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火灾动力学讲义doc
火灾动力学讲义
季经纬编
第一章绪论
1.1火与人类文明
火的使用是人类走向文明的重要标志，没有火就没有人类社会的进步，火也能给人类造成灾难。
1.2火灾分类
火灾：
火失去控制而蔓延的一种灾害性燃烧现象。
火灾发生的必要条件：
可燃物、热源和氧化剂（多数情况下为空气）。
分类方法：
根据火灾发生地点、燃烧对象、损失程度和起火原因等分类。
图1.1各种各样的火三角
根据火灾发生地点分类
地上建筑火灾：
发生在地表面建筑物内的火灾。
地下建筑火灾：
发生在地表面以下建筑物内的火灾。
水上火灾：
指发生在水面上的火灾。
空间火灾：
指发生在飞机、航天飞机和空间站等航空及航天器中的火灾。
根据燃烧对象分类
固体可燃物火灾：
普通固体可燃物燃烧引起的火灾，又称为A类火灾。
液体可燃物火灾：
油脂及一切可燃液体引起的火灾，又称为B类火灾。
气体可燃物火灾：
可燃气体引起的火灾，又称为C类火灾。
可燃金属火灾：
可燃金属燃烧引起的火灾，又称为D类火灾。
根据火灾损失严重程度分类
特大火灾：
死亡10人以上（含10人），重伤20人以上：
死亡、重伤20人以上：
受灾50户以上：
烧毁物质损失100万元以上。
重火火灾：
死亡3人以上（含3人），重伤10人以上：
死亡、重伤10人以上；受灾30
户以上；烧毁物质损失30万元以上。
一般火灾：
不具备重大火灾的任一指标。
根据起火原因分类
放火
违反电器安装安全规定
违反电器使用安全规定
违反燃气操作规定
吸烟
生活用火不慎
玩火
自燃
自然灾害
其他
德国起火原因分类
自然原因引起的火灾
动物引起的火灾
自燃引起的火灾
技术原因引起的火灾
疏忽纵火和故意纵火
1.3火灾的危险性
火灾是各种灾害中发生最频繁、且极具毁灭性的灾害之一，其直接损失约为地震的五倍，仅次于干旱和洪涝。
火灾危险性的特点表现在以下几个方面：
既有确定性、又有随机性
可燃物着火引起火灾，必须具备一定的条件，遵循一定的规律。
这个规律既可以在模拟实验中再现，也可以抽象为控制火灾过程的数学模型，这就是火灾过程模拟研究的科学依据。
在一个地区、一段时间里，什么单位、什么地方、什么时间发生火灾，往往是很难预测的，即对于一场具体火灾来说，其发生又具有随机性。
自然因素和社会因素共同作用的结果
火灾的发生首先与建筑科技、消防设施、可燃物燃烧特性，以及火源、天气、风速、地形、地物等物理化学因素有关。
但火灾的发生决非是纯粹的自然现象，还与人们的生活习惯、文化修养、操作技能、教育程度、法律知识，以及规章制度、文化经济等社会因素有关，因此，消防工作是一项复杂的、涉及到各个方面的系统工程。
随时代进步而增大
尽管随着社会经济的发展、科学技术的进步，人们对火灾的抗御能力不断提高。
但伴随着高层建筑、大型化工企业、大型商贸大厦、大型宾馆、大型饭店和写字楼、大型集贸市场等涌现；新工艺、新设备、新型装饰材料的广泛使用；用火用电量激增，火灾的发生也相应增加。
图1.290年代中期火灾损失及伤亡统计分析
图1.31974-1994年美国火灾损失及伤亡统计
表1.11987-1989年火灾费用统计
国家
占国民总产值百分比/%
消防费用
防火费用
火灾保险
直接损失
间接损失
总计
丹麦
0.09
0.37
0.08
0.31
0.039
0.899
英国
0.28
0.19
0.29
0.20
0.113
1.073
日本
0.26
0.28
0.11
0.11
O.016
0.776
荷兰
0.17
0.12
0.04
0.20
0.028
0.558
挪威
0.12
0.32
0.14
0.47
0.019
1.069
瑞典
0.25
0.23
0.06
0.29
0.041
0.871
美国
0.28
0.35
0.09
0.17
0.018
0.908
平均值
0.21
0.27
0.12
0.25
