烟气流动靠压差

 

吕老师的博文（http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=283377）提出了一种常见现象的理论解释，笔者很想告诉他问题早就解决了，不过没有说清楚，这里再提供详细一点的解释。

吕老师的问题，可以分成两个部分，前一部分是小孔流动问题，主要应用伯努利方程，加上一点小孔修正参数，是比较简单的压差流动问题。在消防领域，美国消防研究之父埃蒙斯的学生Prahl在1975年的文章中发表了实验基础上的结论性的成果，现在广泛接受，已无异议。后一部分是导致流动的压力差的产生原因，就是通常我们在火灾动力学中称之为烟囱效应的现象，需要展开说明。

图1. 小孔流动的理论解

1970年代以来，随着建筑材料的进步，各地开始大上高层建筑，（其中的代表就是世贸中心），建筑内部的气流管理随着建筑能源管理，防火烟气管理和建筑污染物管理而日益受到重视。由于高层建筑的高度显著，由于空气有密度，其高度差形成的Hydrostatic压力差（或称气象压力分布差，如图2所示，已假设室外温度低）不可忽视。室内温度高（对于北方的冬天来说），密度小，空气梯度也小。室外温度低，空气密度大，两者之差，造成建筑底楼负压（相对于外部），高层正压的局面。于是，底楼的漏气总是向内部进行，高层的漏气总是向外部进行，总有一个平面与外部保持压力平衡，即中性平面（Neutral Plane），该平面不会漏气，也不会进气。这种现象，通常是在垂直方向的尺寸显著时产生，故称作烟囱效应。如果情况反过来，发生在热带地区，室内温度低于室外，则称为反烟囱效应，压力分布依然类似，不过是底部漏气，高层进气罢了。

图2，高层建筑室内垂直方向Hydrostatic压力分布（内部温度高，梯度小，红线；外部温度低 ，梯度大，蓝线）。

吕老师的问题在于，没有告诉我们他办公室所在建筑的高度，这是产生烟囱效应的主要参数（他的办公室位于二楼，相当于建筑的底部，因此对外部而言是负压，进气。建筑越高，压差越大，进气量越大。）。其次参数是温度差，温度差越大，烟囱效应越显著（因为压力梯度取决于温度梯度，两者近似于线性分布），所以北方比南方更关心烟囱效应，因为温差大。第三个重要参数是室外的气流分布。根据伯努利方程，动压力可以在建筑表面很容易地转化为静压力，造成局部的高压。如下图3所示。

图3，风压造成的中性平面扭曲。

为什么要研究高层建筑的压力分布呢？为了设计烟气管理系统（就是几台风机，并供气管路的集成）。烟气管理的设计目标是保证某些逃生环境维持正压，这样即使火灾发生，逃生通道上无论如何烟气也不能进入，于是大家都能够安全撤离（如楼梯间的正压分布，下图4所示）。虽然如此，保险公司更担心大型商场的烟气问题，一旦有烟气进入某服装店，该店业主可以向保险公司全额索赔。为避免烟气造成的连带损失，烟气管理系统是保险公司半强制要求的防火系统之一。国内保险业不够发达，所以应用很少。09年春节发生的央视大火，显然没有投入烟气管理系统。消防队员的牺牲，发生在底楼，就是由于烟囱效应的抽吸作用，导致外部的烟气向内部流动，在高处内部的烟气向外部流动，这是符合火场烟气流动原理的。

图4. 烟气管理系统给楼梯间加压，形成安全的通道通道。

 

烟囱效应，是高层建筑的普及之后开始得到系统的研究。谁最关心高层建筑的烟气流动？加拿大人日裔Geodge Tamura是这一领域的先驱，因为加拿大冷啊。对于某些热带地区的高层建筑，反烟囱效应显著，需要对烟雾报警器位置设计进行仔细研究，否则把烟雾 报警器安装在天花板而烟气达不到那里，不过是聋子的耳朵，这种情况造成的虚假安全感是非常危险的，所以需要特别留意。

有道是，针眼窟隆斗大风，空调空间人造风；底部吸入顶部排，烟囱效应靠温差。

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