随着社会经济发展的日新月异和城市化进程的逐步加快,高层建筑的数量与日俱增,随之而来的大量火灾事故,也引起了人们广泛的关注。统计数据表明,火灾事故中将近85%的死亡都是由有毒烟气造成的。楼梯间作为高层建筑众多竖向通道之一,在发生火灾时一旦进烟,除了会成为热烟气扩散到其他楼层的主要通道,还会对人员疏散造成影响,威胁他们的人身安全。在高层建筑火灾中,常常存在着一些重要的环境条件,如楼梯间的开口状态、环境压力和环境风等,这些环境条件会对高层建筑内的火灾发展和烟气流动产生较大的影响。因此深入研究不同环境条件下楼梯间火灾发展和烟气流动,对高层建筑楼梯间的火灾防治和烟气控制,有着重要的现实意义和指导价值。本文采用实验与数值模拟相结合的研究方法,通过开展全尺寸和模型尺寸实验以及CFD数值模拟对不同环境条件下高层建筑楼梯间火灾发展和烟气流动进行了探究。通过全尺寸楼梯间火灾实验,研究了开口位置对楼梯间烟气流动和温度分布的影响。实验结果表明,相比于对侧开口的楼梯间火灾,侧向开口形成的倾斜火焰的引燃区域更广,对可燃物的威胁性更高。楼梯间烟囱效应的强度随着开口高度的增加先增大后减小。根据烟气温度随高度的衰减速率和上升速度的不同,楼梯间可以分为上下两个区域。在下部区域,烟囱效应和湍流混合运动在热烟气的流动中都起着重要作用,烟气温度衰减速率较慢,上升速度较快;相反,在上部区域,湍流混合运动起着决定作用,温度衰减的速率较快,上升速度较慢。通过理论分析,确定了上部区域热烟气的等效热释放速率,提出了楼梯间烟气羽流上升时间的综合预测模型,并比较了热烟气在不同尺寸楼梯间和竖井中流动的阻力系数。通过模型尺寸实验,研究了顶部开口状态对楼梯间双火源火灾发展的影响。实验结果表明,下层火源是一个独立的变量,其燃烧速率只受自身油池尺寸的影响。下层火源产生的烟气在楼梯间会形成热压,对上层火源的烟囱效应起到抑制作用。顶部开口开启时,烟气主要从顶部开口流出,少量从楼梯间流入上层前室,烟气流动所诱发的水平惯性力会改变上层火焰的偏转方向,使火焰由向楼梯间倾斜转变至竖直燃烧。随着下层火源的热释放速率增大,火焰则会开始向房间侧间歇性地脉动倾斜。顶部开口关闭后,楼梯间内烟气流动方式发生改变,流入上层前室的烟气质量流量增加,致使上层火焰直接朝房间侧倾斜,并且随着下层火源的热释放速率增大,火焰的倾角也在逐渐增大。上层火源的燃烧速率在顶部开口开启时不随下层火源的变化而变化,而在顶部开口关闭后,会随着下层火源热释放速率的增大而增加。通过数据分析,提出了不同顶部开口状态下上层着火前室顶棚处烟气温度的预测关系式。通过全尺寸楼梯间火灾数值模拟,研究了环境压力对楼梯间火灾发展和烟气流动的影响。模拟结果表明,环境压力的降低会减弱楼梯间的烟囱效应,从而导致楼梯间内烟气质量流量的减少和火焰长度的增加,通过量纲分析,提出了不同环境压力下前室门口空气质量流量的预测关系式。在靠近火源的楼层,热烟气温度会随着环境压力的下降而升高,而在远离火源的楼层,由于低压下温度衰减速度的加快,烟气温度会随着压力的下降而降低。由于低压下烟囱效应的减弱,楼梯间烟气的流动速度和热压均随着环境压力的下降而减小。通过理论分析,考虑烟气和墙壁之间的对流传热,提出了适用于低压下的烟气羽流上升时间的预测模型。通过模型尺寸楼梯间火灾实验,研究了环境风对楼梯间火灾发展和烟气流动的影响。实验结果表明,正向风与烟囱效应是一种协同关系,正向风会加快楼梯间内的烟气流动。在较小风速下,正向风对火源燃烧的抑制作用占主导,而在较大风速下,正向风对火源燃烧的促进作用占主导。正向风会加强前室门口的补风效应,在此基础上,建立了正向风作用下门口气流速度的预测关系式。此外,结合正向风下楼梯间内的烟气温度分布,提出了耦合火源热释放速率和正向风速的楼梯间烟气温度预测模型。侧向风与烟囱效应则是一种竞争关系,侧向风会减慢楼梯间内的烟气流动以及改变房间内火焰的偏转方向。根据火焰偏转方向的临界判据R,侧向风速被划分成了三个不同的区间,其中L区:0 ≤R＜0.41,侧向风未能克服烟囱效应,火焰向楼梯间偏转;M区:0.41 ≤ R＜2.32,侧向风与烟囱效应保持平衡,火焰保持竖直稳定;H区:R≥ 2.32,侧向风克服烟囱效应,火焰向室外空间偏转。对于小尺寸油盘,火源的燃烧速率随着侧向风速的增长是先减小后增大的,最后保持相对稳定。而对于大尺寸油盘,燃烧速率不会出现稳定阶段,而是持续增长。楼梯间烟气温度的衰减系数随着侧向风速的增加是先增加后保持不变的。