随着我国城市化进展的不断加快，大规模建筑的集群化逐渐明显，频发的建筑火灾事故接踵而来. 据公安部统计可知，仅2016年全国共接报火灾31.2万起，死亡1 582人，受伤1 065人，直接财产损失37.2亿元^[1]. 火灾伤亡分类统计显示^[2]，约85%以上的人员伤亡主要是由火灾中的高温有毒烟气所致. 建筑火灾烟气的控制一直是消防管理的重点.

内廊式布局是建筑平面布置中的一种主要形式，布置特点为中间设置一条公共走廊，房间布置在走廊两侧. 由于该布局形式的面积利用率高，成本相对较低，被办公楼、教学楼、酒店旅馆等人员高密度聚集型建筑广泛采用. 该类建筑布局的交通面积相对集中，一旦发生火灾，室内人员受到高温有毒烟气的威胁程度将更显著. 研究内廊式建筑烟气蔓延特征及影响规律对建筑火灾烟气的防控具有重要的科学和现实意义.

近年来，前人对内廊式建筑火灾烟气的防控开展了较深入的研究. Li等^[3]通过模型实验，研究在外界风的影响下，烟气蔓延速度沿走廊方向中的分布规律，基于理论研究提出烟气蔓延速度的预测模型. Li等^[4]通过数值模拟，对比研究2类正压送风方式对内廊式建筑烟气的阻隔效果. Huang等^[5]通过模型实验，研究走廊烟气在外界风作用下的分层特征. Chen等^[6-7]通过数值模拟，研究电梯运动过程中产生的活塞效应对建筑内部走廊烟气的影响规律. Zhao等^[8]通过数值模拟，研究了走廊孔口的尺寸对烟气垂直运动的影响规律. 张晓涛等^[9-10]研究传统控烟设施与空气幕综合使用对内走廊烟气运动的阻隔效果，对比分析冷热气体介质对空气幕阻隔作用的不同影响. 茅靳丰等^[11]研究机械排烟口参数的变化对内走廊烟气扩散的影响规律.

综上可知，相关研究主要局限于室内烟气蔓延与控制的分析，运动至室外的烟气（本文称为外部烟气）较少涉及. 实际上，外部烟气具有较高的温度与毒性，若重新进入室内，则对室内人员的生命安全会造成重大威胁. 随着室内阻烟设施的不断完善，在阻烟压力下，外部烟气量将显著增加. 外部烟气已成为火灾烟气中不可忽视的一部分. 鉴于此，本文基于内廊式建筑火灾外部烟气开展研究，重点分析不同火源位置及火灾规模下，外部烟气的温度分布及蔓延速度变化，研究成果可以为内廊式建筑火灾外部烟气的防控提供参考依据.

主要采用火灾动力学软件（fire dynamics simulator，FDS）进行模型构建及数值模拟. FDS是由美国国家标准与技术研究院开发的一款专用火灾动力学模拟软件，主要解决火源驱动的计算流体动力学模型. 基于场模拟的基本思想，FDS可以通过解算一系列N-S方程，能够较精确地计算低速、热驱动的流体流动及烟气热传递问题^[12]. Wu等^[13-14]曾采用FDS与模型实验，对走廊及隧道类空间火灾开展对比研究，对比结果吻合度均较高，模拟结果的有效性得到了众多学者的验证.

在模拟方法的选择中，采用大涡模拟进行数值运算. 该算法主要是通过已经设置好的数学滤波进行处理，把包括脉动在内的湍流瞬时运动方程分解为描写大涡流场的运动方程与小涡流场的运动方程，对小于特征尺度的小涡流场，采用湍流模型进行求解. 通过这样的分化，既能够保证计算的精确性，又降低了计算机的运算时间.

