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随着计算机工业的迅速发展，计算速度的不断提高，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics. CFD)作为一门独立的学科在近30年成为流体力学与应用数学的热门研究内容，在传热与流体流动问题的研究中起着越来越重要的作用。
计算机技术应用于高层建筑烟气控制研究，起步并不算早，但前进的势头令人惊喜。由于有了计算机这一辅助研究工具，许多火灾科学的难题和谜团逐渐云开雾散。计算烟气流动的火灾发展模型主要有三大类：区域模型（Zone Model）、场模型 （FieldModel）、网络模型（Net Model）和羽流模型。本文采取羽流模型，对火灾计算机模拟理论进行了探索。
一、羽流模型
在火灾学中，可燃物燃烧时，火源上方的火焰及烟气通称为羽流。羽流作为流体的一种，具有很强的湍流特征。羽流是由浮力产生的，并向上输送质量和热量，其规模与火源强度有关。由于火灾中火源所处的位置以及烟气的流动路径不同，羽流有着多种多样的形态。常见的羽流主要分为四种：点源热羽流、线性羽流、非受限轴对称羽流和受限羽流。按照表现形式不同，一般把羽流从下至上划分为连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区[19-20]。如图2-2
所示。
羽流的温度，特征位置的流速和质量卷吸率都是描述羽流的重要参数，上世纪前人通过理论分析和实验针对羽流的这些参数进行了大量的研究，并提出了许多羽流模型，每种羽流模型在其适用范围内对羽流特征点的温度、流速和质量卷吸率都有各自的表达式，下面将列出一些常见的羽流模型，主要通过给出各自的羽流质量卷吸率的表达式来讨论。
1、Zukoski模型 对于小面积的圆形和矩形(长边长度<3倍短边长度)火源,Zukoski提出了下面的羽流质量流量计算式[21-26]:
式中: 为高度z处羽流的质量流量,kg/s；
为系数，kg/(s?kW1/3?m5/3)，当火源在房间中间时 ＝0.071；当火源一面靠墙时
＝0.044；当火源靠近墙角时 ＝0.028；
对流热流量，即火源总热释放速率中对流所占的部分，kW；
Z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m。
应用式2-1时应注意以下条件，z≥10?D及z》zfl，D为火源直径，m；zfl为火焰高度，m。zfl可用式2-2计算：
2、Heskestad模型 应用式2-1计算羽流质量流量时，计算结果往往小于实验结果，因此Heskestad引进 虚拟点火源的概念，对计算结果进行修正[21-26]。
式中：Z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m；
Z0从可燃物表面至虚拟点火源的高度，m。
应用式3-18应注意z≥10?D及z》zfl的条件。
3、Thomas-Hinkley模型 Thomas-Hinkley在大量实验和理论工作的基础上，总结出z＜10?D条件下大面积火源羽流质量流量的计算公式[27]，见式2-5。
式中：
为系数，kg/(s?m5/2)，对于很大的房间，但顶棚高度远离火焰表面的建筑物， ＝0.19 kg/(s?m5/2)；对于很大的房间，但顶棚高度接近火焰表面的建筑物 ＝0.21kg/(s?m5/2)；对于小房间， ＝0.34 kg/(s?m5/2)；
U火源的周长，m；
Z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m。
应用2-5式时应注意 kW/m2的条件， 为单位面积上的热释放速率，kW/m2。
4、McCaffrey模型 McCaffrey通过天然气扩散火焰的火灾实验得出一组分别描述稳定火焰区、间断火焰区及烟气羽流区的羽流流量的计算公式[25]，见式2-6。该羽流流量计算公式被区域火灾模拟软件CFAST所应用。
在稳定火焰区:
式中：z为从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度（m）。
