小尺寸竖井内羽流前锋上升时间试验研究
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第３３卷第２期 ２０１２年２月 哈尔滨工程大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０】．３３ Ｎｏ，２ Ｆｅｂ．２０１２
小尺寸竖井内羽流前锋上升时间试验研究
赵建贺，郜 台，霍岩，钟伟
（哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：为得到竖井火灾中羽流前锋上升时间，搭建了小尺寸竖井火灾试验台，测量了两端开放竖井火灾和底部封闭竖 井火灾中温度分布．当热电偶温升达到１５￣Ｃ时，确定为烟气羽流前锋到达该处，在此条件下，得到了两端开放竖井与底 部封闭竖井中羽流前锋上升时间半经验公式，分别为ｔ＝８．９６Ｑ Ｚ１／２和ｔ＝１５．４６Ｑ ４ ．在相同火源及竖井尺寸条件
下，开放竖井中羽流前锋上升速度远高于底部封闭竖井中羽流前锋上升速度．试验结果可为安全工程设计提供参考．
关键词：两端开放竖井；底部封闭竖井；火灾；烟囱效应；羽流前锋上升时间
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７０４３．２０１０１２０１８
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．Ｕ．２０１２０２０７．０００７．０１２．ｈｔｍｌ 中图分类号：Ｘ９３２；ＴＵ９９８．１文献标志码：Ａ文章编号：１００６－７０４３（２０１２）０２－０１６０－０６
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ
ｐｌｕｍｅ ｆｒｏｎｔｓ ｉｎ ａ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅｄ ｓｈａｆｔ
ＺＨＡＯ Ｊｉａｎｈｅ，ＧＡＯ Ｙｅ，ＨＵＯ Ｙａｎ，ＺＨＯＮＧ Ｗｅｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｍａｌ１．ｓｃａｌｅｄ ｆｉｒｅ ｓｈａｆｔ ｂｅｎｃｈ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌｕｍｅ ｉｎ ａ ｔｗｏ．ｅｎｄ．ｏｐｅｎ ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ．ｅｎｄ．ｃｌｏｓｅｄ ｓｈａｆｔ．Ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍｏｋｅ ｐｌｕｍｅ ｆｒｏｎｔｓ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ ｂｅｃａｍｅ １５℃ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｓｅｍｉ—ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｅ—
ｑｕａｔｉｏｎｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｔ：８．９６Ｑ一 Ｚ１／２ａｎｄ ｔ：１５．４６Ｑ一 ．，ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌｕｍｅ ｉｎ ａ ｔｗｏ—ｅｎｄ—ｏｐｅｎ
ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ—ｅｎｄ．ｃｌｏｓｅｄ ｓｈａｆｔ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｖｅｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｍｏｋｅ ｐｌｕｍｅ ｆｒｏｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｉｎ ａｎ ｏｐｅｎ ｓｈａｆｔ ｉＳ ｆａｓｔｅｒ ｔｈａｎ ｉｎ ａ ｂｏｔｔｏｍ—ｅｎｄ．ｃｌｏｓｅｄ ｓｈａｆｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｉｒｅ ａｎｄ ｓｈａｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ａ ｒｅｆｅｒ． ｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｗｏ—ｅｎｄ—ｏｐｅｎ ｓｈａｆｔ；ｂｏｔｔｏｍ－ｅｎｄ—ｃｌｏｓｅｄ ｓｈａｆｔ；ｆｉｒｅ；ｓｔａｃｋ ｅｆｆｅｃｔ；ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｐｌｕｍｅ ｆｒｏｎｔ
建筑物向高层发展是现代建筑设计的一个必然
方向 Ｊ，高层建筑物内大都设有多而高的竖井，一
旦起火，高温烟气会通过竖井由建筑物下层快速蔓
延至顶层甚至整个建筑物．上海１１．１５大火在１ ｈ
内２８层楼全部过火，火势迅速蔓延的主要原因是烟
囱效应．因此有必要进行相关研究来得到竖井内烟
气运动规律，为安全工程设计提供参考．
前人对非受限空间内羽流前锋上升时间进行过较
多研究，Ｔａｎａｋａ等曾对非受限环境中羽流上升时间进
行过试验研究，建立了羽流前锋上升经验公式 ；Ｌ．Ｈ＿
Ｈｕ等分别研究了自由环境下、墙边、墙角边油池火浮
力羽流前锋的上升时间，并推导了半经验公式 ；Ｈｅｓ一
收稿日期：２０１０—１２－０６． 网络出版时间：２０１２－２－７ ０：０７． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０９７２０６３）． 作者简介：赵建贺（１９８５－），男，博士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｉａｎｈｅ＠ｌｉｖｅ．ｃｎ； 郜冶（１９５３一），男，教授，博士生导师． 通信作者：赵建贺． ｋｅｓｔａｄ对非受限油池火羽流前锋上升时间研究情况进 行了总结，并对其进行了无量纲化处理 Ｊ．
竖井内烟气羽流运动规律相对于非受限空间羽 流运动规律较复杂，因为竖井内烟气运动受到烟囱
效应，外界冷风引射入竖井及竖井壁面粘滞阻力等
诸多因素的影响．目前对竖井内烟气羽流前锋运动
规律研究较少，Ｔａｎａｋａ等曾在开放竖井及封闭竖井
内进行过大尺寸试验，并得到了无量纲羽流前锋上
升时间的经验公式 ；张靖岩等利用小尺寸竖井实 验台ｉ贝４量了开放竖井和封闭竖井内羽流前锋上升时
间，并得到了羽流前锋上升无量纲时间与竖井无量
纲高度之间的定量关系式 ． 本文通过小尺寸火灾试验，对两端开放竖井及
底部封闭竖井中不同燃料条件下羽流前锋上升时间
进行了研究，并定量描述了其运动规律．
第２期 赵建贺，等：小尺寸竖井内羽流前锋上升时间试验研究
１ 非受限环境中羽流前锋上升时间
火羽流前锋上升的动量方程表达式：
：（ｐ 一 ）ｇＡＰ）ｇＡ ．（１） — 一 ｐ＊一 ； ｒ
式中： 为热烟气质量流量，ｋ＃ｓ；ｕ 为羽流向上的
速度，ｍ／ｓ；Ａ 为羽流水平截面面积，１３１ ； 为高度
处密度，ｋｇ／ｍ ；ｐ 为环境空气密度，ｋｇ／ｍ ；ｇ为重
力加速度，ｍ／ｓ ；ｚ为火源上方的高度，ｉｎ； 为羽流上
升时间，ｓ．
对流热释放率、温升与羽流前锋上升速度有如
