随着国家经济的快速增长和城市化进程的不断加快,越来越多的高层和超高层建筑耸立在全国各地。与之同时,频繁发生的火灾事故使人们对高层建筑的火灾安全性提出了更高的要求。数据显示,高层建筑火灾事故中绝大多数受害者死于吸入高温有毒烟气。火灾产生的烟气会沿着高层建筑内部竖向通道迅速蔓延并形成烟囱效应。烟囱效应不仅能够加快烟气向其他楼层和房间扩散,还能促进火灾的发展。实际上,高层建筑发生火灾时常处于有风的环境中。环境风风向和风速的不同对火灾中烟气运动和火灾发展特性的影响机制也不同。因此,本文通过缩尺寸实验和数值模拟研究相结合的方法,主要研究了环境风作用下高层建筑内部竖向通道中烟气的运动特性与毗邻走廊内的火行为。此外,当高层建筑外立面设计采用凹槽结构时,这种半封闭式的外部竖向通道也会对烟气蔓延造成影响。本文同样通过数值模拟研究了外部半封闭式竖向通道中烟气的运动特性。首先,通过数值模拟研究了正向风对楼梯间内烟气运动特性的影响。模拟中改变了火源功率和正向风风速。结果表明,当正向风通过破碎或打开的窗户吹进全尺寸楼梯间时,对于给定的火源功率,存在一个可用来判断烟囱效应能否发生的临界风速。正向风风速大于该临界风速时,热浮力不能克服正向风的作用,楼梯间内烟囱效应不能形成。与前人的研究相较,本文考虑了烟气自身浮力对烟气运动的作用,改进了判断烟气运动方向的临界判据(无量纲数η),并得到η的临界值约为0.1。当η的值小于该临界值时,热浮力能够克服正向风的作用,烟囱效应逐渐形成,烟气最终从楼梯间顶部窗户流出。反之,热烟气不能流进楼梯间,楼梯间内始终保持常温。同时,不同风速大小的正向风对烟气的向上蔓延有不同程度的阻碍作用。通过引入无量纲数η,本文提出了不同正向风风速下烟气前锋的无量纲上升时间预测公式。研究还发现,由于底部门口空气质量流量的减少导致O2供应量减少和燃烧不充分,再加上烟气运动变慢使得CO更容易积累在楼梯间内,烟气中CO的浓度最大会升高15%左右。其次,针对课题组以往开展实验的实验结果,进一步分析了侧向风对竖井内烟气流动和走廊内火行为的影响,包括典型的气流流动行为、甲醇池火的燃烧速率、竖井内烟气的温度等特征。结合前人和本文在正向风场景下的研究,比较了两种方向的环境风对高层建筑火灾烟气运动和燃烧特性影响机制的异同点。当环境风从1/6缩尺寸竖井一侧吹过顶部窗户时,竖井及走廊内部会出现明显的压力衰减并造成外界空气流入走廊。因此,与无风或正向风时的火焰形态不同,油池点燃后火焰立刻偏向竖井一侧倾斜。分析发现,底部走廊门口补风速度随侧向风风速增加而增大,但平均补风速度仍与火源功率的1/3次方成正比;竖井内外压差增大,烟气在走廊及竖井内蔓延上升变快。同时,本文还建立了侧向风风速与门口补风速度和火焰长度之间的关系式。与无风或正向风的场景相比,由于走廊门口补风气流的增强,甲醇池火的燃烧速率增加且燃烧过程更为剧烈。一方面,大量新鲜空气被卷吸到走廊内,促进了燃烧过程并导致烟气温度升高;另一方面,风速较大时对烟气的冷却作用也更为显著。结合正向风时竖井内烟气的温度,本文进一步提出了环境风影响下竖井内烟气温度的表达式。最后,本文利用数值模拟研究了半封闭式外部竖向通道中烟气运动特性。通过建立全尺寸的外立面凹槽结构模型,从0～4改变凹槽结构的深宽比,分别研究了凹槽结构的深宽比对外部竖向通道中烟气温度、蔓延速度和压力分布、CO浓度的影响。结果表明,随着深宽比增大,两边的侧墙能有效限制两侧空气的卷吸以及烟气与周围空气的接触,形成类烟囱效应。与无凹槽外立面相比,外部竖向通道中烟气温度衰减变慢,蔓延速度加快,CO的浓度明显升高。并且随着高度增大,凹槽结构深宽比对这三个烟气特性的影响愈发显著。然而,当深宽比大于1后,无论是烟气温度、蔓延速度还是CO浓度都逐渐趋于稳定,深宽比的继续增大并不会导致这几个参数的明显变化。研究表明,当高层建筑外部半封闭式竖向通道内发生火灾时,烟气会在类烟囱效应的作用下加速运动,并在较高的楼层处仍保持较高的温度和CO浓度。