5、NFPA模型 NFPA火灾防护手册中推荐的羽流流量计算公式[26-27]，见式2-7。该计算公式依据FMRC（Factory Mutual Research Corporation）的火灾实验，在使用中应注意z＞zfl的条件。
z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m；
k 系数，不同火源位置时系数k的取值见表3-1。
由表2-1可知，如果火源位置不受墙体影响k＝1，0.071?k3/2＝0.071，此时式2-7和式2-1相比多项。
二、顶棚射流的形成
当羽流撞击到顶棚时，热烟气开始向四周蔓延形成所谓的顶棚射流。大多数火灾探测和灭火装置被安装在顶棚表面附近。顶棚射流的数量和温度很大程度上决定了这些装备的反应时间，因此确定顶棚射流的一些参数是非常重要的。在本节，将探讨顶棚射流的速度及温度的关系。
图2-3 顶棚射流示意图
此外，如果火焰本身直接撞击顶棚，我们希望可以计算出沿着顶棚延伸的火焰长度。这方面的信息可以用来估计对物体的辐射热，也可以用于一些其他的工程计算。
1、 顶棚射流的温度和速度
图2-3给出了无约束顶棚情况下（大面积）的顶棚射流流动的理想化示意图。从羽流中心轴线到我们所要考察的顶棚射流特性的某一点的距离用r来表示，单位为m。从火源到顶棚的高度记为H，单位也为m。
最初，顶棚下的热烟气层的厚度通常是火源距顶棚距离的5～12％。顶棚射流速度分布剖面图如图3-2所示，在两个边界的速度为零。最大流动速度和最高温度发生在距离顶棚较近区域，大约为火源距顶棚距离H的1%。
温度曲线图边界一边为顶棚温度，记为Tw，另一边为环境温度，记为T，如图2-3所示。因为顶棚射流呈放射状向周围运动，周围的空气在烟气层界面被卷吸进去，进而冷却烟气。同样，顶棚射流也通过顶棚的热传导进行冷却。
基于理论分析和实验数据结果，Alpert给出了简单的关系式，用于预测顶棚射流中给定位置r处的最高温度和最大速度。在顶棚高度范围为4.6～15.5m，火源热释放速率范围在500kW～100kW的条件下，不同种类的固体和液体燃料进行燃烧实验，测量它们的相关参数。方程分为两种区域情况：一种区域是近羽流区域的相关参数与r无关，远羽流区域处与r相关。当r/H < 0.18时和r/H > 0.18，顶棚射流最高温度的计算公式分别如下：
上述关系仅仅当火源被点燃后,顶棚处羽流可被看作不受限制的时候。当气流已经撞击侧壁的时候，已经形成了的一定厚度的热烟气层开始沉降，公式的可信度开始减弱。
应当注意的是，上面的一些方程仅仅适用于稳态火，即当能量释放速率稳定的时候。瞬态火灾的增长可以通过计算机程序进行计算。对于瞬态增长火情况，能量释放速率一般假设为按照t2曲线增长，同样也可以通过公式进行计算。
这里所说的计算属性有顶棚射流的最高温度和最大速度。这些都发生在比较靠近顶棚的地方，大概在燃料至顶棚距离的1%左右。探测和喷淋系统装置在这一区域之外时候比之上述方程温度将较低速度也较小，因此响应时间将大大加长。
2、 顶棚下的火焰蔓延
当火焰撞击至一个无限制的顶棚时，未燃烧的气体将向四周蔓延开，并且卷吸空气以用于燃烧，此时在顶棚下方将形成一个圆形的火焰。我们希望计算出沿着顶棚的火焰长度，在估计向周围物体辐射热的时候可以用到这一信息。
图2-4和图2-5给出了这种情况下的示意图。其中，rf 是火焰扩展半径，单位m；L是自由燃烧平均火焰高度，可用
D是火源直径，单位为m；H是火源距离顶棚的高度，单位m。You和Faeth对此开展了实验，分析实验数据得出火焰扩展半径和火源直径的比为如下近似表达式：
粗略地说，火焰扩展半径等于延伸至顶棚上方的自由火焰部分高度的一半，或者rf < 0.5(L – H)。
公式2-11只是粗糙的估计，因为它依据的实验是火焰小、高度小、能量低的火焰。Heskestad和Hamada开展了六组较大能量释放速率的实验（93～760kW），给出平均火焰扩展半径为：
其中，常数0.95是0.88～1.05范围的平均值。对于大的火焰，公式.2-12可以提供比公式2-11更为符合实际的估计，但是需要进行更多的实验验证。
三、反浮力壁面射流
顶棚射流在水平扩散遇到数值阻挡时，烟气将沿着壁面向下运动形成反浮力壁面射流。反浮力壁面射流向下运动一段距离后，由于浮力的因素，其前锋运动速度将减慢至零，壁面附近的烟气开始向远离壁面方向扩散运动，至此，经历了三个阶段：羽流、顶棚射流、和反浮力壁面射流，烟气层才算是基本形成。
