前言

中华人民共和国国家标准
消防安全工程 第7部分：顶棚射流的计算要求
Fire Safety engineering——Part 7：Requirements governing algebraic equations for ceiling jet flows
GB/T 31593.7-2015
发布部门：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会
发布日期：2015年06月02日
实施日期：2015年08月01日

    GB/T 31593《消防安全工程》分为以下九个部分：
    ——第1部分：计算方法的评估、验证和确认；
    ——第2部分：所需数据类型与信息；
    ——第3部分：火灾风险评估指南；
    ——第4部分：设定火灾场景和设定火灾的选择；
    ——第5部分：火羽流的计算要求；
    ——第6部分：烟气层的计算要求；
    ——第7部分：顶棚射流的计算要求；
    ——第8部分：开口气流的计算要求；
    ——第9部分：人员疏散评估指南。
    本部分为GB/T 31593的第7部分。
    本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
    本部分使用重新起草法修改采用ISO 16736：2006《消防安全工程 计算公式控制要求 顶棚射流》。
    本部分与ISO 16736：2006相比在结构上有较多调整，附录A中列出了本部分与ISO 16736：2006的章条编号对照一览表。
    本部分与ISO 16736：2006的技术性差异是对规范性引用文件做了具有技术性差异的调整，以适应我国的技术条件，调整的情况集中反映在第2章“规范性引用文件”中，具体调整如下：
    ——用GB/T 5907(所有部分)代替了ISO 13943(见第3章)。
    本部分还做了下列编辑性修改：
    ——删除了国际标准的前言，重新起草了前言；
    ——修改了国际标准的引言，将其作为本部分的引言；
    ——将国际标准的“本国际标准”一词改为“GB/T 31593的本部分”或“本部分”；
    ——将国际标准的资料性附录A编排为本部分的资料性附录B，将国际标准附录中的术语和定义调整到本部分正文的第3章中，删除了部分通用术语的定义，调整了符号的编排格式；
    ——将国际标准的某些标点符号修改为符合汉语习惯的标点符号。
    本部分由中华人民共和国公安部提出。
    本部分由全国消防标准化技术委员会建筑消防安全工程分技术委员会(SAC/TC 113/SC 13)归口。
    本部分起草单位：公安部天津消防研究所、公安部四川消防研究所、中国科学技术大学、中国建筑科学研究院
    本部分主要起草人：张玉贤、邓松华、郭歌、姚松经、韩伟平、毕少颖、智会强、阚强、陆守香、胡忠日、张向阳、郑巍。
 

引言

    本部分所讨论的计算公式适用于设定火灾场景的量化分析，专业人员无须进行繁杂的数值计算，就能够依据这些公式快速判断初步消防安全设计是否需要调整以及如何调整，以满足预期的性能指标要求。这些公式在以下方面已经得到应用：
    ——测定火羽流传热，包括对流和辐射；
    ——预测顶棚射流特性以调节探测器的响应时间；
    ——计算通风口的排烟能力；
    ——分析分隔空间内的烟气传递和轰燃等火灾危害。
    对于顶棚射流，计算公式可用于估算火灾探测器和最先启动洒水喷头的响应时间，以及一些结构构件的破坏时间(如塑料屋顶或者天窗)。本部分的附录B给出了准稳态且轴对称顶棚射流计算公式的应用示例。
    GB/T 31593.1规定了运用数学公式进行火灾动力学计算的通用要求，本部分是这些通用要求的具体实践。如果采用数学模型计算火灾发展过程及其产生的后果，本部分所讨论的计算公式可用于对其结论进行校验。
    本部分适合从事消防安全工程的专业人员使用，包括消防设计人员、消防救援人员、消防标准规范制定者、保险商、消防安全管理人员，标准使用者需要充分理解本部分给出的计算方法中相关参数的含义和应用条件。

1范围

    GB/T 31593的本部分规定了顶棚射流特征值计算公式的应用方法要求，提供了与顶棚射流计算公式应用相关的下列通用要求：
    a) 物理现象的描述；
    b) 计算书；
    c) 计算公式的局限性；
    d) 计算公式的输入参数；
    e) 计算公式的适用范围。
    本部分适用于建设工程消防性能化设计和评估中顶棚射流的计算。

2规范性引用文件

    下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
    GB/T 5907(所有部分) 消防词汇
    GB/T 31593.1 消防安全工程 第1部分：计算方法的评估、验证和确认(GB/T 31593.1-2015，ISO 16730：2008，MOD)

3术语和定义

    GB/T 5907界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1 轴对称 axisymmetric
    <顶棚射流>平均运动方式和平均动力学特征参量(例如平均温升)沿一条垂直中心线对称。
3.2 顶棚 ceiling
    任何的建筑中密闭空间(例如大楼里的一个房间或者交通工具里的一个客舱)的最高边界。
3.3 顶棚射流 ceiling jet
    在火羽流高温燃烧产物的推动下沿着顶棚下方表面的一层气体流动。
3.4 火羽流 fire plume
    由燃烧所产生的浮力形成的向上湍流流动，通常包括下部的燃烧区。
3.5 火羽流转向区 fire plume turning region
    火羽流向顶棚射流转变的区域，通过火羽流半径与有效顶棚高度的比率H-z_v来定义，H-z_v数值在0.15～0.2之间。
3.6 火焰 flame
    火羽流的发光区域。
3.7 喷射火焰 jet flame
    受动量支配而不受浮力、外力支配的火焰。
3.8 准稳态 quasi-steady state
    火源热释放速率变化引起的其他变化在流场中能立刻显现出来的一种假定状态。

