烟气流动的驱动作用
为了减少烟气的危害，应当了解建筑烟气流动的各种驱动作用，以便对火势发展作出正确的判断，在建筑设计中做好烟气控制系统的设计。
（一）烟囱效应
当外界温度较低时，在诸如楼梯井、电梯井、垃圾井、机械管道、邮件滑运槽等建筑物中的竖井内，与外界空气相比，由于温度较高而使内部空气的密度比外界小，便产生了使气体向上运动的浮力，导致气体自然向上运动，这一现象就是烟囱效应。当外界温度较高时，则在建筑物中的竖井内存在向下的空气流动，这也是烟囱效应，可称之为逆向烟囱效应。在标准大气压下，由正、逆向烟囱效应所产生的压差为
式中 Δp——压差（Pa）；
Ks——修正系数（Pa·K/m），取3460Pa·K/m；
To——外界空气温度（K）；
Ti——竖井内空气温度（K）；
h——距中性面的距离（m）。
此处的中性面是指内外静压相等的建筑横截面，高于中性面为正，低于中性面为负。图5-4-1给出了烟囱效应所产生的竖井内外压差沿竖井高度的分布，其中正压差表示竖井的气压高于外界气压，负压差则相反。
图5-4-1 烟囱效应所产生的竖井内外压差示意图
烟囱效应通常是发生在建筑内部和外界环境之间，图5-4-2分别给出了正、逆向烟囱效应引起的建筑物内部空气流动示意图。
在考虑烟囱效应时，如果建筑与外界之间空气交换的通道沿高度分布较为均匀，则中性面位于建筑物高度的一半附近；否则，中性面的位置将有较大偏离。
烟囱效应是建筑火灾中竖向烟气流动的主要因素，在正向烟囱效应的影响下，空气流动能够促使烟气从火区上升很大高度。如果火灾发生在中性面以下区域，则烟气会与建筑内部空气一道窜入竖井并迅速上升，由于烟气温度较高，其浮力大大强化了上升流动，一旦超过中性面，烟气将窜出竖井进入楼道。若相对于这一过程，楼层间的烟气蔓延可以忽略，则除起火楼层外，在中性面以下的所有楼层中相对无烟，直到着火区的发烟量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。
图5-4-2 正、逆向烟囱效应引起的建筑内部空气流动示意图
如果火灾发生在中性面以上的楼层，则烟气将由建筑内的空气气流携带从建筑外表的开口流出。若楼层之间的烟气蔓延可以忽略，则除着火楼层以外的其他楼层均保持相对无烟，直到火区的烟生成量超过烟囱效应流动所能排放的烟量。若楼层之间的烟气蔓延非常严重，则烟气会从着火楼层向上蔓延。
逆向烟囱效应对冷却后的烟气蔓延的影响与正向烟囱效应相反，但在烟气未完全冷却时，其浮力还会很大，会导致在理想烟囱效应的条件下烟气仍向上运动。
（二）浮力作用
着火区产生的高温烟气由于其密度降低而具有浮力，着火房间与环境之间的压差可用与式（5-4-11）类似的形式来表示，即
式中 Δp——压差（Pa）；
Ks——修正系数（Pa·K/m），取3460Pa·K/m；
To、TF——周围环境及着火房间的温度（K）；
h——中性面以上距离（m）。
Fung进行了一系列的全尺寸室内火灾试验测定压力的变化，试验结果指出：对于高度约3.5m的着火房间，其顶部壁面内外的最大压差为16Pa。对于高度较大的着火房间，由于中性面以上的高度h较大，可能产生很大的压差。如果着火房间温度为700℃，则中性面以上10.7m高度上的压差约为88Pa，所形成的压力已超出了目前的烟气控制水平。图5-4-3给出了由烟气浮力所引起的压差曲线。
若着火房间顶棚上有开口，则浮力作用产生的压差会使烟气经此开口向上面的楼层蔓延。同时浮力作用产生的压差还会使烟气从墙壁上的任何开口及缝隙或门缝中泄漏。当烟气离开火区后，由于热损失及与冷空气混合，其温度会有所降低，因而，浮力的作用及其影响会随着与火区之间距离的增大而逐渐减小。
图5-4-3 浮力作用产生的压差
（三）气体热膨胀作用
燃料燃烧释放的热量会使气体明显膨胀并引起气体运动。若考虑着火房间只有一个墙壁开口与建筑物其他部分相连，则在火灾过程中，建筑内部的空气会从开口下半部流入该着火房间，而热烟气也会经开口的上半部从着火房间流出。因燃料热解、燃烧过程所增加的质量与流入的空气相比很小，可将其忽略，则着火房间流入与流出的体积流量之比可简单地表示为温度之比，即
式中 
、
——着火房间流出烟气的体积流量和流入着火房间空气的体积流量（m3/s）；
