只有4 m × 1. 5 m, 加上四面房屋挑出的屋檐, 天井真正露天部分有时只剩下一条缝 ( 见图2) [2]。窄而高的天井形成了类似烟囱的造型, 有利于烟囱效应的产生, 同时狭小的天井避免了房屋遭受太阳的暴晒, 使住宅阴凉, 有良好的通风。
亚热带以及热带的湿热气候环境下, 即便是岭南地区的天井式建筑也无法满足较好的通风状态, 因为室内外温差较小。所以这个地区出现了干栏民居, 即以柱子将建筑物架高, 把人生活空间提升至高处的风场之中, 争取最大的蒸发冷却与干燥除湿效果。实际上这种通过抬高建筑垂直高度的手法也可以理解为增加建筑天井高度的方式。
2. 2 通风塔
在北方寒冷气候, 建筑必须在保证气密性与保温性的基础上进行建筑通风换气, 所以不能直接使用开放式天井来通风, 这就有了与天井类似作用的烟囱或者壁炉, 通过烟囱的燃烧造成温度上升, 从而引起建筑内部空气流动。因此北方建筑通常会出现高大的烟囱, 形成了北方的“烟囱文化”。例如英国国会议事堂就是通过瓦斯灯燃烧来升高出风口温度, 形成建筑内部通风换气 ( 见图3) 。
2. 3 生态中庭
随着建筑技术的发展, 建筑的体量在不断的增加, 传统的院落式建筑在现代建筑中逐渐消失。人们开始以反璞归真的心态去寻找失落的庭院文化, 在多次尝试之后庭院重新被引入现代建筑中, 就是现在人们所熟悉的“中庭”。中庭不仅仅可以作为一种有趣的建筑空间, 它的形态类似于天井和通风塔, 所以它可以承担起自然采光和自然通风的作用。中庭容易收集太阳能, 使空气升温, 天窗可以开口形成烟囱效应, 它比起需要燃烧来升温的通风塔更加的节能与环保。现代建筑中催生了生态中庭的建设。
英国莱斯特市的德蒙福特大学工程与制造学院的机械工程大楼 ( 见图4) , 是利用中庭通风的经典之作。大楼的中央演讲厅由于进深比较大, 且有一面开窗, 这是专门为了利用烟囱效应来达成风压通风的设计。该建筑风压通风的入风口设在一楼的教室以及二楼的演讲厅之间, 并于屋顶烟囱的出风口排出[3]。解释如下: 在夏天当内部听众较多而造成室内温度升高时, 进风口和出风口便会自动开启, 若是有较大风雨时, 其开口也会自动关闭。如果内部的温度低于外部, 则入风口会依据二氧化碳浓度来开启微小角度, 以引进新鲜外部空气, 维持换气量。在夏天晚上也会自动引入外气, 以冷却白天高温的结构体, 但是当达到一定设定温度17 ℃ 时, 便停止引进外气[4]。冬天夜晚或内部不使用时则出入风口皆关闭以减少热损失。
挖掘中庭的节能潜力, 利用中庭空间具有的缓冲效应, 充分利用自然采光和烟囱效应促进空间的通风和被动降温, 这是生态中庭改造的目标。
3 “烟囱效应”在建筑节能中的利用
通过宿舍楼不适宜的温度问题引出了对建筑通风透气的思考, 即“烟囱效应”这一通风原理。每个地区的建筑都是经受住了长期自然环境的考验而存留下来的, 它们结构的存在有其必然性。现代建筑依靠先进技术和先进材料而建造的尺度形态远远超过仅依靠人力所能达到的高度, 然而依靠技术和想象建设的建筑缺乏与自然的协调, 必然是以消耗大量的能源来保持其舒适的空间。天井、通风塔和中庭是这些建筑结构基础上的发展延伸, 可以为现代建筑节能提供新的途径, 这就是“烟囱效应”新的利用。
3. 1 传统天井的节能利用
传统建筑虽然形态单一, 但并不代表不能实现良好通风透气的目的, 结合天井的形态可以利用建筑楼梯间管线通道等竖向通道构成类似天井的通风通道, 这样既可以满足建筑通风, 又不必单独建造通风井等设施, 实现建筑节能的目标。
3. 2 新型通风塔的节能利用
自然通风有无污染, 低能耗等优点, 通风塔利用“烟囱效应”的原理实现了自然通风。随着建筑科技的进步, 针对矿井, 利用太阳能作为辅助能源, 对矿井中的通风塔进行加热, 形成进、出矿井的空气压力, 从而形成空气流, 达到自然通风的效果, 减少矿井内通风机的使用效率, 节约能源。现在国家对劳动工作者的工作环境十分关注, 提升矿井人员的工作环境成为了非常重要的任务, 新型通风塔利用太阳能作为辅助能源实现自然通风, 不仅可以节约能源, 而且也为采矿者提供了一个舒适的工作环境。