以中国地质大学工程楼作为研究背景，该建筑共9层，各层均为内廊式布局，如图1(a)、(b)所示. 当火灾热烟气蔓延至走廊结构时，烟气在烟囱效应下，会由楼梯间、电缆井、管道井等竖井结构迅速蔓延至其他楼层房间，此时室内人员应迅速封闭房门以防止烟气渗入，同时选择其他疏散途径撤离^[15]. 假设与走廊相连的其他房间全部封闭，即忽略房间的影响，仅对建筑走廊及楼梯间结构进行模型构建，构建的模型如图1(c)所示. 模型主体长为18.2 m，宽为3.6 m，高为27.2 m，各层高为3 m，共9层，模型材料设置为混凝土. 其中每一层走廊右端的中心位置均设置一个边长为1.0 m的方形通风口，走廊左端设置宽度为2.0 m、高度为2.4 m的门与竖井结构连通. 竖井左端主要为采光区域，一般情况下处于关闭状态，只在顶层与底层开启进行自然通风，因此模型在竖井结构顶层与底层的左端分别设置边长为1.0 m的方形通风口. 为了分析建筑外部烟气的影响，在各层走廊通风口内部设置热电偶，外部设置速度探测面，所探测位置均距离通风口0.1 m，如图1(d)所示. 整个模拟环境温度设置为25 ℃.

模型内设置单一火源，面积为1.0 m×1.0 m（长×宽），位于一层走廊中心部位，以表征该层某房间火灾的发生，火源热释放率（heat release rate，HRR）可以通过参数设定进行调节. 火源与通风口的距离设为D，可以通过改变参数D模拟不同火灾位置的工况. 在实际火灾中，不同火灾阶段下，温度差别很大，当房间内火灾发展到轰然阶段时，着火房间的平均温度通常可达800 ℃，最高甚至可达1 100 ℃^[16]. 本文HRR由低至高分别设置2~12 MW. 如表1所示为各工况的设置情况.

在数值模拟计算前，需要对计算区域进行网格化. 一般网格划分越精细，模拟结果越精确，但是计算的时间随着网格数量的增加而急剧增大. 大量研究表明，当网格尺寸d=D^*时，模拟计算火羽流温度和速度跟实际火灾实验的结果比较接近^[14]. D^*为火源的当量直径，可由下式计算：

(1) $ {D^ * } = {\left( {\frac{Q}{{{\rho _0}{c_p}{T_0}{g^{{1 / 2}}}}}} \right)^{{2 / 5}}}. $

式中：Q为火源热释放率；ρ₀为空气密度，取1.165 kg/m³；c_p为空气比定压热容，取1.004 J/(kg·K)；T₀为环境温度，取298.15 K；g为重力加速度，取9.8 m/s².

根据式（1）可以求得，当HRR为2、5、8、10、12 MW时所对应的网格尺寸d分别为0.12、0.18、0.22、0.24及0.26 m. 基于计算结果，设置0.1、0.2及0.3 m的3种均匀网格尺寸进行网格独立性分析，当HRR=5 MW时，对9层走廊中心处热电偶所测温度进行对比，结果如图2所示。图中，θ为摄氏温度，t为时间.

从图2可以看出，当d为0.1 m与0.2 m时，温度曲线变化相差不大；当d增大至0.3 m时，温度曲线差异性明显增大，说明d=0.3时，数值模拟计算的精确度无法满足要求. 在d为0.1 m与0.2 m的工况中，0.1 m工况的计算时间为0.2 m的5倍，鉴于本次模拟工况较多，综合考虑计算精度与运行效率，选取d=0.2 m进行模拟计算.

在进行大涡模拟的数值运算过程中，涉及到几个关键的参数，主要有直接影响流体黏度的Smagorinsky常数C_s、直接影响对流传热与烟气扩散的施密特数Sc及普朗特数Pr. 基于Zhang等^[17]对FDS模拟及实验的对比研究结果，取C_s、Sc、Pr分别为0.18、0.5、0.5.

为了验证网格尺寸及参数选取的正确性，根据Luo等^[2]在同尺寸比例截面的走廊模型中所开展的火灾实验，基于本次参数设置，对所研究模型进行数值重构，将同一位置的温度模拟值与实验值进行对比分析，结果如图3所示.

由图3可知，在该模拟计算过程中，模拟温度曲线与实验温度曲线吻合度较高，说明利用FDS模拟计算结果是有效的.