0.039
0.889
表1.21987-1989年火灾费用统计
国家
货币
火灾直接损失/亿
1991
1992
1993
美国
美元
100
87
90
德国
马克
61
58.5
59
英国
英镑
13
12
90
法国
法郎
161
163.5
147.5
加拿大
加元
17
17
15
日本
日元
3100
4400
3900
表1.3德国、法国、英国火灾分布统计
火灾死亡建筑和原因分布
火灾损失分布
住宅建筑
77-84%
建筑物内的财产
43%
其它建筑
9-10%
间接损失
36%
烟气和热
74-97%
建筑物本身
21%
其它原因
3-26%
我国火灾统计数据
1993~1998年全国共发生一次死亡10人以上或者死亡重伤20人以上的群死群伤火灾88起。
其中约20%发生在市场、商场、宾馆、饭店、歌舞厅等公共场所，约25%发生在石油化工、易燃易爆场所。
违反安全操作规程和违章用火、用电、用气引起的火灾由改革开放初期的不足20%升到目前的60%。
1997年一年共发生火灾（不含森林火灾和草原火灾）14万起，死亡2722人。
表1.4中国火灾损失及伤亡统计
年度
全部火灾
特大火灾
次数/万
直接损失
/亿元
死亡人数
受伤人数
次数/万
直接损失
/亿元
死亡人数
1998
14.2
14.4
2380
4894
78
2.9
117
1999
18
14.4
2744
4572
85
2.74
219
1.4火灾案例
巴西焦马大楼火灾
1974年2月5日，巴西圣保罗市焦马大楼发生火灾，12层至25层的室内装修和其它可燃物全部烧毁，导致179人死亡，300人受伤，经济损失达300余万美元。
1973年建成，地上25层，地下l层。
该人楼的柱、粱、楼板、屋』等均系钢筋混凝土构什，外墙用4英寸厚的空心砖砌成，内墙用水泥砂浆粉刷，外墙面粘贴瓷砖。
现浇钢筋混凝上楼板，厚度为lOcm，层高2.8m，采用铝合金玻璃窗。
大楼设有4部从1层至25层的电梯，这些电梯即可以手动操作t也刊’自动操作。
电梯对面设有一座宽度为1.18m的敞开楼梯。
大楼全部山投资商克里菲索公司租用。
地下室和第一层为办公档案存储室，2至10层为汽车停车库，11至25层为办公用房。
每层楼办公用面积为6292平方英尺，用木隔墙分隔。
各办公区采用木龙骨和可燃性纤维吊顶，有地毯，设有窗式空调器。
引起这场重大火灾的直接原因是由于12层一办公室的窗式空调器电线短路而造成的。
上午9点零5分，当地消防部门接到报警。
第一辆出动的消防车9点10分赶到现场。
届时，火势很大，火苗已窜出窗口，向上翻滚，沿大楼外墙迅速蔓延扩大。
被困在大楼内的756人（其中有601人在第11层至25层的办公室内），他们中的许多人站在狭窄的挑檐上，狂乱地挥舞着手求救。
消防部门调集了12辆消防车，3辆云梯车，两辆曲臂登高车等赶到现场投入战斗。
由于屋内高温炽热，浓烟密布，消防人员无法进入大楼，只能用云梯车和登高车在室外紧靠建筑物的外墙进行抢救人员和灭火。
这时，第12至20层全部淹没在浓烟烈火之中。
被困在楼内的许多人，有的向屋项奔跑逃难；有的在办公室内用胶管往身上浇水；还有的人在绝望中跳楼身亡。
主要经验教训：
该大楼设计时没有考虑消防设施是个严重的失误。
这样高的办公大楼应设两个或者两个以上的防烟楼梯，但该大楼只有一座敞开式楼梯，结果成了烟火迅速蔓延扩大的通道。
狭小的屋顶层面积不能满足直升飞机救人的要求，是这次火灾暴露出来的又一个教训。
高层建筑室内装修应尽量采用非燃烧材料或难燃材料，但该大楼的装修基本上是可燃材料。
大楼内虽设有消火栓给水系统，但未设备用消防水泵，也没有消防水泵结合器。
大兴安岭森林火灾
自1985年起，大兴安岭北部连续少雨，降水量比历年平均值减少43%左右。
且气候逐渐变暖，1986年尤为显著，年平均气温比历年偏高0.7℃以上，使相对湿度明显偏小。
尤其是按往年常规，5月1日前后必降的一场大雪不见踪影，使该地区成为干燥中心。