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。
计算机技术应用于高层建筑烟气控制研究，起步并不算早，但前进的势头令人惊喜。由于有了计算机这一辅助研究工具，许多火灾科学的难题和谜团逐渐云开雾散。计算烟气流动的火灾发展模型主要有三大类：区域模型（Zone Model）、场模型 （FieldModel）、网络模型（Net Model）和羽流模型。本文采取羽流模型，对火灾计算机模拟理论进行了探索。
一、羽流模型
在火灾学中，可燃物燃烧时，火源上方的火焰及烟气通称为羽流。羽流作为流体的一种，具有很强的湍流特征。羽流是由浮力产生的，并向上输送质量和热量，其规模与火源强度有关。由于火灾中火源所处的位置以及烟气的流动路径不同，羽流有着多种多样的形态。常见的羽流主要分为四种：点源热羽流、线性羽流、非受限轴对称羽流和受限羽流。按照表现形式不同，一般把羽流从下至上划分为连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区[19-20]。如图2-2
所示。
羽流的温度，特征位置的流速和质量卷吸率都是描述羽流的重要参数，上世纪前人通过理论分析和实验针对羽流的这些参数进行了大量的研究，并提出了许多羽流模型，每种羽流模型在其适用范围内对羽流特征点的温度、流速和质量卷吸率都有各自的表达式，下面将列出一些常见的羽流模型，主要通过给出各自的羽流质量卷吸率的表达式来讨论。
1、Zukoski模型 对于小面积的圆形和矩形(长边长度<3倍短边长度)火源,Zukoski提出了下面的羽流质量流量计算式[21-26]:
式中: 为高度z处羽流的质量流量,kg/s；
为系数，kg/(s?kW1/3?m5/3)，当火源在房间中间时 ＝0.071；当火源一面靠墙时
＝0.044；当火源靠近墙角时 ＝0.028；
对流热流量，即火源总热释放速率中对流所占的部分，kW；
Z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m。
应用式2-1时应注意以下条件，z≥10?D及z》zfl，D为火源直径，m；zfl为火焰高度，m。zfl可用式2-2计算：
2、Heskestad模型 应用式2-1计算羽流质量流量时，计算结果往往小于实验结果，因此Heskestad引进 虚拟点火源的概念，对计算结果进行修正[21-26]。
式中：Z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m；
Z0从可燃物表面至虚拟点火源的高度，m。
应用式3-18应注意z≥10?D及z》zfl的条件。
3、Thomas-Hinkley模型 Thomas-Hinkley在大量实验和理论工作的基础上，总结出z＜10?D条件下大面积火源羽流质量流量的计算公式[27]，见式2-5。
式中：
为系数，kg/(s?m5/2)，对于很大的房间，但顶棚高度远离火焰表面的建筑物， ＝0.19 kg/(s?m5/2)；对于很大的房间，但顶棚高度接近火焰表面的建筑物 ＝0.21kg/(s?m5/2)；对于小房间， ＝0.34 kg/(s?m5/2)；
U火源的周长，m；
Z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m。
应用2-5式时应注意 kW/m2的条件， 为单位面积上的热释放速率，kW/m2。
4、McCaffrey模型 McCaffrey通过天然气扩散火焰的火灾实验得出一组分别描述稳定火焰区、间断火焰区及烟气羽流区的羽流流量的计算公式[25]，见式2-6。该羽流流量计算公式被区域火灾模拟软件CFAST所应用。
在稳定火焰区:
式中：z为从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度（m）。
5、NFPA模型 NFPA火灾防护手册中推荐的羽流流量计算公式[26-27]，见式2-7。该计算公式依据FMRC（Factory Mutual Research Corporation）的火灾实验，在使用中应注意z＞zfl的条件。