4物理现象的描述

4.1 应采用图表来描述火源类型、流动边界条件(包括对称边界)以及其他适用于分析的场景因素。
4.2 应明确识别需要计算的顶棚射流特征参数及其适用范围，适当时应包括由相关计算量推导出来的特征参数(如基于能量和质量守恒定律推导出的烟气浓度与气体温度升高值之间的关系)和其他与传递至远离顶棚射流位置的辐射热相关的特征参数。
4.3 应明确识别具体计算公式适用的顶棚射流区域(是否处于火羽流转向区，受火源影响的程度如何)。
4.4 不同的计算公式描述了不同的顶棚射流特征(见4.2)或适用于不同的顶棚射流区域(见4.3)，当有多种方法可用于计算同一个给定量的值时，应明示其结果与选用的计算方法无关。

5计算书

5.1 计算书的一般要求见GB/T 31593.1。
5.2 计算步骤应由一系列的计算公式表述。
5.3 每个计算公式应由独立的条款表述，其内容应包含公式输出的详细描述，以及该公式的解释性说明和限定条件。
5.4 应明确定义计算公式中的各变量，给出适用的SI单位；计算公式优先选用量关系式。
5.5 应酌情通过引用公认的手册、科技文献或通过推导等方法给出计算公式的科学依据。
5.6 应给出计算公式的应用实例，演示如何使用符合第4章要求的输入参数和具体计算过程。

069'>《消防安全工程 第7部分：顶棚射流的计算要求》GB/T 31593.7-2015

B.7计算公式的适用范围

B.7.1 本附录使用公式的适用范围可通过B.4中给出的计算依据文献确定。
B.7.2 为了保持B.7.1规定的适用范围，应满足以下规定条件：
    ——热气流层应限定在顶棚以下z_H/4的距离之内，z_H与准稳态火灾开始之后最大时间间隔△t_max(单位为s)之间的关系，应满足式(B.26)(参见参考文献[29])：     ——顶棚表面与水平面之间的夹角应限定在角度θ(单位为弧度)之内。按照此限定，顶棚射流在径向距离大约为z_H上的最大速度的比率由式(B.27)给出(参见参考文献[11])，其中为火羽流冲击点向上与顶棚最大倾角时的速度，为顶棚倾角为零弧度时相应速度。     例如，为了保持此速度比率在一个小于或等于1.05的范围内(即顶棚倾角导致速度最多增大5％)，需要顶棚倾斜角度不大于0.016弧度，或者1°左右。
    ——依据顶棚附近环境温度(T_a)z_H与火源附近环境温度(T_a)_z=0之间的差异，计算得到的环境温度梯度(T_a)z_H－(T_a)_z=0的值应限制在小于7△T₀的范围内。

B.8计算示例

B.8.1 顶棚射流最高平均温升
    假设在房间里有一个直径为1.8m的圆形油盘着火，燃烧时的热释放率为2500kW·m^-2，液体表面的正上方有一个12m长的顶棚。热释放率的对流系数为0.7，火羽流转向区内的顶棚射流的温升△T_max(单位为K)，可以通过式(B.5)计算得到：     火羽流转向区外，距火羽流中轴线的径向距离为5m的顶棚射流的温升△T_max(单位为K)，可以通过式(B.7)计算得到： B.8.2 顶棚射流温度曲线的特征深度
    假设火源为B.8.1所述的圆形油盘火，距火羽流中轴线的径向距离为5m处，顶棚射流温度曲线的特征深度l_T(m)，可以通过式(B.14)计算得到：    其中z_V＝0.921m，即火羽流虚点源距离火源基部(例如可燃液体表面)之上的高度值。