同时，因长期采伐，造成地面干枯的枝丫越积越多，据测算，每立方米空间有机物储量达1～3公斤（林下死植被物），这为火灾的发生提供了丰富的可燃物。
1986年5月6日10时，西林吉河湾林场起火；13时58分阿木尔伊西林场起火；15时20分左右塔河的盘古林场起火，16时西林吉古莲林场起火。
经过奋力扑救，在当日扑灭l起，其余3起也得到控制。
5月7日15时开始，风力逐渐加大，造成火灾迅速蔓延。
5月9日傍晚，4000名解放军奔赴塔河。
5月11日，又有6000多名解放军开往火场。
国务院成立了有解放军总参谋部、林业部、铁道部等单位领导同志参加的大兴安岭森林火灾灭火领导小组。
5月13日，沈阳军区增派了l万名解放军到大兴安岭火区。
5月21日，北京、天津、辽宁、吉林、黑龙江等省市抽调了424名消防人员携带干粉枪等灭火器奔向火场。
在灭火过程中还使用了人工降雨的方法，直升飞机也参加了载水灭火战斗。
这场大火持续到6月2日才被扑灭。
违章用火是酿成这场大火的直接原因。
这场大火开始有5个起火点。
其中4个起火原因已经查清，河湾林场、阿木尔兴安林场都是由工人在野外吸烟引起的，古莲林场、阿木尔伊西林场则是由割灌机打火引起的。
酿成这场空前大火的间接原因，一是气候条件有利于燃烧，二是可燃物多。
主要经验教训：
应长期做好林区安全防火宣传和教育工作，加强林区用火管理，章用火。
应做好林区气候和环境条件的监测和预报工作。
应加强专业灭火队伍建设，理体制。
应注意装备和使用先进的灭火工具。
应加强森林火灾研究和人员的培训工作。
1.5火灾防治
建立消防队伍和机构
人类用火距今已有180万年以上。
我国人民同火灾作斗争的消防工作有文字记载的也有2600多年历史。
到了南宋，我国民间出现了“水铺”、“冷铺”、“义社”等群众救火组织。
明、清、民国年间群众救火组织有了较大发展，一些城市和乡村成立了“水会”、“水庄”、“水局”、“救火会”以及各种名目的“义勇救火队”、“救火委员会”等群众救火组织。
近代在西方国家中，随着资本主义生产方式的建立和发展，大规模的工矿企业越来越多，城市人口更加密集，火灾的危险性也越发引起人们的重视，从而出现了更加正规的消防队和消防机构等，如英国在1850年出现了公用消防公司，美国在1896年成立了全国消防协会。
它们与其它保险机构相互融合，使救火水平有了较大提高。
我国在清代末年开始出现西方的消防体制。
我国目前消防队伍的主要类型有：
兵役制公安消防部队，职业公安消防队伍，县、市和开发区组建的专职消防队，企业专职消防队，城乡义务消防队。
研制各种防灭火设备
用桶、罐之类的生活工具运水灭火是人类最先想到和使用的方法。
我国唐代人开始用油布缝制的水袋来运水灭火，宋代人成功地用竹制唧筒喷水灭火，尽管其射程和喷水量有限．但与靠近火焰泼水或向火中投掷水袋等灭火方式相比，的确是一个大的进步。
十八世纪内燃机在西方国家出现后，人们很快制造了以内燃机为动力的消防车、消防艇及消防泵等可移动式机械灭火设备。
近代自来水系统的建立和发展又给人以启示，使消火栓成为建筑物的重要消防设施。
本世纪以来，许多现代建筑中开始采用火灾自动报警系统、各种自动灭火系统、防排烟系统；利用飞机进行灭火和营救；化学药剂灭火等等。
随着科学技术的进步，消防安全措施还将进一步得到改进和发展。
制定有关防灭火法规
我国很早就提出了“立火禁”、“修火宪”，即发布防火政令、建立御火制度和制定用火法律，依法治火。
十七世纪中期起，人们逐渐对火有了较深刻的了解，在此基础上逐渐产生了各种各样的法规和标准，并且随着对火在认识的加深而不断修订和完善。
1904年美国颁布了第一个较为完善的建筑消防法规，1928年进行了第一次建筑结构耐火实验。
这些法规和标准包括城市、乡村、民用建筑、高层建筑、仓库、石油、化学易燃物品等多种消防法规，以及材料分类、建筑构件耐火等标准。
《中华人民共和国消防法》由中华人民共和国第九届全国人民代表大会常务委员会第二次会议于1998年4月29日通过，自1998年9月1日起施行。