z从可燃物表面至计算羽流质量流量处的高度，m；
k 系数，不同火源位置时系数k的取值见表3-1。
由表2-1可知，如果火源位置不受墙体影响k＝1，0.071?k3/2＝0.071，此时式2-7和式2-1相比多项。
二、顶棚射流的形成
当羽流撞击到顶棚时，热烟气开始向四周蔓延形成所谓的顶棚射流。大多数火灾探测和灭火装置被安装在顶棚表面附近。顶棚射流的数量和温度很大程度上决定了这些装备的反应时间，因此确定顶棚射流的一些参数是非常重要的。在本节，将探讨顶棚射流的速度及温度的关系。
图2-3 顶棚射流示意图
此外，如果火焰本身直接撞击顶棚，我们希望可以计算出沿着顶棚延伸的火焰长度。这方面的信息可以用来估计对物体的辐射热，也可以用于一些其他的工程计算。
1、 顶棚射流的温度和速度
图2-3给出了无约束顶棚情况下（大面积）的顶棚射流流动的理想化示意图。从羽流中心轴线到我们所要考察的顶棚射流特性的某一点的距离用r来表示，单位为m。从火源到顶棚的高度记为H，单位也为m。
最初，顶棚下的热烟气层的厚度通常是火源距顶棚距离的5～12％。顶棚射流速度分布剖面图如图3-2所示，在两个边界的速度为零。最大流动速度和最高温度发生在距离顶棚较近区域，大约为火源距顶棚距离H的1%。
温度曲线图边界一边为顶棚温度，记为Tw，另一边为环境温度，记为T，如图2-3所示。因为顶棚射流呈放射状向周围运动，周围的空气在烟气层界面被卷吸进去，进而冷却烟气。同样，顶棚射流也通过顶棚的热传导进行冷却。
基于理论分析和实验数据结果，Alpert给出了简单的关系式，用于预测顶棚射流中给定位置r处的最高温度和最大速度。在顶棚高度范围为4.6～15.5m，火源热释放速率范围在500kW～100kW的条件下，不同种类的固体和液体燃料进行燃烧实验，测量它们的相关参数。方程分为两种区域情况：一种区域是近羽流区域的相关参数与r无关，远羽流区域处与r相关。当r/H < 0.18时和r/H > 0.18，顶棚射流最高温度的计算公式分别如下：
上述关系仅仅当火源被点燃后,顶棚处羽流可被看作不受限制的时候。当气流已经撞击侧壁的时候，已经形成了的一定厚度的热烟气层开始沉降，公式的可信度开始减弱。
应当注意的是，上面的一些方程仅仅适用于稳态火，即当能量释放速率稳定的时候。瞬态火灾的增长可以通过计算机程序进行计算。对于瞬态增长火情况，能量释放速率一般假设为按照t2曲线增长，同样也可以通过公式进行计算。
这里所说的计算属性有顶棚射流的最高温度和最大速度。这些都发生在比较靠近顶棚的地方，大概在燃料至顶棚距离的1%左右。探测和喷淋系统装置在这一区域之外时候比之上述方程温度将较低速度也较小，因此响应时间将大大加长。
2、 顶棚下的火焰蔓延
当火焰撞击至一个无限制的顶棚时，未燃烧的气体将向四周蔓延开，并且卷吸空气以用于燃烧，此时在顶棚下方将形成一个圆形的火焰。我们希望计算出沿着顶棚的火焰长度，在估计向周围物体辐射热的时候可以用到这一信息。
图2-4和图2-5给出了这种情况下的示意图。其中，rf 是火焰扩展半径，单位m；L是自由燃烧平均火焰高度，可用
D是火源直径，单位为m；H是火源距离顶棚的高度，单位m。You和Faeth对此开展了实验，分析实验数据得出火焰扩展半径和火源直径的比为如下近似表达式：
粗略地说，火焰扩展半径等于延伸至顶棚上方的自由火焰部分高度的一半，或者rf < 0.5(L – H)。
公式2-11只是粗糙的估计，因为它依据的实验是火焰小、高度小、能量低的火焰。Heskestad和Hamada开展了六组较大能量释放速率的实验（93～760kW），给出平均火焰扩展半径为：
其中，常数0.95是0.88～1.05范围的平均值。对于大的火焰，公式.2-12可以提供比公式2-11更为符合实际的估计，但是需要进行更多的实验验证。
三、反浮力壁面射流
顶棚射流在水平扩散遇到数值阻挡时，烟气将沿着壁面向下运动形成反浮力壁面射流。反浮力壁面射流向下运动一段距离后，由于浮力的因素，其前锋运动速度将减慢至零，壁面附近的烟气开始向远离壁面方向扩散运动，至此，经历了三个阶段：羽流、顶棚射流、和反浮力壁面射流，烟气层才算是基本形成。
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。