Tout、Tin——相应的烟气和空气的平均温度（K）。
若建筑内部初始空气温度为20℃，当空气温度达到600℃（873K）时，其体积约膨胀到20℃（293K）时的三倍。对有多个门或窗敞开的着火房间，由于流动面积较大，因气体膨胀在开口处引起的压差较小而可以忽略，但对于密闭性较好或开口很小的着火房间，如燃烧能够持续较长时间，则因气体膨胀作用产生的压差将非常重要。
（四）外部风向作用
在许多情况下，外部风会在建筑的周围产生压力分布，这种压力分布可能对建筑物内的烟气运动及其蔓延产生明显影响。若风朝着建筑物吹过来，会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，会使建筑物内的烟气向下风方向流动。风作用于某一表面上的压力可表示为
式中 pw——风作用于建筑物表面的压力（Pa）；
Cw——量纲的压力系数；
ρ∞——环境空气密度（kg/m3）；
v——风速（m/s）。
若采用空气温度To（K）来表示，式（5-4-13）可改写为
在式（5-4-13）、式（5-4-14）中，量纲的压力系数Cw的取值范围为-0.8～0.8，对于迎风墙面其值为正，而对背风墙面则为负，Cw的取值大小与建筑的几何形状有关并随墙表面上的位置不同而变化。表5-4-2给出了附近无障碍物时，矩形建筑物墙面上压力系数的平均值。
表5-4-2 矩形建筑物各墙面上的平均压力系数
注：H为屋顶高度，L为建筑物的长边，W为建筑物的短边。
按以上两式计算，风速为7m/s、压力系数Cw为0.8时产生的风压约为52Pa。在门窗关闭、密封性较好的建筑中，风压对空气流动的影响很小，但对密闭性较差或门窗均敞开的建筑，风压对其中空气流动的影响则很大。
一般而言，在距地表面最近的大气边界层内，风速随高度增加而增大，而在垂直离开地面一定高度的空中，风速基本上不再随高度增加，可以看作等速风。在大气边界层内，地势或障碍物（如建筑物、树木等）都会影响边界层的均匀性，通常风速和高度的关系可用指数关系来进行描述：
v=v0（Z/Z0）n （5-4-15）
式中 v——实际风速（m/s）；
v0——参考高度的风速（m/s）；
Z——测量风速v时的所在高度（m）；
Z0——参考高度（m）；
n——量纲的风速指数。
图5-4-4表示了不同地形条件下的风速分布，从中可看出，在不同地区的大气边界层厚度差别较大，应使用不同的风速指数。在平坦地带（如空旷的野外），风速指数可取0.16左右；在不平坦的地带（如周围有树木的村镇），风速指数可取0.28左右；在很不平坦的地带（如市区），风速指数可取0.40左右。
图5-4-4 不同地形条件下的风速分布
a）平坦地带（如湖泊） b）很不平坦的地带（如市区）
在建筑发生火灾时，经常出现着火房间窗玻璃破碎的情况。如果破碎的窗户处于建筑的背风侧，则外部风作用产生的负压会将烟气从着火房间中抽出，这可以大大缓解烟气在建筑内部的蔓延；而如果破碎的窗户处于建筑的迎风侧，则外部风将驱动烟气在着火楼层内迅速蔓延，甚至蔓延至其他楼层，这种情况下外部风作用产生的压力可能会很大，而且可以轻易地驱动整个建筑内的气体流动。
（五）供暖、通风和空调系统
许多现代建筑都安装有供暖、通风和空调系统（HVAC），火灾过程中，HAVC能够迅速传送烟气。在火灾的开始阶段，处于工作状态的HVAC系统有助于火灾探测，当火情发生在建筑中的无人区内，HVAC系统能够将烟气迅速传送到有人的地方，使人们能够很快发现火情，及时报警和采取补救措施。然而，随着火势的增长，HVAC系统也会将烟气传送到它能到达的任何地方，加速了烟气的蔓延，同时，它还可能将大量新鲜空气输入火区，促进火势发展。
为了降低HVAC在火灾过程中的不利作用，延缓火灾的蔓延，应当在HVAC系统中采取保护措施。例如在空气控制系统的管道中安装一些可由某种烟气探测器控制的阀门，一旦某个区域发生火灾，它们便迅速关闭，切断着火区域其他部分的联系；或者根据对火灾的探测信号，设计可迅速关闭HVAC系统的装置，不过即使及时关闭了HVAC系统可避免其向火区输入大量新鲜空气，也无法避免在烟气的烟囱效应、浮力或外部风力的作用下通过其通风管道和建筑中其他开口四处蔓延。