她标志着我国消防工作已经步入法制化轨道。
《中华人民共和国消防法》由总则、火灾预防、消防组织、灭火救援、法律责任和附则六章，共54条组成。
研究火灾机理和规律
长期以来人们一直把火灾视为偶然的、孤立的突发事件，因而采取哪里着火哪里扑救的办法，对策主要着重于研究和制造灭火装备，以及制定各种消防规范。
对火的研究也仅局限于用统计的方式研究火灾规律，即通过总结和分析大量火灾原始资料归纳出火灾发生的统计规律。
然而，日益增长的火灾损失和防火灭火的难度，促使人们进一步思考，为了有效地控制火灾是单纯依靠加强探测和扑救的技术装备，还是深入研究火灾的机理和规律，把火灾防治建立在对火在科学认识的基础上。
减少火火损火需要科学技术，这既包括先进的监测和扑救设备，也包括防火设计的科学化和合理化，还包括防火扑救力量的合理调配和使用，而这一切都依赖于对火的规律的科学认识。
美国哈佛大学的Emmons教授是“火灾科学之父”，其杰出的贡献在于把质量守恒、动量守恒和能量守恒以及化学反应的原理巧妙地应用于建筑火灾的研究，他首先提出了区域模化理论，即把研究的空问分成少数几个区域，然后根据各分过程的理论和实验数据，确定这些过程对上述各区域中火灾典型参数的影响，以求得它们在建筑物内部随时间的变化。
这种理论可以较好地反映出火灾发展的整体特性，至今仍在火灾研究领域起着重要作用。
国外70年代初期出现火灾研究从单纯着眼于扑救到探讨火灾机理的转变，英、美、日、俄等许多国家，都在原有的基础上建立了多层次的火灾应用基础研究的机构。
美国1972年建立了国家火灾研究中心，在建筑火灾领域内进行了广泛的火灾模化理论和实验研究，包括建筑物火灾模型、火灾危险性分析、高聚物燃烧和烟气动力学等项研究。
我国的火灾防治是按类型分部门纵向管理。
林业部、公安部和建设部分别负责森林、城镇及建筑火灾，劳动、石油、煤炭以及部队系统也有各自的防火机构。
长期以来为推动我国防火灭火技术的进步、为控制火灾和减少损失做出了巨大的贡献。
1985年，在美国召开了首届火灾科学会议，充分反应了火灾科学在推动防灭火技术和火灾防护工程方面的显著进步，同时成立了火灾科学学会。
标志着一个新的学科一“火灾科学”正在世界范围内形成和发展。
火灾防治必须实现的三个转变
被动式的灭火技术向“清洁阻燃、智能探测、清洁高效灭火”为主要环节的主动式火灾防治技术的转变。
现行的“处方式”设计向基于“火灾风险评估”和“火灾动力学”的性能化设计的转变。
火灾防治的传统管理模式向基于“火灾动力学”的科学管理和应急预案模式的转变。
1.6火灾动力学及其研究内容
火灾动力学
动力学dynamics是物理学中力学的分支，研究物体运动的各物理因素如力、质量、动量和能量之间的关系。
火灾动力学Firedynamics是研究火灾的发生、发展这一具有运动特征的过程中各物理、化学因素之间关系的科学。
火灾动力学的多学科交叉性
数理学科：
微分方程定性理论和数值方法、概率与统计、非线性动力学、流体力学、固体力学、爆炸力学、燃烧学等；
化学学科：
化学动力学和热化学等：
生命科学：
生物质的热解与燃烧、生物体受热一烟一毒的损伤、心理学等；
工程技术学科：
安全工程、工程热物理、材料科学、信息科技、资源优化配置与调度等。
火灾动力学的主要研究内容
火灾的发展过程及其影响因素：
·火灾的基本现象
·出现的条件
·主要的控制参数
·各分过程之间的相互作用
火灾动力学的研究方法
实验模拟：
通过部分或完整地合理再现和演化火灾现象过程，测定火灾典型可燃物性能和火灾典型参数，揭示火灾具体过程的机理和规律，为理论研究提供实验数据和经验公式。
根据研究要求，可进行小尺寸、中等尺寸和全尺寸的实验模拟。
数值模拟：
对基本方程、理论模型、数值方法和计算机程序等方面进行研究。
根据物理和化学的基本定律以及…些合理的假设，构造描述火灾现象和过程的数学模型，通过数值计算的方法定量算出火灾发生及发展过程。