3. 3 中庭设计中的节能利用
现代建筑形态复杂, 传统天井已经不能满足人们的需要。中庭出现的初衷是生活在现代建筑中人们对自然院落的向往, 但是不能仅仅是一个透明材质的屋顶构成一个中庭空间, 应当符合烟囱效应通风的原理, 中庭的顶部空间结合设置进出风口, 实现自然通风, 也起到了节能的作用。
在实际建设时, 根据当地日照风向合理布置中庭在建筑中所处的位置, 由于中庭多为通透性顶棚, 不得不考虑日照问题, 北方地区需要充足日照应当考虑将中庭布置于建筑南侧, 而南方地区则相反[5]。中庭与建筑围护结构通风形成系统, 仅靠中庭无法完成整个通风过程, 应当合理设置建筑入口门窗等通风设施, 保证通风流畅, 这样才能真正起到建筑节能的作用。
4 结语
尽管现代技术可以实现人们对建筑的种种畅想, 但是不能一味的依靠技术来解决建筑空间的环境问题, 能源危机使建筑节能越来越受重视。优秀的传统建筑利用最基本的通风原理可以给我们带来启发, 利用简单可行的技术实现建筑节能的目标。本文就是通过宿舍楼这种普遍不能提供良好室内环境的现象, 引发对建筑通风原理的思考, 进而通过传统和现代建筑中对“烟囱效应”的合理利用的例子来推测现代建筑如何合理通风透气。
参考文献
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烟囱效应 篇2
“烟囱效应”是指在有共享中庭、竖向通风 (排烟) 风道、楼梯间等具有类似烟囱特征——即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物中, 空气靠密度差的作用, 沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象[1]。“烟囱效应”在建筑结构和建筑设备领域里被广泛地应用。服装中的烟囱效应一般以开口的形式来实现, 即在服装的某些部位采用开口设计来形成“烟囱效应”, 将人体产生的热量通过对流传递到外界环境中, 使人体保持热平衡。
1 研究背景
身体的热平衡对于人类的生存至关重要。为了实现热平衡, 人们往往会采用各种方式来实现这一目的, 服装是一种最好的调节和辅助方式。因此, 就形成了人体—服装—环境这个系统, 在这个系统中, 服装不仅可保护身体免受外界的直接伤害, 还可以起到辅助人体进行热调节作用[2]。
众所周知, 如果服装工程系统中能够提供某种通风特性, 利用躯体运动时产生的强制对流效果, 那么身体的多余热量就能通过它传递到外环境中, 使身体的不适最小化。许多研究考虑了服装结构设计中的各种不同的通风方式, 主要着眼于“烟囱效应”以及热量的自然升腾现象, 如通过拉链、口袋、开衩等方式进行散热设计[3]。为加强衣下内环境与外界环境之间的热交换, 在服装上增加开口设计已得到广泛应用。服装的开口设计包括领口、袖口、下摆、脚口等服装自然开口形式, 也有在服装腋下、胸部、背部等部位增加的开口设计[4]。同时, 开口又分为永久性开口和可封闭式开口。永久性开口是指在服装的某些部位直接做各种款式的开口设计;可封闭式开口则是指用拉练、纽扣、串袢等做暂时固定的可封闭式开口[5]。开口设计必须与服装整体设计很好地结合, 才能建立舒适的服装微气候, 达到调节热平衡的作用。目前, 国内外对于服装舒适性的研究主要是从服装材料的热湿物理性能方面进行[6,7,8], 而针对服装结构对热平衡的影响而开展的研究较少。然而, 材料性能并不是影响服装舒适性的唯一因素。作为服装设计的重要内容之一, 服装结构设计往往对服装的热功能性影响很大, 特别是服装各部位的开口设计。通过优化服装的结构设计可以有效促进人体的热湿平衡, 满足着装者舒适性的要求。
