高大空间内发生的火灾，其烟气流动有着与一般建筑内火灾烟气流动不同的规律。通常情况下，火灾烟气总是先上升到顶棚，若顶棚上有自然通风或机械排烟设施，烟气即可顺利排出，否则烟气将不断聚集，烟层高度不断下降，使人员置身于烟气中。但由于“烟气层化”的原因，烟气并不总是能一直上升到顶棚。所谓“烟气层化”是指当建筑物较高而火灾初期温度较低（一般火灾初期的烟气温度为50～60℃），或在热烟气上升流动过程中受到冷却（如空调的影响）使其密度加大，当烟气流到与其密度相等的空气高度时，便折转成水平方向扩散而不再上升。这样，在“层化”高度以上采用自然排烟就失去作用。“烟气层化”现象通常发生在12m以上的高度上。下面主要讨论无“层化”现象出现时高达空间中烟气的流动特性。
1.无排烟时烟层下降的时间预测
如图3-16所示，火灾烟气在上升过程中会大量卷入周围的空气，烟气的温度变化不大，因而在火灾初期，可以将烟层温度确定为近似不变的，并假定火灾空间的水平投影面积A不随高度而变化，则烟层的质量守恒公式可以写为下式
图3-16 烟层下降的非稳定预测
所以
式中 ρs——烟气的密度（kg/m3）；
Vs——烟层的体积（m3）；
A——火灾空间的面积（m2）；
Z——烟层的高度（m）；
t——时间（h）。
在高度Z范围内，火灾烟气进入紊流区域，而且，若火灾进入稳定发展阶段，火灾烟气质量流量Ms为
其中
式中 ρa——周围空气的密度（kg/m3）；
Ta——周围空气的温度（℃）；
Q——火源的发热速度（kJ/s）；
Z0——假想点热源位置（m）；
D——火源的直径（m）。
并由此可得
其中
积分得烟层高度为
烟层降至高度Z处所需时间，可由下式求出。
2.有排烟口时排烟效果的预测
（1）侧墙上有开口时的自然排烟 火灾房间如果设有面积较大、位置偏高的窗洞口时，烟气可通过高位开口排至室外，烟层就不会降到疏散安全界限以下。为了估算排烟口的面积，可根据图3-17所示烟气达到稳定流动时的模型进行研究。
图3-17 烟层高度的稳态简化预测模型
稳态预测的基本方法是利用质量守恒和能量守恒原理。自然通风的烟气流动因温度的不同而异，因此不能假定烟层的温度不变，必须根据烟层的热平衡来测算烟气的温度。
开口处的流量：设室内外的压差为ΔP，则烟气流出量ms及空气的流入量md可由下式确定。
式中 Bd——开口的宽度（m）；
Hu、HL——开口的上下端高度（m）。
所谓热平衡是指在火灾初期，烟气的温度并不相同，烟层对周围壁面的传热以对流传热为主，故仅考虑对流传热。由于只考虑火灾初期，所以忽略了周围壁面的温度上升，假设周围壁面的温度是一定的，设hc为对流热换率，Aw为烟层接触到的周围壁面的面积，则烟层的热平衡由下式给出
Q-Cpms（Ts-Ta）-hcAw（Ts-Ta）=0
质量守恒：由于假设为稳态换热，根据室内的流入流出平衡得
ms=md=Ms
应注意上述公式不适用于低顶棚、火源上方形成紊流区域的情况。
先假定适当的烟层高度（如安全高度），求出火灾紊流的烟气流量Ms，将Ms（=ms）代入烟气流出量ms及烟层的热平衡公式求出ΔP。并将ΔP代入空气的流入量md公式，求出门洞口的流量md。根据质量守恒，可进一步确定一个烟层高度Z，然后将新的Z值再进一步反复试算，最后求出一个在允许误差之内的Z值。
（2）上部有开口时的自然排烟 这种模型适用于屋顶有通风口或天窗的情况。当流动达到稳定时，从房间的门洞口流入的新鲜空气与屋顶自然排烟口流出的烟气量相等，如图3-18所示，开口处的流量为
热平衡与质量守恒公式同（1）。烟气温度、烟层高度的计算方法与侧墙开口自然排烟相同。
图3-18 上部有排烟口时的烟层高度预测模型