Downstream flow-field characteristics of a mobile positive-pressure ventilation smoke-exhaust fan in building corridors

当建筑物内发生火灾时，烟雾往往比火焰本身更危险。烟雾充满了走廊和房间，遮挡了视线，使人们无法逃生，也让消防员无法向前推进。为了应对这一问题，救援人员使用一种被称为正压通风的战术。想象一下，在走廊入口处放置一台强力工业风扇，以极大的力量向内注入新鲜空气，从而创造出一个高压区。这种压力就像一个活塞，将有毒烟雾向前推，并从建筑物的另一端开口处排出。其目标是为疏散和救援清理出一条路径。然而，从风扇中吹出的空气并不会仅仅沿着一条枯燥的直线行驶。它的行为就像一条复杂的、旋转的空气河流，其形状、速度和方向会根据风扇的指向以及周围墙壁的引导而发生变化。如果风扇指向过高，空气可能会撞击天花板并过早扩散，导致走廊下部仍充满烟雾。如果指向过低，空气则可能会撞击地面并失去动力。准确理解这股看不见的空气河流是如何移动的至关重要，然而直到最近，这些风扇在狭窄走廊中的精确行为仍是一个谜。

一组研究人员致力于以绘制新海岸线般的制图精度来绘制这股看不见的流场。他们专注于研究一种消防员使用的特定类型的移动风扇，测试当风扇向上倾斜不同角度时空气的行为。为此，他们结合了两种方法：他们在实验室中搭建了一个全尺寸的走廊复制品，并使用真实的物理风扇进行实验；同时，他们使用一个旨在模拟火灾和烟雾的高级计算机程序，创建了该设置的详细数字孪生体。在物理测试中，他们将风扇放置在一条长窄走型的走廊地面上，并将其向上倾斜15度。随后，他们使用灵敏的仪器测量了沿地面、墙壁和天花板各处的空气速度，描绘出了风之旅程的完整图像。他们在计算机模拟中重复了这一过程，调整虚拟风扇以匹配真实的风扇，并将数字结果与物理测量值进行对比，以确保计算机呈现的情况是真实的。

结果揭示了一个关于空气如何移动的清晰且可预测的故事。当风扇向上倾斜15度时，气流喷射而出，在开始发生变化之前行驶了一段显著的距离。在最初的几米内，空气表现为一个集中且高速移动的核心。随着行程增加，空气开始上升并最终接触到天花板。一旦触及天花板，空气并不会反弹，而是贴附在表面并水平展开，形成一层快速移动的空气，紧贴着走廊顶部。这种“天花板射流”至关重要，因为它在推动烟雾排出的同时，保持了走廊下部的空气清新，便于人们呼吸。研究人员发现，在15度这个角度下，空气维持强度的能力最长，能够以稳定、均匀的流速覆盖整个走廊宽度，一直到达走廊6米处。

随后，团队测试了将风扇倾斜得更陡峭（分别达到30度和45度）时会发生什么。计算机模拟显示，随着角度增加，空气会更早地撞击天花板。在30度时，空气在距离风扇约3米处接触天花板；而在45度时，仅在2米处就撞上了天花板。虽然过早撞击天花板听起来似乎很有帮助，但研究人员发现这实际上损害了风扇的性能。当空气过早撞击天花板时，它会损失大量的向前动量。它会在走廊顶部展开，但变得微弱且稀薄，无法有效地向走廊远端推进。在最陡峭的测试中，走廊下部的气流非常微弱，这意味着烟雾可能会滞留在人们爬行逃生的地面附近。数据显示，随着角度增加，空气的峰值速度下降，且空气在失去动力前能行驶的距离也显著缩短。

该研究证实，计算机模型非常精确，与现实世界的测量结果误差极小。这意味着消防员和工程师现在可以依靠这些数字模拟来预测风扇在不同情况下的表现，而无需每次都建造一个物理测试走廊。最重要的启示是，指向这些风扇存在一个“甜点位”（最佳角度）。将风扇向上倾斜15到30度，可以让空气在清除烟雾的同时，保持足够的流速来覆盖整个走廊。如果倾斜角度过大，会导致能量过早浪费。这一发现为消防员提供了一条明确且实用的规则：为了有效地清理走廊，他们应该将风扇略微向上倾斜，但不要太陡，以确保空气在扩散之前能走遍整个走廊长度。通过理解这些简单的空气流动规则，进入燃烧建筑的人们可以更加自信地行动，因为他们知道自己推动的空气能够触及烟雾并清理出逃生之路。