目前对烟囱效应的研究主要是针对特种防护服居多, 集中在对开口的位置、大小以及使用对流的方式、不同材料对开口效应的影响等方面的研究, 对传统服饰中的开口效应的分析和研究非常少。事实上, 在传统服饰中, 许多部位的结构设计也包含着烟囱效应。在长期的生活经验及实践中, 为了适应地理环境和气候条件, 人们在传统服饰中注入了符合人体工效学的设计元素。如下通过对惠安女服饰、藏袍、阿拉伯长袍等三种民族服饰开口设计的分析与比较, 阐述了烟囱效应在服装整体设计中所起的作用以及对着装舒适性的影响。
2 三种不同民族服饰“烟囱效应”的比较分析
2.1 惠安女服饰
惠安女服饰素有“汉民族最具特色服饰”之称, 被誉为“现代服饰中的一朵奇葩”[9]。虽不属少数民族服饰, 却是独具特色的地方衣衫文化。惠安女服饰整体结构特点是:上装窄而短小, 肩部、胸围合体, 下摆宽大, 长度在腰围线以上, 下摆外展至袖窿, 露出腰节, 立领, 左衽斜开襟, 窄袖, 袖长40cm左右, 袖口12cm左右。下装为低腰阔腿裤, 腰围合体, 臀围较大, 脚口宽大, 约40~50cm。采取这样的款式造型, 除了视觉上的美感及便于劳作等优点外, 还结合了服装工效学原理。在服装创作过程中, 人体、服装、环境三者相互关联构成“人体—服装—环境”系统, 这一系统是服装设计的基本依据。服装应尽可能地适应人的要求, 满足人体的生理舒适性, 如冷、热、排汗与吸汗、透气、透湿等, 同时应具有良好的气候调节性、保护并协调生理系统、适合人体运动[10]。图1为惠安女服饰中的上装款式图。
图1, 在惠女服饰的上装结构设计中, 胸凸量被转移到腰围, 与腰部的浮余量合为一体, 属梯形原型的结构特点, 形成肩、胸部合体, 下摆宽松的造型。宽松的腰部使皮肤和服装之间产生一定的空隙, 促进空气流通, 同时它又是一种下向的开口, 有利于冷空气的吸入。而前胸的斜开襟是一种上向的开口, 有利于热空气的散发, 二者形成一个上下连通的“烟囱”结构, 促进空气对流, 实现“烟囱效应”。同时, 由于惠安女常年在海边作业, 海风大, 加速了空气的对流, 促进衣下空间的换气。图2为惠安女服饰的下装款式图。
图2, 下装结构中, 两个宽阔的裤管也是一个通风顺畅的风道设计, 当劳作走动时, 宽阔的裤管又起到鼓风的作用, 使冷风能顺畅地吸入, 热风能顺利地排出, 不形成涡流, 从而促进烟囱效应。同时人体皮肤与服装之间形成空气层, 构成了衣下的微小气候, 微气候区内空气的温度、湿度和气流速度是与人体热湿舒适感关系最密切的因素。下装的设计对创造舒适的微小气候起着良好的调节作用。同时, 穿着这样的宽腿裤在海滩劳作时, 即使被海水打湿, 在风中来回走动湿气也很快就能散发。
服装的热生理舒适性还与服装材料密切相关。惠安女服饰中所采用的面料一般以棉织物、丝织物等天然纤维为主, 吸湿性和透气性较好, 在相同的款式结构下, 面料起着重要的作用。动态劳作时, 开口的设计对热调节起主导作用, 而静态休憩时, 面料则扮演着重要的角色, 它能使热量更快地散发, 使身体保持干爽透气。
2.2 藏袍
青藏高原属于高寒地区, 气候干燥, 日夜温差大, 年温差小, 在这样的气候环境中服装不仅要保暖, 而且还要易于穿脱、方便散热。因此藏族服饰普遍具有衣料厚重, 结构肥大, 袖袍宽敞的特点。藏族服饰在其款式、结构形成和发展过程中, 深受自然条件、劳动生产和文化交流的影响。藏装的形成和发展, 受着经济生活、地理环境、劳动生产、传统习惯及文化交流等诸多因素的影响。过着游牧生活的藏族, 选择便于起居、乘骑和行旅的衣着式样, 加之地处内陆高原, 昼夜温差大, 独特的气候环境, 服装的选择必须要有良好的御寒性能, 又要散热的方便, 藏袍就具备了多种条件的需要。图3为藏袍的款式图。
