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随着社会经济的迅速发展,城市化发展进程也逐年加快,近年来,高层建筑的数量越来越多。与此同时,高层建筑中火灾安全事故频发,造成了灾难性的破坏,伴随着大量的人员伤亡以及财产损失,高层建筑的火灾安全问题已经引起了广泛关注。研究高层建筑火灾的发展规律以及防控措施对于消防设计具有及其重要的理论意义和应用价值。高层建筑内有很多竖向通道,火灾发生后成为热烟气的主要蔓延通道,造成火灾危害区域扩大,导致了远离着火楼层人员的窒息伤亡。此外,建筑物周围环境中经常存在外界风,对火灾的发展产生重要影响,目前仍然缺乏相关研究。文中按照高层建筑火灾发展的规律,采用理论分析、小尺寸实验以及数值模拟等多种研究方法相结合,对高层建筑火源功率、烟囱效应、外界风等多因素作用下的火灾发展机理和正压送风措施对烟气流动的控制展开研究,主要包括以下四个方面的内容:第一,通过小尺寸实验研究了高层建筑火灾初期阶段烟囱效应对着火空间内火羽流动态平衡的影响。实验中发现,改变楼梯间内窗口打开的位置以及火源功率均会造成烟囱效应强度的变化,进而影响到着火空间底部开口处诱导气流的流速。楼梯间内窗口打开高度的改变引起中性面位置的变化,从中性面位置到楼梯间底部之间的压强差则影响到烟囱效应的强度以及底部开口处诱导气流的大小。基于能量守恒定理以及楼梯间内的温度分布规律,建立了底部开口处诱导气流流速的预测关系式。着火空间底部开口处的诱导气流影响了火源功率,进而对楼梯间内的温度分布产生影响,从而影响了烟囱效应强度,烟囱效应强度又直接影响到底部开口的诱导气流流速的变化。三者相互影响,并且形成动态平衡。通过对火羽流的受力分析以及对以上三者相互影响规律的转化,得到了表达形式简单的火焰倾斜角度预测关系式,并用前人的实验数据验证了其适用性。第二,高层建筑室内火灾剧烈发展后,室内空气不足,未燃气体及热烟气流出窗外形成溢流火,溢流火的发展将受到周围环境中外界风的影响。外界风从窗口吹入时,外界风的水平惯性力与热浮力的作用方向相反。通过小尺寸实验研究了高层建筑室内火灾剧烈发展阶段反向风对双开口腔室燃烧特性的影响。发现随着外界风速增大,存在一个临界风速,使腔室内热烟气无法从窗口流出。分析了不同因素对临界转变风速的影响,实验验证了前人的理论模型,并为前人理论推导的临界转变风速预测关系式确定了合理的参数。此外,在双开口腔室火灾中,门口处会出现一个附加的补风区域。随着外界风速增大,这一补风区域逐渐减小。通过对门口附加补风区域内空气运动过程的分析,提出了一个能够反映进入腔室内空气质量流量的特征长度。综合考虑了外界风、门口补风、腔室热反馈等因素对燃烧质量损失速率的影响,通过量纲分析,建立了燃烧质量损失速率的预测关系式。第三,高层建筑室内火灾剧烈发展形成溢流火后,环境中的外界风从门口吹入,或在腔室入口采取正压送风措施控制烟气运动,外界风的作用方向与热浮力一致。通过小尺寸实验研究了高层建筑室内火灾剧烈发展阶段正向风对双开口腔室火行为的影响。结果显示,随着外界风速增大,腔室门口的气流会从双向运动向单向运动转变。当腔室门口气流单向运动时,随气火流量增加或外界风速减小,腔室内的火焰会出现只向上风向对称旋转、向上风向对称旋转与向下风向偏斜并存的转变;当腔室门口气流双向运动时,腔室内出现向下风向偏斜的火焰。火焰从窗口流出后,会出现间歇性溢出的特征。结合腔室外侧燃烧条件的分析,文中分析了窗口外侧火焰间歇性特征的物理规律,建立了预测火焰出现概率的预测关系式。而且随着外界风速增大,窗口外侧依次呈现出溢流火焰形态、水平喷射火形态、无火焰三种类型。基于对窗口处火焰的受力分析,发现窗口处火羽流的Fr数可以作为火焰形态转变的临界判据。进一步通过修正前人在无风情况下提出的特征参数,进而对窗口外侧的火焰长度、最大温度分布进行量纲分析,并建立了相应的预测关系式。最后通过对窗口外侧火焰运动过程的受力分析,建立了不同形态火焰的运动轨迹方程。第四,模拟研究了减少楼梯间内靠近着火楼层送风口打开的数量对楼梯间防烟效果的影响。模拟结果显示,对楼梯间进行正压送风时,减少送风口打开的数量,能够用更小的送风量阻挡相同火源功率的火灾烟气进入楼梯间。但是在加压空气无法阻挡火灾热烟气进入楼梯间的情况下,由于楼梯间内着火楼层上方空间缺少加压空气,压强较小,楼梯间内热烟气更容易向上部楼层蔓延。此外,研究发现当正压送风风机位于楼梯间顶部,楼梯间内各送风口空气质量流量的非均匀分布,随着送风口位置降低,送风口的风量越大。通过对送风管道内流体运动过程的分析,基于能量守恒和质量守恒定理,建立了预测各送风口的风量的关系式。在加压风量进入楼梯间后,基于整个楼梯间及相邻着火空间内的压差分析,建立了送风量与楼梯间着火楼层平均压强的关系式。