二、烟气流动分析
（一）火羽流的形成
在火灾中，火源上方的火焰及燃烧生成的烟气通常称为火羽流。实际上，所有的火灾都要经历这样一个重要的初始阶段，即在火焰上方由浮力驱动的热气流持续地上升进入新鲜空气占据的环境空间，这一阶段从着火（包括连续的阴燃）然后经历明火燃烧过程直至轰燃前结束。图5-4-5给出了包括中心线上温度和流速分布在内的火羽流示意图，可燃挥发成分与环境空气混合形成扩散火焰，平均火焰高度为L，火焰两边向上伸展的虚线表示羽流边界，即由燃烧产物和卷吸空气构成的整个浮力羽流的边界。图5-4-5b所示为理想化的轴对称火羽流模型，z0表示虚点火源高度。
图5-4-5c中定性地给出了试验观测得到的火羽流中心线上温度和纵向流速分布，其中温度以相对于环境的温差表示。从图5-4-5中可以看到，火焰的下部为持续火焰区，因而温度较高且几乎维持不变；而火焰的上部为间歇火焰区，从此温度开始降低。这是由于燃烧反应逐渐减弱并消逝，同时环境冷空气被大量卷入的缘故。火焰区的上方为燃烧产物（烟气）的羽流区，其流动完全由浮力效应控制，一般称其为浮力羽流，或称烟气羽流。火羽流中心线上的速度在平均火焰高度以下逐渐趋于最大值，然后随高度的增加而下降。
图5-4-5 火羽流示意图
图5-4-6 浮力羽流与顶棚的相互作用
（二）顶棚射流
顶棚射流是一种半无限的重力分层流，当烟气在水平顶棚下积累到一定厚度时，它便发生水平流动，图5-4-6表示了这种射流的发展过程。
羽流在顶棚上的撞击区大体为圆形，刚离开撞击区边缘的烟气层不太厚，顶棚射流由此向四周扩散。顶棚的存在将表现出固壁边界对流动的黏性影响，因此在十分贴近顶棚的薄层内，烟气的流速较低。随着垂直向下离开顶棚距离的增加，其速度不断增大，而超过一定距离后，速度又逐步降低为零。这种速度分布使得射流前锋的烟气转向下流，然而热烟气仍具有一定的浮力，还会很快上浮。于是顶棚射流中便形成一连串的漩涡，它们可将烟气层下方的空气卷吸进来，因此顶棚射流的厚度逐渐增加而速度逐渐降低。
研究表明，一般情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的5%～12%，而在顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的1%处。这对于火灾探测器和洒水淋头等的设置有特殊意义，如果它们被设置在上述区域以外，则其实际感受到的烟气温度和速度将会低于预期值。
烟气顶棚射流中的最大温度和速度是估算火灾探测器和洒水淋头响应的重要基础。对于稳态火，为了确定不同位置上顶棚射流的最大温度和速度，通过大量的试验数据拟合可得到不同区域内的关系式，应该指出的是，这些试验是在不同可燃物（木垛、塑料、纸板箱等）、不同大小火源（668kW～98MW）和不同高度顶棚（4.6～15.5m）情况下进行的，得到的关系式仅适用于刚着火后的一段时期，这一时期内热烟气层尚未形成，顶棚射流可以被认为是非受限的。
在撞击顶棚点附近烟气羽流转向的区域，最大平均温度和速度与以撞击点为中心的径向距离无关，Alpert推导出此时最大温度和速度计算式为
烟气流转向后水平流动区域内的最大温度和速度计算式为
式中 ΔTmax——最大平均温度（℃）；
vmax——最大平均速度（m/s）；
zH——火源到顶棚的高度；
zV——火源基部以上虚点源的高度；
r——以羽流撞击点为中心的径向距离（m）；
——火源对流热释放速率（kW），对流热占总热释放速率的比值为0.7。
火羽流转向区外顶棚以下，平均温升ΔT随垂直距离y的变化的无量纲相关性，可按式（5-4-20）、式（5-4-21）计算。
基于式（5-4-20）中给出的温度曲线，顶棚射流的最高温升应发生在式（5-4-21）中顶棚以下垂直距离y上，即
火羽流转向区外顶棚以下，顶棚射流平均速度v随垂直距离y的变化的无量纲相关性，可按式（5-4-22）、式（5-4-23）计算。
基于式（5-4-22）中给出的速度曲线，顶棚射流的最大速度应发生在式（5-4-23）中顶棚以下垂直距离y上，即
以上公式组不适用于以下几种情况：
1）火源是瞬时的而且（或者）受到灭火剂的影响；长宽比大于或等于2的矩形火源；空气入口受限或者平均火焰高度小于或等于火源高度的三维火源；由喷焰组成的火源（如管道或加压燃料储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）在无阻平面空间内，火焰平均高度L高于顶棚高度zH的50%，而且（或者）火源直径D大于火源最小宽度的10%。
3）受空气动力紊乱度的影响产生的顶棚射流。空气动力紊乱度是由气流场中的障碍物而产生的，或者受自然通风及机械通风的影响而产生。
4）含有梁、烟幕或其他分界面，能够引起非轴对称流或者导致热气层向下朝引火源流动的顶棚，和（或）易燃的和（或）不水平的顶棚。
5）火源或者其火焰到分界面的距离在火源直径D之内；火羽流中轴线到分界面的距离在2zH（顶棚高度）之内。
（三）大空间窗口羽流
从墙壁上的开口（如门、窗等）流出而进入其他开放空间中的烟流通常被称为“窗口羽流”。一般情况下，在房间起火之后，火灾全面发展的性状（即可燃物的燃烧速度、热释放速率等）是由墙壁上的门窗等通风开口的空气流速控制的，即热释放速率与通风口的特性有关。根据木材及聚氨酯等试验数据可得到平均热释放率的计算公式为
式中 Aw——开口的面积（m2）；
Hw——开口的平均高度（m）。
大空间窗口羽流的质量流率计算式为
式中 Zw——距离窗口顶端之上的高度（m）；
α——烟流高度修正系数。
在确定火源高度时，可以假定火源处于开放空间中，并具有与窗口射流火焰顶端处的窗口射流相同卷吸量的火源高度。而且，可假定位于火焰顶端处的空气卷吸与开放空间中的火灾相同。