主要分为专家系统、半经验半理论模拟和场模拟。
火灾动力学的研究思路
本课程主要学习内容
·火灾中的热传递
·火灾发生与蔓延的一般理论
·火源数学模型及其实验测试方法
·室内火灾的发展过程
·烟气产物和毒性
·烟气流动及控制方法
·火灾的数值模拟方法
第二章火灾中的热传递
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*本章内容：
通过对三种传热方式的介绍，了解火灾过程中热量传递的过程和规律。
*
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导热、对流换热和辐射换热，这三种传热方式同时存在于整个火灾过程中，然而在火灾的某个特定阶段，或者某个区域中，却可能只有一种方式起着决定性的作用。
图2.1火灾中存在的热传递形式
导热主要分析热流在物体内部传递的规律，如固体表面着火及燃烧，固体表面火焰蔓延，墙壁热损失，结构的耐火极限等。
对流换热过程主要分析流动的气体、液体与固体之间的热量交换，如火焰与热烟气对周围物体的传热，火灾在相邻房间的蔓延和发展，火灾中冷热气体的热交换，火灾中的烟气流动等。
火灾中的热辐射既包括物体表面的能量交换，如墙壁、天花板、地板、家具等，也包括许多不同气体以及烟粒子的发射或吸收。
热辐射可用于分析火灾在相邻房间的蔓延相发展，火灾探测，可燃物的着火与燃烧等。
2.1热传导
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或称热传导）。
对于气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理是不同的。
气体中，导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果，气体温度越高，其分子的运动动能越大。
不同能量水平的分子相互碰撞的结果，便使热量从高温处传递到低温处。
导热固体中有相当多的自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动，把热量从温度较高的部分带到温度较低的部分。
在非导电固体中，导热是通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
晶格结构振动的传递也常称为“弹性波”。
至于液体中的导热机理，存在着两种不同的观点，一种观点认为定性上类似于气体，只是液体分子问豹距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。
另一种观点则认为液体的导熟机理类似于非导电固体，主要靠液体分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
实验证明在导热过程中传递的热量与物体的温度变化率有关，一般的讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数，即
，式中：
为空间坐标；
为时间坐标。
物体中某一时刻各点温度分布称为物体的温度场，根据物体温度分布随时间变化的不同，可以将温度场分为两大类。
一类是物体各点的温度不随时间变化，称为稳态温度场，其表达式可将式简化得到
，稳态温度场内的导热过程称为稳态导热；另一类是物体各点的温度随时问变化，称为非稳态温度场，类似的，非稳态温度场内的导热过程称为非稳态导热。
在某些特殊情况下，物体的温度分布可能只在一个、两个或三个坐标方向上有变化，则分别称为一维、二维和三维温度场。
通常为了表示物体中的温度场，将温度场中同一瞬间同温度各点连成很多个面，称为等温面，等温面在任何一个二维的截面上表现为等温线。
根据等温线的定义，可以理解，物体中的任一条等温线要么形成一个封闭的曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交。
2.1.1导热基本定律