如图3所示, 从整体看藏袍的结构主要有以下特点:宽腰、长袖、大襟、右衽, 是一种无须量体裁衣的直线型服装。衣长略长于身高, 由于直筒肥袍行走不方便, 因此穿时用一条绳子将袍子提至习惯高度, 一般男至膝, 女至脚面, 再用腰带扎紧, 前胸形成一个自然的宽大的囊袋, 与大襟形成一个45°倾斜的上向开口。袖口宽畅, 使手臂能伸缩自如。白天阳光充足气温上升, 便可很方便地脱出一臂膀, 形成一个开口的形式, 用以调节体温。无袖袍的袖窿则是一种横向水平开口。由此可见, 藏袍袍身长、直、宽松、厚重, 使袍内充满静止的空气, 起到保暖的作用;而前襟及袖口的开口设计能起到散热的作用。藏袍面料主要以棉布、毛呢等为主, 透气性较好, 袍通常有夹里, 填充物之间的空气成为一种静止的保暖层, 增加服装的保暖度。
2.3 阿拉伯长袍
阿拉伯地处热带, 太阳辐射强, 酷热干燥少雨, 沙漠地带温度高达40~50℃, 是世界上最热的地区之一。为预防热辐射, 当地居民常常用长幅的白布把自己的头部和全身包裹, 逐渐形成以宽大的白色长袍, 头带面纱为特点的阿拉伯传统服装。宽大的长衣长袍较之背心短裤凉爽, 这似乎有点让人难以置信, 但其间确实有令人信服的科学道理。图4为阿拉伯长袍的款式图。
如图4所示, 阿拉伯长袍的结构特点为袖口宽大, 直身长袍, 腰部没有束带或系扎, 是将身体全部覆盖住的一种长袍, 很多款式还有连在一起的头巾或者相配的面纱。
在长袍的款式设计上, 领口和袖口开口部分相对较大, 宽大的袖口及下摆是一种下向的开口, 领口属上向开口, 衣身直筒宽松, 腰部无分割, 尽量回避设计上的束带、系扎、抽褶, 形成上下贯通的风道, 为内外换气创造了良好的条件。风吹到袍内, 能迅速蹿遍上下, 起着一种烟囱效应, 将身体散发出的热量和湿气一扫而去[11]。长袍的结构对创建袍内舒适的微小气候起着良好的调节作用。所谓长袍内的微小气候, 是指人体皮肤与最内层服装内的空气温度与温度的状态。当长袍内空气温度在31~33℃, 相对温度为40%~60%时感觉最舒适, 如果袍内微小气候不理想, 将影响人体的热生理舒适度。穿着这样宽松的长袍, 在活动时能起到鼓风的作用, 加速了空气的对流, 促进袍内换气, 而灌满长袍的空气又起到良好的隔热作用, 使人感到凉爽、舒适。制作长袍的面料多选择吸湿性、透气性较好的织物, 如棉、麻、丝等。颜色多以浅色为主, 以尽量减少吸收热量。
通过对以上几种不同风格、不同民族服装的比较, 可以得出它们产生烟囱效应的共同点:在服装的结构设计上, 都具有一个产生烟囱效应的上下贯通的风道设计, 使空气产生对流, 促进衣下空间的换气。3种服装的特定部位都具有一定的放松量, 使服装与人体皮肤之间形成空气层, 构成了衣下的微小气候, 对温度调节产生一定的影响。3种服装所采用的面料一般为棉、麻、毛、丝等天然织物, 具有良好的吸湿性和透气性, 有利于湿气的散发。
而它们产生烟囱效应的不同点主要体现在3种不同服装产生烟囱效应的开口的位置、大小、方向各不相同。惠安女服饰是一种上下装分开的款式, 上装中利用衣下摆的下向开口与门襟的斜向开口产生烟囱效应, 下装利用两个下向的、宽大的裤管产生烟囱效应;阿拉伯长袍则是一种上下一体的连身结构, 宽大的袍身与袍袖形成一种开口效应;藏袍一是袍身宽大, 前开襟, 二是通过敞开的一只袖子产生开口的效应。
3 结语
服装的结构和面料对服装的热舒适性都有一定的影响, 服装的开口是为了穿着的舒适性、功用性、装饰性而设计的结构形式。虽然三种不同类型的服装开口的位置、大小、方向各不相同, 但其目的却是一致的, 都是为了通风、透气, 创建适宜的衣下微气候, 以满足人体的生理舒适性要求。
摘要：在服装某些部位采用开口设计可形成“烟囱效应”。通过对惠安女服饰、藏袍、阿拉伯长袍等几种民族服饰开口设计的比较和分析, 得出三种民族服饰开口设计的位置、大小及方向的特点。虽然各不相同, 但只要具有一个产生“烟囱效应”的上下贯通的风道, 就能达到通风、透气的效应, 满足人体的热平衡。
关键词：烟囱效应,服装,结构设计,开口,舒适性
参考文献
