高层建筑火灾中，危险的往往不是火焰本身。据统计，火灾中85%以上的死亡是由于吸入烟气中有毒有害物质所致。而在高层建筑中，通过竖井（楼梯间、电梯井、电缆井等）传播的烟雾约占烟雾向上运动的95%以上。楼梯间这个本应作为逃生通道的空间，在火灾中往往变成了烟气高速扩散的“死亡烟囱”。

当烟气以每秒数米的速度在封闭楼梯间内向上蹿升时，楼上的被困人员可能还没闻到烟味，就已经陷入了危机。如何理解烟气的运动规律？如何科学设计排烟措施？祝融FDS，一款国产火灾动力学模拟软件，正在让这场看不见的“烟与时间的赛跑”变得可预测、可控制。

一、楼梯间为何成为烟气“高速通道”？

高层建筑火灾中，烟气在楼梯间内的蔓延速度远超人们的想象。这背后是两种核心驱动机制的协同作用。

烟囱效应（Stack Effect） 是首要驱动力。当室内温度高于室外时，室内空气密度小于室外空气密度，这种密度差产生了使气体向上运动的浮力。建筑内的楼梯间、电梯井等竖向通道就像超大的“烟囱”，热烟气从建筑下部向上部高速运动，形成所谓的“正烟囱效应”。烟囱效应的强度取决于室内外温差和竖井高度，温差越大、建筑越高，烟气上升速度越快。

湍流混合则是另一种驱动机制。当烟气尚未形成稳定烟囱效应时，热烟气在与周围空气的Rayleigh-Taylor不稳定性相关的湍流混合作用下，同样会沿竖向通道上升。

在一栋32层住宅楼的火灾模拟中，火源位于8层电缆井，因电缆井内楼板未封堵、防火门关闭不严，高温烟气沿电缆井竖向蔓延，随后通过未关闭的前室防火门进入楼梯间。模拟结果显示：

关键认知：在火灾初期，由于部分烟气温度相对较低，可能短暂出现“逆烟囱效应”，烟气短时间向下蔓延。但随着高温烟气持续涌入，烟囱效应迅速占据主导，烟气不可逆转地向上充满整个楼梯间。

二、排烟窗开在哪，结果差多少？

既然楼梯间内的烟气无法避免，那么合理的排烟设计就成了仅有的“逃生阀”。《建筑防火通用规范》要求：设置机械加压送风系统的楼梯间，在顶部或顶部一层外墙上应设置常闭式应急排烟窗。但不同位置的开窗，结果差异很大。

利用祝融FDS（基于FDS核心的图形化软件）对一栋32层住宅楼进行了系统模拟，对比了四种开窗方案，中和面以下开窗、中和面以上开窗、中和面上下同时开窗、楼梯间高处开窗。结果如下：

为什么“中和面以下开窗”结果差？因为中和面以下是负压区，开窗后室外冷空气会被吸入楼梯间，不仅无法排烟，反而可能加剧烟气混乱。而在楼梯间高处开窗，利用了烟气自然上升的热浮力，让烟气“顺势”排出，效果最佳。这正好验证了规范要求在楼梯间顶部设置应急排烟窗的科学性。

三、前室防火门：烟气扩散的“开关”

楼梯间的烟气并非凭空产生，它通常先从前室“借道”进入。在高层住宅中，前室是连接电梯厅和楼梯间的过渡空间，而前室防火门的开闭状态，直接决定了烟气扩散范围。

在32层住宅楼的火灾模拟中，火源位于8层电缆井。高温烟气首先从电缆井防火门未关闭的楼层（10层、14层、20~23层）溢出，随后经未关闭的前室防火门进入合用前室和楼梯间。

体积流量监测数据显示：

• 5层前室防火门：烟气流量时正时负。原因是烟气从10层楼梯间向下蔓延到5层后，因楼梯间压力变化，烟气在前室内来回涌动。
• 10层前室防火门：烟气流量在390秒时达到-6.0 m³/s（负值表示烟气从前室流入楼梯间），大量烟气通过前室涌入楼梯间。

这意味着：火灾中，哪怕只有几层楼的防火门未关闭，烟气就能通过前室迅速扩散到整个楼梯间。而防火门紧闭的楼层，前室内烟气浓度则很小。一扇门的开闭，可能决定整栋楼的结果。

四、祝融FDS：让烟气运动“可视化”

上述所有结论，都建立在数值模拟的基础之上。祝融FDS正是这样一款能够将火灾烟气运动“可视化”的国产软件。

祝融FDS基于火灾动力学模拟器（FDS）核心算法，采用大涡模拟（LES） 技术求解热驱动的低速流动Navier-Stokes方程。在楼梯间火灾模拟中，它可以精准计算：

• 烟气质量流率：通过每个窗口、每扇门的烟气流量随时间变化
• 温度场分布：楼梯间内各高度、各位置的温度变化
• 压力场变化：中和面的动态迁移过程
• 能见度演变：烟气浓度对视线的影响

更重要的是，祝融FDS的图形化界面让复杂的流体力学数据转化为直观的三维动画。决策者可以“亲眼看到”烟气如何在楼梯间内蔓延、排烟窗如何发挥作用、防火门的开闭如何改变烟气路径。

在双开口腔室火灾的研究中，祝融FDS还能模拟洞口尺寸和位置对温度分布的影响。研究发现，双开口腔室的温度分布可分为三个区域，冷空气层、过渡层及热烟气层。当两个洞口处于同一直线上时，腔室温度低。这一结论对楼梯间与前室之间的门洞设计同样具有参考价值。

五、结语

楼梯间火灾烟气不是“看不见的敌人”，在祝融FDS的模拟中，它的每一缕流动、每一次扩散、每一度温升，都可以被精准捕捉和量化分析。

从烟气在楼梯间内的烟囱效应驱动机理，到不同位置排烟窗的差异，再到前室防火门对烟气扩散的控制作用，每一项认知的深化，都意味着我们可以更科学地设计防排烟系统、更合理地规划疏散路线、更有效地保护大家。

当每一栋高层建筑的楼梯间都经过祝融FDS的“火灾预演”，当每一扇防火门的位置和开闭状态都经过科学验证，楼梯间才能真正回归它的本质，一条通往目的地的通道，而非吞噬的死亡烟囱。

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