如图4所示为当D=6.5 m，HRR=2、5、10 MW时，外部烟气的蔓延情况及测量区域温度随时间的变化曲线. 可以看出，在火灾发生的前期(0~40 s)，着火楼层的部分烟气在热浮力驱动下会由通风口向室外溢出并发生竖向蔓延，当烟气蔓延至2层及3层时，会由通风口重新蔓延至室内. 通过图4可以看出，重新进入室内的外部烟气会造成临近楼层温度在短时间内显著增大. 随着火灾时间的推移，火源层烟气溢出量开始逐渐减少直至不再向外部溢出，2层及3层温度逐渐降低，并基本保持在较低温度范围不再发生明显变化. 这主要是由于火源层处于建筑中性面以下区域（见图4），在烟气蔓延稳定后，火源层内部压强小于外界压强，外界补风形成的风压作用力抑制了烟气的持续溢出，因此外部烟气逐渐消失.

由以上分析可知，外部烟气的形成主要是由2个相反的作用力—热浮力与风压作用力，共同作用的结果. 当其中一个力占主导地位时，烟气将沿着该力的方向蔓延. 设烟气由室内向室外运动方向为正，则火源层通风口的速度变化曲线及速度矢量变化如图5所示。图中，v为平均速度. 从图5可以看出，热浮力与风压作用力经历了此消彼长的过程：火灾前期，气流速度方向由室内指向室外，说明热浮力占主导，烟气溢出形成外部烟气. 随着烟囱效应强度的增大，稳定中性面开始形成，火源层气流速度方向逐渐改变为由室外向室内运动，且保持稳定不再变化，说明此时风压作用力逐渐占据主导并维持不变，因此烟气不再向室外溢出，上层走廊温度逐渐降低.

由4.1节可知，外部烟气会在火灾前期形成，导致临近楼层温度急剧上升. 建筑火灾发生地点及规模均有随机性，有必要分析火源特征参数的变化对外部烟气蔓延的影响规律.

如图6所示为当HRR=10 MW时，不同火源位置下2层及3层在火灾前期的温度θ平均分布云图.

由图6可知，当D=1.5 m时，外部烟气对邻近楼层的影响最小；当D=6.5 m时，外部烟气的影响程度最大；此时随着D的持续增大，外部烟气影响程度开始逐渐减小.

为了比较不同火源参数对外部烟气蔓延的影响规律，图7给出不同火源特征参数下2层区域外部通风口温度随时间的变化曲线. 图中，θ_max为2层热电偶所测的最高温度.

从图7可以看出，当HRR<5 MW时，随着D的变化，θ_max变化不显著. 这可能是因为当HRR较小时，热浮力相对较小，风压作用力迅速占据了主导地位，因此烟气溢出较少，外部烟气影响程度变化不明显. 在HRR>8 MW后，随着D的逐渐增大，θ_max呈现出先增大再减小的变化趋势：当D=1.5 m时，θ_max最小；当D为4.5~6.5 m时，θ_max达到峰值；在D持续增大后，θ_max呈现出逐渐减小的趋势. 该结果与图6的结果一致，这表明当火灾规模较大时，D会对热浮力及风压作用力产生显著影响.

为了进一步分析2个作用力的变化情况，对火源层通风口气流速度进行分析. 如图8所示为当HRR=10 MW时，不同工况下v随时间变化的趋势图.

由图8可知，当HRR较大时，各工况补风速度的变化出现较大差异：当D=1.5 m时，补风形成的风压作用力迅速增大并保持稳定，这主要是因为火源距离通风口较近，火灾发生后，内外温差迅速增大，导致在较短时间内形成了较强的风压作用力，抑制了外部烟气的形成. 在该工况下，高温烟气溢出时间最短，θ_max最小. 当D=6.5 m时，由于通风口区域内外温差变化较慢，风压作用力占据主导所需的时间显著增大，因此烟气溢出时间明显增大，θ_max显著增大；当D增至8.5 m时，与D=6.5 m的工况相比，风压作用力占据主导所需的时间减小，因此θ_max相应减小. 这可能是由于此时烟气蔓延距离较远，热浮力衰减显著，因此风压作用力更易占据主导地位.

综上可知，当内廊式建筑火灾发生时，若火灾规模较小，则火源位置的变化对外部烟气的影响不显著；当火灾规模较大时，火源位置存在一个危险区段，火源位于该区段时，外部烟气会对临近上层区域造成较显著的影响，在该区段外，外部烟气的影响程度逐渐减小. 在本文研究中，危险区段为距离通风口4.5～6.5 m.