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烟囱效应 篇3
1 隧道模型
选用南京某隧道建立物理模型,该隧道为双洞单向行驶隧道,隧道暗埋段长1 410 m。隧道暗埋段单洞净宽12.5 m,净高5.5 m。在隧道暗埋段中的半敞开部分,采用中间开口的结构形式,开口横截面均为3.6 m×2.6 m,4个开口为1组,组间隔墙8.8 m。每个开口内靠近隧道顶部均有一个宽0.8 m、高2.0 m的梁。隧道中间最长暗埋段为250 m。在每个开口的上方均安装与开口横截面积相同、高度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 m的烟囱结构,模拟时采用单洞模型。模拟采用美国国家标准技术研究院National Institute of Standards and Technology(NIST)开发的场模拟程序FDS。
2 工况设置
为分析不同烟囱高度时竖井型隧道发生火灾时的烟气扩散情况,选取典型的8个烟囱高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 m)进行模拟。研究隧道最不利位置发生火灾时的防排烟效果,在最长暗埋段的中间部位设置火源,如图1所示。该隧道为城市隧道,中型汽车的自燃(大约为7.5 MW左右)是发生火灾的最大可能危险。燃烧尺寸为1.5 m×1.5 m。隧道外压力为标准大气压,模拟时隧道内部风速取0.9 m/s。考虑到倒灌风对烟气扩散的影响,倒灌风速取1 m/s。
隧道中发生火灾后,火源上方的高温烟气将对隧道拱顶进行炙烤。研究表明,混凝土的力学性能会随着温度升高而改变,当超过500 ℃时,抗压强度仅为原来的60%,因此研究中以500 ℃为特征温度。
模拟分别从人眼特征高度处火灾烟气的浓度和温度着手进行分析。模拟分析时人眼的特征高度取1.75 m。根据前人试验可知,逃生人员暴露其中的温度在15 min内不应大于80 ℃。当环境中CO的体积分数超过1×10-4(125 mg/m3)时,人体就会产生头晕、乏力等不适感;当CO体积分数超过6×10-4时,短期内会引起窒息死亡。因此,在距隧道地面1.75 m和隧道顶部设置了一系列监测点,测定火源两侧不同距离处安全高度1.75 m处CO的体积分数。考虑到计算机性能、模拟时间、模拟精度等原因,对网格进行了局部加密,模拟时间设为300 s。
3 模拟结果分析
3.1 顶棚处温度变化规律
随着烟囱高度的增加,火源正上方处的最高温度分别为763、727、669、749、701、775、802、750 ℃,火源正上方产生的高温对顶棚结构造成破坏,大大降低了隧道整体结构的安全性,隧道顶部需增加防火涂层。
图2、图3为顶棚处温度的变化规律。随着与火源距离的不断增加,顶棚处最高温度不断降低,主要由于烟气的扩散,高温热烟气不断卷吸周围冷空气,导致温度不断降低。上、下游距火源5 m处的最高温度分别为301、311 ℃,不足以对顶棚结构造成破坏。当与火源的距离增大至靠近竖井时,之后再增加与火源的距离,顶棚处最高温度趋于一定值,主要由于烟囱效应的作用,外界空气向竖井内卷吸度大幅增加,烟气流速加快,未及聚集即蔓延出竖井,竖井内温度梯度比较一致,故顶棚处温度值在稳态情况下近似为一定值。
3.2 安全高度处温度变化规律
在距火源5 m以外,上、下游所有监测点的温度均位于80 ℃以下,对人员安全不会造成太大的威胁,并且随着距离增加,各测点的最高温度几乎降到与环境温度相同。随着与火源距离的增加,安全高度处温度先逐渐降低至环境温度,然后又有不同程度的升高,主要是因为在暗埋段距离通风口较远处,由于冷热空气对流和隧道壁面对高温烟气冷却作用的结果,温度不断降低且下降的梯度越来越小。最后随着与通风口的靠近,在从烟囱口吹入的倒灌风的影响下,部分沿隧道顶部蔓延的烟气回流造成温度有不同程度的升高。
3.3 安全高度处CO体积分数变化规律
