防火挑檐对建筑外立面窗口火溢流行为的影响研究

摘要

随着城市化进程的推进，城市火灾风险不断增加，尤其是由外保温材料燃烧造成的高层建筑外立面火灾，近几年内频繁发生。大量火灾事故表明，外保温材料的燃烧多是由建筑外立面窗口火溢流行为引起的，相较于一味提高保温材料阻燃特性，阻隔溢流火焰对外保温材料的引燃，改善建筑外立面防火构造更是一种经济可行的举措。因此，研究防火挑檐对建筑外立面窗口火溢流行为的影响，具有很大的实际意义。本文采取小尺寸实验和全尺寸数值模拟结合的方法，对防火挑檐条件下的窗口火溢流行为进行了研究。 设计并搭建了1/5小尺寸窗口火溢流阻隔实验台，在单一火源功率下，进行了自由边界和不同防火挑檐宽度条件下的窗口火溢流实验。实验结果表明，对于窗口火溢流行为演变过程，自由边界和防火挑檐条件下的衰退阶段的燃烧状态存在差异；防火挑檐对燃烧室内温度的影响较小，但对外立面温度分布的影响较大；防火挑檐下的外立面轴线温度随高度的增加呈线性衰退，并且对防火挑檐对轴线温度的抑制效果进行了量化；防火挑檐条件下的外立面径向温度分布仍为高斯分布，但最大温度和其对应的径向距离会随着挑檐宽度的变化而变化。 利用FDS数值模拟软件，建立了同小尺寸实验模型相似的全尺寸模型，在对FDS模拟准确性验证的基础上，分析了多种火源功率下，防火挑檐宽度、长度和位置对窗口火溢流行为的影响。模拟结果表明，对比自由边界条件，防火挑檐的设置会造成中性面高度的微小降低，基本不影响室内热释放速率和室内温度，这与实验结果相一致。对于自由边界条件，当溢流火焰距外立面水平距离较远时，外立面轴线温度随高度的增加呈指数衰退趋势；反之，外立面轴线温度随高度的增加呈线性衰退趋势。通过分析防火挑檐宽度对外立面轴线温度的影响发现，挑檐宽度设置在1.0~1.6 m范围内更为合理，并提出了外立面轴线最大温度的无量纲模型。同时，通过分析多个高度处的径向温度分布发现，防火挑檐对径向温度分布有推离效应，较低高度处的最大径向温度呈线性衰退，较高高度处的最大径向温度呈指数衰退。此外，基于温度定义火焰轮廓方法，用Lee的模型验证了FDS模拟中自由边界条件下溢流火焰高度的准确性，并提出了不同挑檐宽度下的无量纲溢流火焰高度模型。最后，通过定性分析挑檐长度和位置对窗口火溢流行为的影响发现，增加挑檐长度可有效抑制火焰在挑檐侧边的溢出，且挑檐位置应紧贴窗口上沿设置更为合理。

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摘 要

Abstract

Contents

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景和意义(Background and Research Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Status)

1.2.1 窗口火溢流行为研究

1.2.2 阳台、窗槛墙、防火挑檐等阻隔技术研究

1.3 本文研究内容及方法(Research Contents and Methods)

1.4 本文研究路线(Research Line)

2 通风控制型室内火灾及窗口火溢流行为机理

2 The Theory of Under-Ventilated Enclosure Fire and Flame Ejecting Behavior

2.2 窗口火溢流行为理论分析(Theory Analysis of Flame Ejecting Behavior)

2.2.1 中性面高度

2.2.2 开口处空气质量流量

2.2.3 室内热释放速率与溢出热释放速率

2.2.4 外立面温度分布

2.2.5 溢流火焰高度

3 防火挑檐宽度对窗口火溢流行为影响的实验研究

3 Experimental Study on the Effect of Width of Fire Canopy on Flame Ejecting Behavior

3.1 弗劳德相似准则(Froude Law of Similarity)

3.2 小尺寸窗口火溢流阻隔实验台(Experimental Platform of Flame Ejecting Preventing in Reduced Scale)

3.2.1 1/5小尺寸房间模型设计

3.2.2 外立面墙板

3.2.3 防火挑檐模拟装置

3.3.1 火源参数的确定

3.3.2 温度测量与采集装置

3.3.3 图像采集系统

3.4 实验误差分析与措施(Experiment Error Analysis and Measures)

3.5 实验结果分析(Analysis of Experimental Results)

3.5.1 窗口火溢流演变过程

3.5.2 燃烧室内温度分布

3.5.3 外立面轴线温度

3.5.4 外立面径向温度

3.6 本章小结(Summary)

4 FDS全尺寸模型建立及模拟准确性验证

4 Full-Scale Model Establishment on FDS and Simulation Accuracy Verification

4.1 FDS模拟软件与模型理论(FDS and Model Theory)

4.2 数值模型建立及模拟参数设定(Set-Up of the Numerical Model and Simulation Parameter Setting)

4.2.1 物理模型和参数设定

4.2.2 数据测量装置设置

4.2.3 网格设置

4.3 FDS模拟窗口火溢流行为的准确性验证(Simulation Accuracy Verification of Flame Ejecting Behavior on FDS)

5 防火挑檐对窗口火溢流行为影响的模拟研究

5 Numerical Simulation on the Effect of Fire Canopy on Flame Ejecting Behavior

5.1.1 中性面高度

5.1.2 室内热释放速率与溢出热释放速率

5.1.3 燃烧室内温度分布

5.1.4 外立面轴线温度

5.1.5 外立面径向温度

5.1.6 溢出火焰高度

5.2 挑檐长度对窗口火溢流行为的影响(Effect of Length of Fire Canopy on Flame Ejecting Behavior)

5.3 挑檐位置对窗口火溢流行为的影响(Effect of Location of Fire Canopy on Flame Ejecting Behavior)

5.4 本章小结(Summary)

6 结论与展望

6 Conclusions and Prospect

6.1 本文结论(Conclusions)

6.2 本文主要创新点(Innovative Points)

6.3 研究展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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