人们长期以来的实践及经验表明，如果在物体内部存在着温度梯度，能量就会从温度较高的部分向温度较低的部分转移，这时就称这种能量以导热的形式传递。
为了计算这种能量的大小，在大量实验的基础上，总结出了导热基本定律，即傅立叶定律。
实践表明，单位时间通过单位面积所传递的热量，正比例于当地垂直于截面方向上的温度变化率。
如式
（2.1）
式中，
是单位时间内通过面积A的热量，称为热流量，单位为W；x是垂直于面积A的坐标轴；T为面积A处的温度，单位为K。
通常把单位时间内通过单位面积的热流量
称为热流密度（或面积热流量），通常使用符号
表示，单位为W/m2。
在引入了比例常数后，式可表示为
（2.2）
这就是一维非稳态导热基本定律（又称傅立叶定律）的数学表达式。
式中的负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向，这是满足热力学第二定律所必须的。
用文字叙述傅立叶为在导熟现象中单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。
傅立叶定律用热流密度
表示则为
（2.3）
当物体的温度是三个坐标的函数时，三个坐标方向上的单位矢量与该方向上热流密度分量乘积合成一个热流密度矢量，记为
。
这时傅立叶定律则表示为
（2.4）
式中的比例常数λ称为导热系数，单位为W/（m.K），导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，不同材料的导热系数不同，有时即使是同一材料，导热系数还会随温度的不同而有变化。
金属的导热系数最高，如常温条件下纯铜的导热系数为399W/（m.K）：
碳钢为36.7W/（m．K）。
气体的导热系数最小．如常温下干空气的导热系数为0.0259W/（m.K）。
液体的数值介于金属和气体之间，如常温下水的导热系数为0.599W/（m.K）。
非金属固体的导热系数在很大范围内变化，数值高的同液体相近，如普通耐火砖常温下的导热系数为0.71~0.85W/（m.K），数值低的则接近甚至低于空气导热系数的数量级。
习惯上把导热系数小的材料称为保温材料或隔热材料。
表2.1几种典型材料的热物性参数
2.1.2稳态导热
如果在一个导热过程中，相互接触的物体或物体内部各点的温度不随时间变化，就称这种导热过程为稳态导热。
最简单的情况即是一维稳态导热，我们以一个无限大平壁（例如墙）的导热过程为例，如图2.2，考虑一个无限大、由不同材料组成的墙壁，各层厚度分别为Ll、L2、L3，导热系数分别为k1、k2、k3。
内外表面温度分别为Ti、T1~T4、T6（Ti,>To），假定已知内、外壁面的对流换熟系数hi、ho，则同傅立叶定律和牛顿定律（对流换热基本定律）可得通过平壁的热流密度为
（2.5）
图22无限大平壁的导热
根据上式，我们可以从另一角度来理解傅立叶定律。
温差
可看作驱动热量流动的位势函数，
、
，可看作对热流的阻力（对流热阻和导热热阻），则傅立叶导热定律可表示为热流量=热势差/热阻。
这种关系与电路理论中的欧姆定律相似。
应用电路模拟的方法可以解决包括串联热阻和并联热阻的更为复杂的问题。
上面介绍的是最简单的一维稳态导热问题的解法，对于多维稳念导热，必须在获得温度场的数学表达式后，即查明了式中的函数
后，才能由傅立计定律算出空间各点的热流密度矢量。
为了查明物体温度场的数学表达式，就必须根据能量守恒定律与傅立叶定律，来建立导热物体中的温度场应当满足的数学关系式，称为导热微分方程。
我们给出两组稳态导热的微分方程，具体推导过程大家可以参考传热学教材，在这里不再作详细的推导。
对于常物性，有内热源的三维稳态导热，其微分方程也称为泊松（Poisson）方程，如下式
（2.6）
面对于常物性，无内热源的三维稳态导热微分方程也称
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