随着时间的增加,CO体积分数都呈上升趋势;在火源正上方处CO体积分数很高,且随着到火源的距离逐渐变大,CO体积分数先增加再不断地降低。这是因为与火源距离大,受火源影响就较小,所受到的热辐射小于较近的测点,烟气层相对较低,导致安全高度处CO体积分数相对较高。烟气扩散至竖井段时,由于隧道内外的温度差产生了气体密度的差别,于是形成压力差,驱使隧道内外的空气流动。隧道内温度高的烟气因密度小而上升,并从上部通风口排出,隧道外温度比较低而密度大的新鲜空气被吸入,隧道内外的空气源源不断地进行流动,导致隧道内的CO体积分数不断降低至0。无论何种的烟囱高度,所有隧道内的安全高度处CO体积分数值均远远小于1×10-4,不会使人产生不适感或中毒。CO体积分数低主要是由于初期燃烧较为充分。图4～图10是不同位置安全高度处CO浓度的变化规律。
3.4 烟气沉降规律
上、下游各个纵向位置处的烟气层沉降速度接近一致,且随时间增加,烟气的高度不断降低。上游15m处烟气高度稳定在3.4m以上;上游85m处烟气高度稳定在2.4m以上;下游5m处烟气的运动较为剧烈,但烟气高度仍稳定在3.0m以上;下游35m处烟气高度稳定在3.2m以上。当烟气运动到靠近竖井段时运动很剧烈,主要因为隧道内外的冷热气体产生较大的密度差,热烟气被卷吸向上运动,同时与从隧道两侧开口吸入的新鲜空气发生碰撞,导致烟气运动不规律。烟气不断靠近隧道两端开口时,由于新鲜空气的不断吸入,致使烟气无法扩散至隧道开口处。烟气高度在300s内都没有降到安全高度1.75m以下,按正常行走速度1.5m/s计算,人员有足够时间疏散至敞开段。图11、图12为不同时刻与火源不同距离处的烟气沉降规律。
4 结 论
(1)竖井型隧道采用自然通风的排烟模式是切实可行的,不同烟囱高度均能起到很好的排烟效果。
(2)火源正上方的高温对隧道顶棚结构具有较大的威胁,需对隧道顶部做防火处理。与火源的距离大于竖井距离火源的距离的位置,顶棚最高温度趋于一定值。
(3)安全高度处烟气温度随着与火源距离的增加,先迅速降到环境温度且下降的梯度越来越小,然后又有不同程度的升高。烟气温度不会对人员疏散构成威胁。
(4)CO浓度随时间的增加呈上升趋势,且随着与火源距离的增加,先增加再降低至0,不会使人产生不适感。
(5)不同烟囱高度的竖井型隧道内烟气高度在300 s内都没有降到安全高度1.75 m以下,对人员疏散影响较小。人员有足够时间疏散至敞开段。
参考文献
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烟囱效应 篇4
羽流作为流体的一种,具有很强的湍流特征[1]。如果不考虑火灾中火源所处的位置以及火源类型,只考虑烟气流动路径的话,可以把火羽流分为轴对称羽流和非轴对称羽流。轴对称羽流模型是火灾安全工程领域中使用最多的一种羽流,在这种羽流中,以羽流的垂直中心线作为对称轴,周围环境空气从各个方向上水平、均匀的卷吸进来。而现实生活中还存在另一种羽流—非轴对称羽流,在此种羽流中,空气在某一侧卷吸量比另一侧多得多,羽流呈倾斜状态,烟囱效应下的火羽流就属于典型的非轴对称羽流。
烟囱效应是由烟气自身浮力和竖井内外压差综合作用而产生[2,3],这就导致了环境空气存在一个强烈的水平运动,进而使火羽流具有初始的水平动量,同时又受到向上的浮力作用,因此其运动轨迹从理论上说为斜向上方。从表面形态来看,它类似于处于风洞中的火羽流形态[4,5,6],但是两者有着本质的不同:风洞中的羽流是被动卷吸外界来流的,而烟囱效应中的水平风速是由温度差诱导产生的,火羽流主动卷吸周围冷空气。
前人通过理论分析和实验,针对羽流轴线的温度、特征位置的流速和质量卷吸率等进行了大量的研究[7],并提出了许多羽流模型,每种羽流模型在其适用范围内对羽流特征点的温度、流速和质量卷吸率都有各自的表达式。但是,目前烟囱效应作用下的倾斜羽流结构研究还很少,本文主要通过建立烟囱效应下火羽流的质量、动量以及能量守恒方程,建立羽流轮廓、火羽流质量流率、轴线速度与温度等模型。
