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摘 要：以住宅建筑火灾安全为研究背景,根据多室实体住宅建筑模型室内火灾升温及高温烟气流动影响的试验结果,重点讨论了起火房间尺寸、门洞尺寸及枢纽空间等3个主要空间构造因素对室内高温烟气流动影响.以质量守恒等相关热力学和流体力学基本概念建立了住宅空间单室尺寸和高温烟气分布的几何关系模型；利用动量守恒控制体法建立了开敞空间的开口尺寸和烟气扩散的关系模型.分析表明,住宅建筑火灾安全应充分考虑空间构造形式的影响；通过对烟气流动模式的独立房间尺寸设计和房间连通形式设计,可以有效地控制室内温度分布和烟气流动路径.
关键词：住宅建筑；建筑火灾；烟气流动；空间构造形式
中图分类号：TU318 文献标志码：A
文章编号：16744764（2013）02007306
住宅建筑火灾是社会比较关注的问题,它涉及到住户的人身、财产等切身利益.相对于高大空间的公共建筑,中国住宅建筑空间较小,且多采用易燃性的家具、装修材料和电器,导致室内火灾荷载密度较高,火灾蔓延和烟气填充速度较快,火势不易控制；另外,燃烧产生的有毒气体随高温烟气迅速向室内扩散,使火灾中人员安全受到较大的威胁[1].统计显示[2],火灾中85%以上的人员死亡直接因素是吸入了烟尘或有毒气体而中毒窒息伤亡,高温烟气的流动又会造成火灾蔓延.从火灾后现场的调查发现,空间格局是导致火场扩大、烟气扩散的一个重要原因.因此,研究空间格局对室内火灾烟气流动的影响是一个重要课题.基于火灾安全观点的住宅空间设计,是目前降低住宅火灾损失的一个有效的技术手段.
郭 震,等：住宅建筑内火灾高温烟气流动数学模型
基于火焰物理特性及空间边界特性,许多学者开展了相关的空间火灾发展、烟气蔓延及有毒气体扩散等研究[34].Brian等[5]利用试验方法验证了有毒气体随高温漂浮扩散过程,并提出空间形式是影响烟气流动的主要因素.Harrison[6]在进行大空间中庭建筑火灾烟气流动研究中发现,走廊宽度和层净高将决定高温烟气向中庭扩散的时间.此外,Poreh等[7]研究发现挡烟垂壁对减缓烟气水平扩散具有较大的作用.火灾的发生具有随机性,但是火灾产生的高温烟气流动受到建筑空间形式的影响.当建筑形式确定后,烟气的流动模式具有确定性,或是说如果掌握高温烟气流动和建筑空间形式的关系,则可以通过有效的建筑空间设计控制烟气的流动.
本文在建筑住宅单元模型的室内火灾升温及高温烟气流动试验结果基础上,在建筑住宅单元空间构造形式对室内火灾高温烟气流动的影响规律方面进行深入讨论.空间构造形式包括：房间高度、门洞尺寸、房间面积及各房间连通形式等.基于物理学观点对影响规律进行机理分析,进而建立空间因素和室内烟气流动的关系模型,旨在为限制或减缓高温烟气扩散的消防设计和住宅建筑火灾安全评价提供一些新思路.
1 住宅建筑的空间设计和主要构造
作为民用住宅空间结构,具有较强的功能性,而房间的分割或者称为户型是实现住宅功能最直接的表现.随着住宅建筑产业的发展,越来越多的户型可供选择.虽然户型种类良多,但是仍然可总结出一些规律.
1.1 住宅空间高度和单室面积
单元式住宅每个房间的独立性较强,相互之间均通过转换空间（枢纽空间）联系.通常设计中,客厅及主卧室属于大房间；厨房、卫生间、书房或贮藏室为小房间.当室内层净高确定后,每个独立房间的空间容积是确定的.以封闭单室火灾的观点,高温烟气在不同起火房间内填充的时间不同,房间越大烟气填充时间越长.然而,室门的存在势必造成高温烟气在完全填充房间前向外流动扩散.
1.2 门洞尺寸
门洞形式主要有2种,一种是有可开闭的室门,如卧室、厨房或书房；另一种是全开敞形式,如客厅、餐厅.前者门洞上方有一定高度的过墙,后者门洞高度基本等于室内净高.
高温烟气通过这2种门洞的形式是不同的.
1.3 枢纽联系空间构造
枢纽联系空间起到了连通独立房间的作用.通常单元型住宅建筑的枢纽空间面积相对较小,且密集的留设各独立房间的门洞开口.任何一个独立房间起火,高温烟气必然先流向枢纽联系空间,然后根据其他非起火房间和枢纽联系空间的连通方式向某个非起火房间流动.因此,可以认为枢纽联系空间的构造形式决定了高温烟气的流动趋势,具有分配高温烟气流动的特点,是影响高温烟气流动的主要空间因素.
2 住宅建筑火灾高温烟气流动试验结果分析
利用热电偶束量测了住宅建筑模型火灾过程的空间温度变化[8],按照理想气体状态,燃烧释放的轻物质及加热的空气形成漂浮的烟气流.因此,从空间温度场的分布可以间接获得高温烟气流的路径、烟气进入各房间的顺序及烟气流的热量变化.
2.1 温度场分布特征
以T1试验为例,分别讨论玻璃破碎前一刻（模型为封闭系统,不考虑室外气流的影响）的空间平面温度和竖向温度分布.
1）平面温度分布 由于热烟气受到浮力影响而漂浮在房间上部,因此将距天花板底150 mm处的测点位置温度绘于图1.图中圆圈表示测点,圆圈内部数字表示测点编号.
从图1可以看出以下几点特征：
（1）火源点附近具有全域最高温度,除了燃烧产生的热烟气外,还有较强的热辐射.
（2）远离火源点时,空间温度值逐渐减小,说明烟气向远端运动过程中热量出现损失,热损失是由于高温烟气湍流运动卷吸冷空气和热对流造成的.
（3）在相同水平位置,枢纽空间的的温差不大,而餐厅（6号测点）、书房（9号测点）两处误差达到108℃；由于3和5两点位于起火房间和枢纽空间连通处,且为全敞式连通形式,高温烟气可以无障碍流动；而9号位于有可开闭室门的房间,虽然试验中室门上方过墙为100容不迫mm高,但是流入室内的烟气温度仍旧有较大的降低.
总结:本文是一篇关于数学模型论文范文，可作为相关选题参考,和写作参考文献。
参考文献：
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3、 基于节能和强化隔热构造技术视角下住宅建筑设计 【摘要】建筑节能成为近年来世界建筑发展的一个大趋势，代表着当代建筑科学技术的一个新起点。住宅建筑设计中，如果要达到高舒适度和低能耗标准，需要较多。
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