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       (一)火羽流的形成 

       在火災(zāi)中，火源上方的火焰及燃燒生成的煙氣通常稱為火羽流。實際上，所有的火災(zāi)都要 經(jīng)歷這樣一個重要的初始階段，即在火焰上方由浮力驅(qū)動的熱氣流持續(xù)地上升進(jìn)入新鮮空氣占據(jù)的環(huán)境空間，這一階段從著火(包括連續(xù)的陰燃)然后經(jīng)歷明火燃燒過程直至轟燃前結(jié)束。 圖 5-4-5給出了包括中心線上溫度和流速分布在內(nèi)的火羽流示意圖，可燃揮發(fā)成分與環(huán)境空氣混合形成擴(kuò)散火焰，平均火焰高度為 L， 火焰兩邊向上伸展的虛線表示羽流邊界，即由燃燒產(chǎn)物和卷吸空氣構(gòu)成的整個浮力羽流的邊界。 圖 5-4-5b 所示為理想化的軸對稱火羽流模型， Zo表示虛點火源高度。

       圖5-4-5c中定性地給出了試驗觀測得到的火羽流中心線上溫度和縱向流速分布，其中溫度以相對于環(huán)境的溫差表示。從圖 5-4-5 中可以看到，火焰的下部為持續(xù)火焰區(qū)，因而溫 度較高且?guī)缀蹙S持不變；而火焰的上部為間歇火焰區(qū)，從此溫度開始降低。 這是由于燃燒反應(yīng)逐漸減弱并消逝，同時環(huán)境冷空氣被大量卷入的緣故。 火焰區(qū)的上方為燃燒產(chǎn)物(煙氣)的羽 流區(qū)，其流動完全由浮力效應(yīng)控制，一般稱其為浮力羽流，或稱煙氣羽流。 火羽流中心線上的速度在平均火焰高度以下逐漸趨于最大值，然后隨高度的增加而下降。

       (二)頂棚射流 

       頂棚射流是一種半無限的重力分層流，當(dāng)煙氣在水平頂棚下積累到一定厚度時，它便發(fā)生水平流動，圖 5-4-6 表示了這種射流的發(fā)展過程。 

       羽流在頂棚上的撞擊區(qū)大體為圓形，剛離開撞擊區(qū)邊緣的煙氣層不太厚，頂棚射流由此向四周擴(kuò)散。頂棚的存在將表現(xiàn)出固壁邊界對流動的勃性影響，因此在十分貼近頂棚的薄層內(nèi)，煙氣的流速較低。隨著垂直向下離開頂棚距離的增加，其速度不斷增大，而超過一定距離后，速度又逐步降低為零。這種速度分布使得射流前鋒的煙氣轉(zhuǎn)向下流，然而熱煙氣仍具有一定的浮力，還會很快上浮。于是頂棚射流中便形成一連串欖渦，它們可將煙氣層下方的空氣卷吸進(jìn)來， 因此頂棚射流的厚度逐漸增加而速度逐漸降低。 

       研究表明，一般情況下頂棚射流的厚度為頂棚高度的 5% - 12% ，而在頂棚射流內(nèi)最大溫度和速度出現(xiàn)在頂棚以F頂棚高度的 1% 處。這對于火災(zāi)探測器和噴淋頭等的設(shè)置有特殊意義，如果它們被設(shè)置在上述區(qū)域以外，則其實際感受到的煙氣溫度和速度將會低于預(yù)期值。

       煙氣頂棚射流中的最大溫度和速度是估算火災(zāi)探測器和噴淋頭響應(yīng)的重要基礎(chǔ)。對于穩(wěn)態(tài)火，為了確定不同位置上頂棚射流的最大溫度和速度，通過大量的試驗數(shù)據(jù)擬合可得到不同區(qū)域內(nèi)的關(guān)系式，應(yīng)該指出的是，這些試驗是在不同可燃物(木垛、塑料、紙板箱等)、不同大小火源( 668 kW  - 98 MW )和不同高度頂棚 (4.6 - 15.5 m) 情況下進(jìn)行的，得到的關(guān)系式僅適用于剛著火后的一段時期，這一時期內(nèi)熱煙氣層尚未形成，頂棚射流可以被認(rèn)為是非受限的。 

       在撞擊頂棚點附近煙氣羽流轉(zhuǎn)向的區(qū)域，最大平均溫度和速度與以撞擊點為中心的徑向距離元關(guān)， Alpert 推導(dǎo)出此時最大溫度和速度計算式為:

       煙氣流轉(zhuǎn)向后水平流動區(qū)域內(nèi)的最大溫度和速度計算式為:

        火羽流轉(zhuǎn)向區(qū)外頂棚以下，平均溫升 △T隨垂直距離 y 的變化的元量綱相關(guān)性，可按式 (5-4-20 )、式 (5-4-21 )計算。 

         基于式( 5-4-20) 中給出的溫度曲線，頂棚射流的最高溫升應(yīng)發(fā)生在式 (5-4-21 ) 中頂棚以下垂直距離y 上，即: 

       火羽流轉(zhuǎn)向區(qū)外頂棚以下，頂棚射流平均速度 v 隨垂直距離 y 的變化的無量綱相關(guān)性，可按式 (5-4-22 )、式 (5-4-23 )計算: 

        基于式 (5-4-22 )中給出的速度曲線，頂棚射流的最大速度應(yīng)發(fā)生在式 (5一4-23 ) 中頂棚以下垂直距離y 上，即:

       以上公式組不適用于以下幾種情況:

       (1)火源是瞬時的而且(或者)受到滅火劑的影響；長寬比大于等于 2 的矩形火源；空氣人口受限或者平均火焰高度小于或等于火源高度的三維火源；由噴焰組成的火源(如管道或加壓燃料儲液罐小孔泄漏造成的) ；火焰在火源以上分散到一定程度，具有多重火羽流的火 源。         

       (2)在無阻平面空間內(nèi)，火焰平均高度 L 高于頂棚高度Z_H 的50%，而且(或者)火源直徑D大于火源最小寬度的 10% 。 

       (3)受空氣動力紊亂度的影響產(chǎn)生的頂棚射流。 空氣動力紊亂度是由氣流場中的障礙物而產(chǎn)生的，或者受自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)的影響而產(chǎn)生。 

       (4)含有梁、凸出物或其他分界面，能夠引起非軸對稱流或者導(dǎo)致熱氣層向下朝引火源流動的頂棚，和(或)易燃的和(或)不水平的頂棚。

       (5)火源或者其火焰到分界面的距離在火源直徑 D 之內(nèi);火羽流中軸線到分界面的距離在 2Z_H  ( 頂棚高度)之內(nèi)。 

       (三)大空間窗口羽流 

       從墻壁上的開口(如門、窗等)流出而進(jìn)人其他開放空間中的煙流通常被稱為"窗口羽流"。一般情況下，在房間起火之后，火災(zāi)全面發(fā)展的性狀(即可燃物的燃燒速度、熱釋放速率等)是由墻壁上的門窗等通風(fēng)開口的空氣流速控制的，即熱釋放速率與通風(fēng)口的特性有關(guān)。 根據(jù)木材及聚氨醋等試驗數(shù)據(jù)可得到平均熱釋放速率的計算公式為:

       在確定火源高度時，可以假定火源處于開放空間中，并具有與窗口射流火焰頂端處的窗口射流相同卷吸量的火源高度。而且可以假定位于火焰頂端處的空氣卷吸與開放空間中的火災(zāi)相同。