2 理论基础
2.1 倾斜火羽流结构模型构架思想
本模型中,定义如下变量均为高度z的函数:高度z处的温差: ΔT(z) [K];高度z处羽流直径: b(z) [m];高度z处羽流上升速度: u(z) [m/s];高度z处羽流质量流率: mp(z) [kg/s]。
图1为坐标示意图及一组全尺寸实验中截取的部分图片,其中x方向为水平气流进入方向,y轴与x轴垂直。从图1-2中可以看出,对于均匀的外界来流,正对入口的火焰面两侧卷吸情况基本相同,y方向的羽流直径沿着高度z方向变化不大,因此可将此倾斜羽流作为二维情况进行近似。而迎风侧与背风侧的卷吸不同,造成了倾斜羽流的产生,那么其直径可以通过下列方法得到:处于主动与自由卷吸综合作用下的羽流直径减去仅处于主动卷吸下的羽流直径,图2-3显示了此方法中倾斜羽流的构成。
为了对羽流特性进行简单分析,必须做以下若干假设:(1)假设迎风侧的边界是垂直的,并且对羽流轮廓没有作用,如图2-1和图2-2;(2)假设整个系统中无辐射热损失;(3)假设自然卷吸部分的卷吸速度与羽流轴线速度成正比,即v=αu,其中α为卷吸常数;(4)忽略了除迎风侧和背风侧的卷吸情况,假设为二维倾斜羽流;(5)假设竖直方向上的密度差很小。
2.2 倾斜羽流的理论模型
初始,我们建立一般的质量流率、动量、能量的表达式,通过量纲分析的方法对此积分方程求解,来推导出上述提及的各种变量[8]。
(1)主动和自由卷吸联合作用下的羽流轮廓方程(图2-1)
此羽流直径为x1(z),截面积为x1(z)l,高度z处的质量流率表达式可写为:
undefined (1)
式中,ρ为火羽流密度,l为火源边长。
在微元dz高度上的浮力可以表示为:
dF=g(ρ∞-ρ)dz·lx1(z) (2)
式中,g为重力加速度,高度z上的动量流率(质量流率乘以速度) 为:
undefined (3)
假设羽流没有辐射热损,那么在高度z上的能量流率可以写为:
undefined (4)
式中,cp为一定压力下的气体比热,利用理想气体定律,温差可以写为:undefined, 式4变为:
undefined (5)
因此,我们可以在密度差和热释放速率之间建立如下关系式:
undefined (6)
(a) 质量连续方程
质量连续方程中,火羽流通过微元高度dz的质量流率的变化等于在dz高度上的空气卷吸量。 在高度dz上的质量流率变化为:
undefined (7)
通过微元dz卷吸进入的质量流率等于此高度上的羽流截面积(= l·dz)乘以水平卷吸速率v,再乘以环境空气密度ρ∞。如前所述假设,我们定义水平卷吸速率为卷吸系数α乘以羽流上升速度u(v = αu),在烟囱效应下的倾斜羽流模型中,还要多考虑一个水平的强迫卷吸速度v(z),同样的求出高度微元dz的卷吸速率如下:
l·α·u(z)·ρ·dz/dz+l·v(z)·ρ·dz/dz (8)
式中, v(z) 为水平强迫卷吸速度,本章采用在实验中测得的平均速度undefined来简化计算。
令式(7)和(8)相等,得质量连续方程:
undefined (9)
(b) 动量方程
浮力在高度微元dz的作用导致了该处火羽流动量的变化,对式(3)进行高度的微分,得动量沿高度的变化为:
undefined (10)
同样对式(2)中浮力进行微分,得到:
dF/dz=g(ρ∞-ρ)lx1(z) (11)
使式(10)和(11)相等得:
undefined (12)
我们再一次利用弱羽流假设,因此ρ在竖直高度上为常数。利用式(6),得到微分方程:
undefined (13)
假设上式中的ρ近似等于ρ∞,也就是弱羽流假设中所考虑采用的。因此式(13)变为:
undefined (14)
(c) 两个微分方程的求解
为了解出方程(9)和(14),我们假设羽流直径x1(z)、速度u(z)和高度z的幂函数:
undefined