下关系：
Ｑ ＝Ｇ。ｍ △ ＝Ｃｐｐ Ａ △ （２）
式中： 为对流热释放速率，ｋＷ；Ｃ 为比热容，ｋＪ／ （ｋｇ・Ｋ）；ＡＴ为羽流内外温差，Ｋ．
ｍ ＝Ｐ： Ａ：． （３） 因为 ＝Ｔ Ｐ ，ＡＴ＝ — ，△ｐ＝ｐ ＝ ，所以由
理想气体状态方程可得
Ａ Ｔ： ． （４） ｍ ’ 、 ， １∞Ｐ： 式中： 为高度ｚ处温度，Ｋ； 为环境温度，Ｋ；４０
为羽流内外气体密度差，ｋｇ／ｍ ．
将方程（２）～（４）代入式（１）中，可得
一 ｒ 、 ｄｔ —ｐｚＣｐＴ ‘ ／
文献［６－７］认为高度 处的羽流截面积与羽流 高度的平方成正比，且有如下关系式： Ａ：＝订 ２， （６）
ｒｚ＝ ． （７）
式中： 为羽流半径，ｍ；卢为半径常数．
ＮＦＰＡ ９２Ｂ认为常数取值在０．１２５～０．２５＿６ 取值， Ｌ．Ｈ．Ｈｕ等通过全尺寸实验确定了Ｂ取值为０．２６８Ｌ３］，
Ｇ．Ｈｅｓｋｅｓｔａｄ综合了Ｇｅｏｒｇｅ、Ｋｕｎｇ和Ｓｔａｖｒｉａｎｉｄｉｓ的测 量结果 ｊ，认为常数Ｂ应在０．１０４～０．１９４取值．
通过Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，设定Ｐ：＝Ｐ ．将式（６）、
（７）代入式（５），并附上边界条件（ｔ＝０ Ｓ，ｔｔ ＝
０ ｍ／ｓ），通过求导运算及积分变换，得到羽流上升
速度表达式：
＝ｔｔｚ 壶（ ） ．㈩ Ｉ赫 ‘
对式（８）进行变换后两边积分，得
＝吉（— 竽一） ／２・了２ ３／２＋Ｃ２ ７ｒ ，（９）ｐ Ｔ Ｉ Ｃ ／ ３‘ 。 ’
Ｚ２ ．Ｃ
。吉。（ ＇ｒｐ． ＣｐＴ．） （１０） 代人边界条件（ｔ＝０ Ｓ， ＝０ Ｉｎ），可得
『 ｌ（４蛊） Ｊ＝
（ 们（ ） ．
火源的对流热释放率是引起热烟气羽流上升的
主要原因，可表示为
Ｑ ＝Ｑ（１一 ． （１２）
式中：０为火源热释放速率，ｋＷ；ｆ为火焰由于热传
导和热辐射的造成热释放率损失所占总热释放率的
百分比，文献［３４］中取值为０．３，文献［７］中认为，
取值在０．２～０．４，本文取厂为０．３，即０ ＝０．７０．
将ｇ＝９．８ ｍ／ｓ ，Ｐ ＝１．２ ｋｇ／ｍ ，Ｔ ＝２９３ Ｋ及
Ｇ。＝１．００５ ｋＪ／ｋｇ－Ｋ代入方程（１０）可得：
ｔ＝４．４９８ ０ ． （１３）
Ｔａｎａｋａ等人曾在非受限空间中实施了羽流前 锋上升时间测量的实验＿２］，火源的热释放率在
２．６～１６．３ ｋＷ，得到非受限空间羽流前锋上升时间
的半经验公式：
＝１．７０一 ｚ们． （１４）
Ｌ．Ｈ．Ｈｕ等人通过全尺寸实验得到了非受限空 间羽流前锋上升时间的半经验公式 Ｊ：
ｔ：１．８７（９一 ｚ们． （１５）
非受限环境内羽流前锋运动规律已有了较为成
熟的研究，而竖井内羽流运动相对于前者则有相对
复杂的边界条件，受到较多因素的影响，有必要进行
相关试验对其深入研究．
２ 竖井内火灾试验研究
２．１试验概况
此试验竖井尺寸高１２０ ｃｍ，长２０ ｅｍ，宽１６ ｃｍ，
正面安装塑料玻璃板以便观察，其他三面为木质胶
合板，具体尺寸见图１．火源布置于竖井中央，油池
尺寸及燃料种类见表１及表２．热电偶布置于竖井
中心从下至上依次为Ｔ ～Ｔ 热电偶间距为１２ ｃｍ．
采用ＧＩＡ５０温度数据采集仪进行数据采集，采样间 隔为１ Ｓ．环境温度为２３℃．
试验分为ＳＦＡ和ＳＦＢ ２个系列，共分为１８个条
次，ＳＦＡ系列为两端开放竖井火灾试验，装置示意图
见图１，ＳＦＢ为底部封闭竖井火灾试验．２个系列试验
的区别在于ＳＦＡ系列中，竖井位于距地面２ ｃｍ的位
置处，竖井底部的火源区域四面与外界相通，油池燃 烧时可以从外界引射人大量冷空气；ＳＦＢ系列试验
中，竖井直接置于地面上，外界空气不能从竖井底部 引射入竖井内．此外，２个系列试验的工况完全相同．