由以上分析可知，烟气溢出是外部烟气形成的直接原因，烟气溢出时间越长，对邻近楼层的影响程度越显著. 准确地判断烟气是否溢出是分析外部烟气影响的关键.

为了准确判断烟气溢出，以通风口区域烟气作为研究对象进行受力分析，受力分析如图9所示. 设热浮力为F_b，风压作用力为F_w，则当F_b>F_w时烟气会溢出，当F_b<F_w时烟气不再溢出，当F_b=F_w时烟气达到临界平衡状态.

F_b及F_w^[18-19]可以分别表示为

(2) $ {F_{\rm b}} = \left( {{\rho _0} - {\rho _{\rm s}}} \right)gHA = {\rho _0}\left( {1 - {{{T_0}}}/{{{T_{\rm s}}}}} \right)gHA, $

(3) $ {F_{\rm w}} = \frac{1}{2}{\rho _0}{v^2}A. $

式中：ρ₀为空气的密度，取1.165 kg/m³；ρ_s为烟气的密度；T₀为环境温度，取298.15 K；T_s为通风口区域烟气温度；g为重力加速度，取9.8 m/s²；H为通风口的高度；v为通风口气体流动速率；A为通风口的面积.

当烟气达到临界平衡时，F_b=F_w，式(3)中的v即为烟气溢出的临界风速v_cr，此时可得

(4) $ {\rho _0}\left( {1 - {{{T_0}}}/{{{T_{\rm s}}}}} \right)gHA ={\rho _0}v_{\rm{cr}}^2A/2, $

(5) $ {v_{\rm{cr}}} = \sqrt {2gH\left( {1 - {{{T_0}}}/{{{T_{\rm s}}}}} \right)}. $

v_cr可以作为判断烟气是否溢出的判据。当v<v_cr时，烟气将溢出形成外部烟气；当v>v_cr时，烟气不会溢出.

为了验证v_cr的有效性，将v_cr与v进行对比. 以室内指向室外为正方向，当HRR=10 MW时，火源层通风口区域v_cr与v随时间的变化曲线如图10所示。为了进行对比，图10还展示了两曲线交点对应时间t_x前、后的烟气分布图，由于F_w占据主导后始终保持稳定，t_x可以认为是烟气的溢出时间.

从图10可以看出，当D=1.5、6.5、8.5 m时，t_x分别约为14、30、25 s，这说明烟气溢出时间随着D的增大呈现出先增加后减小的趋势，该结果与4.2节的模拟结果一致. 为了验证v_cr的有效性，分别对各火源位置交点时间t_x前、后的烟气分布图进行观察. 从图10可以看出，在各火源距离中，当t<t_x时，烟气溢出十分明显；当t>t_x时，烟气基本不再溢出.

综上可知， v_cr可以作为判断烟气是否溢出的有效判据。当v<v_cr时，烟气会由通风口发生溢出形成外部烟气；当v>v_cr时，烟气不再溢出.

（1）火灾前期，室内烟气在热浮力作用下会由通风口溢出形成外部烟气，外部烟气在竖向蔓延过程中会在临近上层区域重新进入室内，造成该区域温度在短时间内显著增大. 随着火灾时间的推进，外部烟气逐渐消失，温度会逐渐降低至较低温度并保持相对稳定.

（2）当火灾规模较小时，火源与通风口距离对外部烟气的影响不显著；当火灾规模较大时，火源与通风口距离存在一个危险区段. 在该区段中，外部烟气会导致临近上层区域的温度显著增大，在该区段外，温度增大幅度逐渐降低，当火源距离通风口最近时，温度增大幅度最小. 在本次研究中，危险区段为距离通风口4.5~6.5 m.

（3）通过理论分析，推导了临界风速计算模型，即 ${v_{\rm{cr}}} = \sqrt {2gH\left( {1 - {{{T_0}} /{{T_{\rm s}}}}} \right)} $；v_cr可以作为判断烟气是否溢出的有效判据. 当v<v_cr时，烟气会由通风口发生溢出形成外部烟气；当v>v_cr时，烟气不再溢出.