(15)
式中,c1和c2都是常数。
式(9)变成:
undefined (16)
同样,式(14)变为:
undefined (17)
利用量纲和谐原理,式(16)和(17)中,等式两边z的指数必须相同,因此解得m和n为:
undefined
(18)
进而得到主动卷吸和自由卷吸联合作用下的羽流轮廓方程为:
undefined
从式(19)可知,在主动卷吸和自由卷吸联合作用下的羽流轮廓(在烟囱效应诱导倾斜羽流中为背风侧)为线性,且羽流轴线竖直方向上的速度近似为一常数c2,此数值与火源功率、进口流速和卷吸因子有关。
(2)仅处于主动卷吸中的羽流轮廓方程(图2-2)
式(19)中得到火羽流轴线的竖直速度u(z)为一常数c2,同时水平卷吸速度也假设为常数,也就是说迎风侧的羽流轮廓为直线型。因此我们得到烟囱效应下倾斜火羽流的两侧是均匀对称的,均与高度z呈线性关系,羽流轮廓如图3中所示。
竖直速度u(z)的值与卷吸因子α有很大关系,此时的卷吸因子α应该与理想羽流中一般认为的0.15不同,进而影响到迎风侧羽流轮廓的确定。为了进一步确定烟囱效应诱导下倾斜火羽流的轮廓,可通过全尺寸实验进行比较。
3 实验装置和过程简介
实验在PolyU/USTC大空间火灾实验厅内展开[9],里面提供了一个2m×2m×15m(高)的竖井和一个2m×4m×3m高的前室来进行全尺寸实验。图4为实验台结构简图。采用TVB-100型红外热像仪对火羽流的温度场进行测量。红外热像仪来记录火羽流的温度场,从而确定火羽流轮廓。竖井内中心线位置设置了一串热电偶串,用来记录烟羽流的温度变化,起火前室开口设置三个皮托管测点,用来测量进口流速。实验采用了四种火源:分别为l=0.5m,0.6m,0.7m和0.8m,燃料为汽油,环境温度为278K。
在实验中,火源被点燃后,烟气迅速充满前室,并从前室进口和前室与竖井交接口两处分别向外产生溢流。随着竖井内温度的升高,烟囱效应产生,烟气逐渐转为向竖井内单向蔓延,前室开口处无烟气向外溢流,大量室外空气补充进起火前室,此时对于火羽流来说产生了主动卷吸,火羽流倾斜,如图1-2所示。
4 实验结果分析
图5为从红外热像仪中选取的几幅火羽流温度场照片,主动卷吸是从右至左发生的,从图中我们可以测量得到迎风侧火羽流的偏转角度(θ),本文所提到的角度值是在每种工况下截取了若干图片之后所得到的平均值(undefined)。从图6中可以发现羽流迎风侧基本呈直线,这与理论分析结果类似,但是羽流倾斜的角度和火源功率没有明显关系。
在风洞中,随着水平来流的增强,羽流偏转角度增加。但是在垂直竖井中,水平速度不是外界主动施加的,而是由烟囱效应诱导产生。随着火源功率的增大,烟气浮力增强,竖直方向火羽流速度变大,同时水平的侧向来流速度(undefined)也增加,因此水平速度与垂直速度之比(tgθ)不能够明显的显示出较一致的规律性。也就是说,速度和竖井内的温度是相互关联的,因此,羽流的倾斜角度就很可能限制在一定范围内,从实验中看出此值在50°到60°之间。
5 讨论
本文在理论分析和全尺寸实验的基础上,发展了一种简单的竖井中烟囱效应下羽流模型,结果显示,火羽流的两侧是对称的并且呈同样的线性规律(与高度z成正比),迎风侧的倾斜角度在50° 到60°之间,进一步精确的范围需要大量的全尺寸实验支持。
卷吸因子α是一项很重要的影响因子,羽流直径和轴线速度都与卷吸因子α有关,但是由于卷吸情况不同,烟囱效应诱导下的羽流卷吸因子与自由羽流中假定的0.15肯定不同,因此需要在接下来的工作中进行深入研究。
致谢
本文的主要工作于中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室大空间实验厅内进行,实验室相关老师和同学对实验给予了大量指导和帮助,在此表示感谢。
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