建筑外墙不同防火构造下窗口火竖向蔓延的阻隔机制研究

建筑外墙不同防火构造下窗口火竖向蔓延的阻隔机制研究当起火房间的火灾发展到通风控制阶段,高温烟气产生的热压和热辐射会导致外窗玻璃的破裂,高温烟气夹带着火焰从破碎窗口喷出,形成的窗口火溢流现象。火溢流在浮力的作用下沿建筑外立面向上蔓延,由于高温辐射与热传导作用,其上部楼层的玻璃可能会破裂,导致火灾进一步向上层楼层蔓延,形成立体火灾。建筑外立面窗口火溢流是形成建筑立体火蔓延的初始阶段。抑制窗口火蔓延速度和避免立体火灾的形成,除了提高建筑外立面的耐火等级外,依赖于建筑外立面本身的防火阻隔构造是非常有必要的。不同建筑外立面构造下的窗口火溢流的溢出形态不同,使得燃烧室内温度和建筑外立面的温度分布、传热特性(如热辐射和热对流等)也不尽相同。如何依据建筑构造的实际情况,掌握建筑外立面火灾发生、发展的机理,确定合适的防火技术要求,进而开发能够抑制火溢流及垂直火蔓延的建筑构造技术,确保高层建筑的防火安全性,已成为当前消防安全工程领域亟待解决的关键问题。本论文围绕建筑外立面不同防火构造下窗口火溢流行为特征,采用实体实验、数值模拟和理论分析手段,进行窗口尺寸、窗口高宽比、窗口的竖向位置、防火挑檐宽度、防火挑檐位置和火源功率等因素对窗口火溢流阻隔机制的研究。提出基于防火挑檐、上下窗间墙高度和窗口尺寸的建筑外立面温度分布的计算方法,提出具有一定适用范围的抑制外立面窗口火溢流竖向蔓延组合方案,从而降低外立面窗口火溢流竖向蔓延对上层建筑的危害。主要研究工作包括：(1)设计并搭建1/2缩尺寸火溢流阻隔技术实验台。实验台包含可调窗口、可调节防火挑檐、楼梯、侧开门及温度测量系统等主要组成部分。通过改变窗口形状、尺寸、竖向位置和防火挑檐宽度等参数,观察不同防火构造边界条件下窗口溢出羽流行为特征,并获得燃烧室内和建筑外立面温度分布变化规律。(2)自由边界条件下建筑外立面窗口火溢流行为及数学表征。在研究自由边界条件下窗口火溢流影响机制时,除了考虑通风因子的影响,还着重分析窗口高宽比和窗口竖向位置对其影响机制,揭示窗口高宽比和竖向位置因素对燃烧室内和建筑外立面温度分布的影响规律。通过能量守恒原理建立燃烧室内平均温度表征模型。基于前人学者研究的基础上,提出耦合窗口高宽比的无量纲溢出热释放速率和自由条件下建筑外立面无量纲温度分布模型。(3)防火挑檐限制边界条件下建筑外立面窗口火溢流行为及数学模型表征。首先利用1/2缩尺寸实验台实验研究防火挑檐宽度对燃烧室内和建筑外立面不同阶段内的温度分布变化规律,然后利用数值模拟研究防火挑檐位置和火源功率对燃烧室内和建筑外立面温度分布、溢出羽流厚度和溢出的水平速度等参数的影响规律。在此基础上引入无量纲温度变化率,提出具有一定适用范围(Qex*>1.3,Lhp>0.1)的防火挑檐限制下建筑外立面温度分布模型。(4)提出预测建筑外立面温度分布的计算方法及抑制建筑外立面窗口火溢流竖向蔓延的组合方案。利用以上研究成果建立的温度分布模型,采用理论分析和数值模拟方法,研究当窗口窗间墙高度和防火挑檐宽度小于规范要求时,同时设置窗间墙和防火挑檐使其满足对火溢流垂直蔓延的阻隔作用的可行性。建立预测建筑外立面温度分布的技术方法,在此基础上提出具有一定适用范围的窗间墙和防火挑檐二者之间的等效组合方案。本文的研究成果,有助于深入理解不同建筑外立面构造下建筑外立面窗口火溢流竖向蔓延的行为特征,提出的抑制外立面窗口火溢流危害的建筑构造方案,可有效降低外立面窗口