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文献综述
1．课题背景概述
烟气通过开口的流动是火灾中烟气蔓延的主要形式之一。据统计,在由于烟气的毒性和窒息造成的火灾人员伤亡中，有2/3发生在起火房间之外的其它区域。控制烟气的蔓延，从而降低火灾时的人员伤亡和财产损失，是建筑防火设计的重要目标。喷淋系统是目前为止最为有效的控制火灾发展与烟气蔓延的手段之一，在建筑防火设计中得到了广泛的应用。对喷淋作用时烟气的运动过程进行深入研究，有助于促进烟气控制技术的发展，从而提高火灾时的人员安全。
2.国内外研究动向
喷淋系统与火灾环境之间的相互作用是一个十分复杂的过程，目前仍缺乏深入研究和准确的数学模型解释；在喷淋作用时烟气的开口流动方面，可用的计算手段很少。
在建筑物内火灾的众多参数之中，开口流量和中性面的变化是描述开口流动的两个主要参数。在不考虑喷淋系统的作用时，火灾烟气在建筑上方聚集形成稳定的烟气层，烟气的流动可采用典型的双区模型进行描述。烟气开口流动的驱动力是由于室内烟气与室外空气的密度不同引起的压力差。对此，国外学者很早就开始了研究。在前人实验的基础上，Emmons发展了烟气开口流动的简化计算方法，烟气的开口流量可采用下式进行计算式（1）
式中，CD是流动系数，W是开口宽度，是环境空气密度，H是开口高度，ZN是烟气中性面高度，和分别是环境空气和热烟气的温度。根据建筑结构的不同，式（1）可通过引入修正系数进行补偿。Steckler等人对开口处烟气的流量进行实验测量，指出上式中的CD约为0.7，从而验证上述公式的正确性。在最新的研究中，Bryant采用传统测量手段和PIV技术测量了开口处烟气流动速度、温度和静压等参数的分布规律，对开口处流场结构进行了深入的描述。
喷淋系统作用后，烟气开口流动过程与单纯的压差流动存在较大差异。Mawhinney和Tamura曾以木垛作为火源，模拟十层大楼起火时的烟气在不同区域之间的蔓延过程。研究发现：喷淋作用时，烟气温度远低于未设置喷淋的情况；采用正压送风能有效阻挡烟气进入加压区域；当正压消失或未对区域加压时，低温烟气依然会进入这些区域。Lougheed和Carpenter采用模拟十层大楼，研究了房间起火后烟气蔓延到走道而后进入楼梯间的过程。结果表明：喷淋是否开启对蔓延进入走道的烟气温度有很大影响，进而影响到烟气的蔓延范围和速度；喷淋作用时走道的烟气温度和CO浓度在竖直方向的梯度将变得很小。产生这些现象的主要原因在于喷淋作用后烟气流场特征参数的改变。
首先是烟气温度降低。Morgan通过分析液滴与烟气层的传热过程，建立喷淋液滴对烟气的冷却模型，进行了了相关的模拟实验，提出了烟气层温度的计算公式。Chow等人采用CFD模拟技术，利用拉格朗日方法，进一步研究了液滴与烟气层之间传热传质的微观结构。他们的研究均表明：液滴在烟气层中运动，液滴表面与热烟气之间发生传热传质，液滴在蒸发过程中吸收大量的热量，烟气温度迅速降低。烟气温度的降低导致烟气的密度变大，从而使得开口处室内外的压差变小。
第二：烟气运动方向和速度改变。受液滴表面粘性应力影响，液滴对烟气有拖曳作用。在液滴拖曳力的影响下，烟气发生剧烈的波动，烟气-空气交界面的卷吸与涡流加剧，从而带动烟气下方的空气流动发生变化，从而对烟气羽流卷吸量产生影响。羽流卷吸的改变进一步对烟气的波动形成正反馈，加剧了烟气流动的变化。另一方面，由于液滴具有水平运动速度，在液滴与烟气的相互作用中，液滴的水平动量将传递给烟气，烟气开口流动的速度中性面与压力中性面不一定在同一高度。
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