烟气和天花板射流
烟柱（Plume）
烟柱（Plume）是由于浮力（Buoyancy force）作用而垂直上升的热烟气和热气体柱状流，这是燃烧产生的结果。
浮力（Buoyancy force）是由烟气和空气密度差产生的力，因为烟气温度高，密度低于冷空气，所以烟气会垂直上升。
图 - 封闭空间内的烟柱（Enclosure Plume）
轴对称烟柱（Axisymmetric Plume）
烟柱可分为三个区域
Continuous Flame连续火焰区
Intermittent Flame间歇火焰区，此区域燃料燃烧接近完全，火焰仅部分时间出现
Buoyant Plume 浮力烟柱区，此区域燃烧已完全，只有热气流
图 - 轴对称烟柱（Axisymmetric Plume）
烟气速度（Plume Velocity）
我们可以沿烟柱中心线测量不同高度的烟气速度，各区域的速度计算如下
火焰区：
z/Q̇2/5 < 0.08 u0 = 6.8z1/2
间歇区：
0.08 < z/Q̇2/5 < 0.2 u0 = 1.9Q̇1/5
烟柱区：
z/Q̇2/5 > 0.2 u0 = 1.1z-1/3Q̇1/3
烟气温度（Plume Temperature）
沿中心线的烟气温度随高度增加而变化，可分为三个区域
火焰区：
z/Q̇2/5 < 0.08 ∆T0 = 2.91T∞
间歇区：
0.08 < z/Q̇2/5 < 0.2 ∆T0 = 0.227(Q̇2/5/z) T∞
烟柱区：
z/Q̇2/5 > 0.2 ∆T0 = 0.076T∞ (Q̇2/5/z)5/3
天花板射流（Ceiling Jet）
当烟气上升碰到天花板时，会沿着半径方向流动，我们称这种天花板下的流动为天花板射流。天花板射流的温度和速度与火灾探测设备（如喷淋头、热探测器、烟感探测器）的响应时间直接相关。
图 - 天花板下的烟气流动
天花板下烟气流动可分为两种类型，这取决于梁深比 (hb) 和梁间距 (W) 与燃料表面到天花板高度 (H) 的比值。
非受限天花板射流： hb/H < 0.126(H/W)1/3 且 W/H > 1.2
受限天花板射流： hb/H > 0.126(H/W)1/3 且 0.4 < W/H > 1.2
无约束天花板
距离R处的天花板射流温度
R/H < 0.18 ∆TCJ = 16.9 Q̇2/3 /H5/3
R/H > 0.18 ∆TCJ = 5.38 (Q̇/R)2/3 /H
∆TCJ 为天花板射流温度差
距离R处的天花板射流速度
R/H < 0.18 uCJ = 0.96(Q̇/H)1/3
R/H > 0.18 uCJ = 0.195Q̇1/3H1/2 / R5/6
uCJ 为天花板射流速度
无约束天花板
有约束天花板
距离L处的天花板射流温度（L>W/2）
∆TCJ/∆T0 = 0.37(H/W)1/3 exp[ -0.16(L/H)(W/H)1/3 ] 距离L处的天花板射流速度（L>W/2）
uCJ/u0 = 0.27/(W/H)1/3
当L < W/2时，速度和温度可用无约束天花板射流公式计算
有约束天花板
示例2
某房间发生火灾，燃料表面到天花板高度为3米，火源持续释放热量1,000 kW，环境温度25ºC，请回答以下问题：
- 在火源上方3米处属于火羽流的哪个区域？
- 计算火源上方3米处的温度和垂直速度
- 计算半径2米处的天花板射流温度和速度，当流动为：
-
- 无约束天花板射流
- 有约束天花板射流（W = 1.5 m）
图 - 示例2的示意图
已知条件：
Q̇ = 1,000 kW, z = 3 m, T∞ = 25ºC = 25 + 273 = 298K
计算 z/Q 2/5 以确定3米高度处的烟柱区域
z/Q2/5 = 3/(1000)2/5 = 0.19
由于 0.08 < z/Q 2/5 = 0.19 < 0.20，因此在3米高度处烟柱处于间歇火焰区。我们可以用以下公式计算3米高度处的温度和速度：
0.08 < z/Q2/5 < 0.20
u0 = 1.9Q̇1/5 = 1.9(1,000)1/5 = 7.56 m/s
∆T0 = 0.227(Q̇2/5/z) T∞ = 0.227(1/0.19)298 = 357 K
因此烟柱温度为 T0 – T∞ = T0 – 298 = 357 或 T0 = 655K = 382 ºC
计算结果表明，在3米高度处烟柱处于间歇火焰区，垂直速度为7.56 m/s，温度为382 ºC
烟气可以自由流动，我们可以计算天花板射流的温度和速度。已知R = 2 m，H = 3 m，因此R/H = 2/3 = 0.67 > 0.18，所以天花板射流温度为：
∆TCJ = 5.38 (1000/2)2/3/3 = 112.97
∆TCJ = 112.97 K 或 TCJ = 410.97 K = 137.97ºC
天花板射流速度，R/H = 0.67 > 0.18
uCJ = 0.195Q̇1/3H1/2 / R5/6 = 0.195(1000)1/3(3)1/2 /(3)5/6 = 1.89
距离2米处的天花板射流速度为1.89 m/s
在距中心2米处的无约束天花板射流温度为137.45ºC，速度为1.89 m/s
烟气沿梁间（W = 1.5 m）流动，在L = 2 m处的温度可以用以下公式计算：
∆TCJ/∆T0 = 0.37(H/W)1/3 exp[ -0.16(L/H)(W/H)1/3 ]
= 0.37(3/1.5)1/3 exp[ -0.16(2/3)(1.5/3)1/3 ]
= 0.428
u CJ / u 0 = 7.56 得到 uCJ = 0.34(7.56) = 2.57 m/s
在第二种情况下，烟气沿梁间（W = 1.5 m）流动，在L = 2 m处的温度为178 ºC，速度为2.57 m/s
从示例可以看出，在有约束条件下的天花板射流温度和速度高于无约束条件。这是因为在有约束条件下，火灾释放的能量被限制在较小的空间内流动，导致温度和速度都高于烟气可以自由扩散的情况。