B.9示意图

    准稳态、轴对称顶棚射流图解见图B.1。

 参考文献

    [1] GB/T 6379(所有部分) 测量方法与结果的准确度
    [2] ISO/TR 13387-3：1999 Fire safety engineering——Part 3：Assessment and verification of mathematical fire models
    [3] ISO 13943：2008 Fire safety——Vocabulary
    [4] Pickard，R.W.，Hird，D.and Nash，P.，"The Thermal Testing of Heat-Sensitive Fire Detectors，"F.R.Note 247，Building Research Establishment，Borehamwood，Herts，UK (1957).
    [5] Thomas，P.H.，"The Distribution of Temperature and Velocity Due to Fires beneath Ceilings，"F.R.Note 141，Building Research Establishment，Borehamwood，Herts，UK (1955).
    [6] Alpert，R.L.，"Fire Induced Turbulent Ceiling-Jet，"Technical Report Serial No.19722-2，Factory Mutual Research Corporation，p.35 (1971).
    [7] Alpert，R.L."Calculation of Response Time of Ceiling-Mounted Fire Detectors，"Fire Tech.，8，181 (1972).
    [8] Heskestad，G.，"Similarity Relations for the Initial Convective Flow Generated by Fire，”ASME Paper No.72-WA/HT-17，The American Society of Mechanical Engineers (1972).
    [9] Heskestad，G.，“Physical Modeling of Fire，”J.Fire & Flammability，6，253 (1975).
    [10] Alpert，R.L.，"Turbulent Ceiling-Jet Induced by Large-Scale Fires，"Comb.Sci.and Tech.，11，197 (1975).
    [11] Alpert，R.L.，"Ceiling Jet Flows，"The SFPE HanDBook of Fire Protection Engineering，3^rd Edition，P.J.DiNenno，Editor，National Fire Protection Association，Quincy，MA，USA，pp.2-18 to 2-31，(2002).
    [12] Veldman，C.C.，Kubota，T.，and Zukoski，E.E.，“An Experimental Investigation of the Heat Transfer from a Buoyant Gas Plume to a Horizontal Ceiling——Part 1：Unobstructed Ceiling，”NBS-GCR-77-97，U.S.National Bureau of Standards，Gaithersburg (1977).
    [13] Heskestad，G.，and Delichatsios，M.A.，“Environments of Fire Detectors，”NBS-GCR-77-86 and NBS-GCR-77-95，National Bureau of Standards，Gaithersburg (1977).
    [14] Heskestad，G.and Delichatsios，M.A.，The Initial Convective Flow in Fire，17th International Symposium on Combustion.Combustion Institute，Pittsburgh (1978).
    [15] You(Yu)，H.Z.and Faeth，G.M.，"Ceiling Heat Transfer during Fire Plume and Fire Impingement，"Fire and Materials.，3，140 (1979).
    [16] Cooper，L.Y.，"Heat Transfer from a Buoyant Plume to an Unconfined Ceiling，"J.of Heat Trans.，104，446 (1982).
    [17] You(Yu)，H.Z.，"An Investigation of Fire-plume Impingement on a Horizontal Ceiling：2-Impingement and Ceiling-jet Regions，"Fire and Materials，9，46 (1985).
    [18] Cooper，L.Y.and Woodhouse，A.，"The Buoyant Plume-Driven Adiabatic Ceiling Temperature Revisited，"J.of Heat Trans.，108，822 (1986).
    [19] Evans，D.D.and Stroup，D.W.，"Methods to Calculate the Response Time of Heat and Smoke Detectors Installed below Large Unobstructed Ceilings，"Fire Tech.，22，54 (1986).
    [20] Alpert，R.L.，"Convective Heat Transfer in the Impingement Region of a Buoyant Plume，"ASME Jl.of Heat Transfer，Vol.109，p.120，(1987).
    [21] Heskestad，G.and Delichatsios，M.A.，"Update：The Initial Convective Flow in Fire，"Short Communication，Fire Safety Jl，Vol 15，p.471，(1989).
    [22] Motevalli，V.and Marks，C.H.，"Characterizing the Unconfined Ceiling Jet under Steady-State Conditions：A Reassessment"Fire Safety Science，Proceedings of the 3rd International Symposium，G.Cox and B.Langford，eds.，Elsevier Applied Science，New York，301 (1991).
    [23] Kokkala，M.A.，"Experimental Study of Heat Transfer to Ceiling from an Impinging Diffusion Flame，"Fire Safety Science-Proceedings of the Third International Symposium，G.Cox and B.Langford，eds.，Elsevier Applied Science，New York，261，(1991).
    [24] Atkinson，G.T.and Drysdale，D.D.，"Convective Heat Transfer from Fire Gases，"Fire Safety Jl，Vol.19，p.217，(1992).
    [25] Heskestad，G.and Hamada，T.，"Ceiling Jets of Strong Fire Plumes，"F.Safety J.，21，69，(1993).
    [26] Hasemi，Y.，Yokobayashi，S.，Wakamatsu，T.and Ptchelintsev，A.V.，"Fire Safety of Building Components Exposed to a Localised Fire-Scope and Experiments on Ceiling/Beam System Exposed to a Localised Fire，"ASIAFLAM’95，First International Conference，Interscience Communications Ltd.，London，pp.351-361，(1995).
    [27] Tewarson，A.，"Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires，"The SFPE HanDBook of Fire Protection Engineering，3rd Edition，P.J.DiNenno，Editor，National Fire Protection Association，Quincy，MA，USA，pp.3-82 to 3-161，(2002).
    [28] Babrauskas，V.，"Heat Release Rates"，The SFPE HanDBook of Fire Protection Engineering，3^rdEdition，P.J.DiNenno，Editor，National Fire Protection Association，Quincy，MA，USA，pp.3-1 to 3-37，(2002).
    [29] Heskestad，G，"Fire Plumes，Flame Height and Air Entrainment，"The SFPE HanDBook of Fire Protection Engineering，3^rd Edition，P.J.DiNenno，Editor，National Fire Protection Association，Quincy，MA，USA，pp.2-1 to 2-17，(2002).