浅析室内火灾中火焰地正常传播特性.docx

1、浅析室内火灾中火焰地正常传播特性 研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科 目： 防灭火与防爆技术 教 师： 波 姓 名： 树 文 学 号： 专 业： 矿业工程 类 别： （ 学术 ） 上课时间： 2013 年 5 月 至 2013 年 6 月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 大学研究生院制（联系）浅析室火灾中火焰的正常传播特性摘 要：本文简述了室火灾的发展过程以及对其影响的主要因素，同时详细讲述了室火灾中火焰传播的几种典型情况，并简要叙述了材料表面火焰传播的计算方法。关键词：室火灾；火焰；正常传播1.前言火灾是个复杂的现象,它的形成、发展和

2、蔓延取决于许多相关的因素,它是一种失去控制的燃烧所造成的灾害。它可以无情地夺去许多人的宝贵生命,可以在顷刻之间将人类多年创造的财富化为灰烬。有史以来，火灾给人类的生产和生活带来了沉重的损失和惨重的教训。在人类与火灾斗争以及文明前进的过程中，人类对火灾的认识不断进步，从对火灾的表面感性认识到探讨火灾的部机理，火灾科学从无到有，已经基本得到了全面的认识。近年来，随着我国经济建设的快速发展，火灾形势日趋严峻。据统计，1993年至2007年，全国共发生火灾23万多次，死亡3.5万余人，火灾次数及其所造成的经济损失呈上升趋势。表1-1为历年我国有关火灾的统计数据，由表可见，近年我国火灾发生的次数居高不下

3、，火灾形势依然严峻，但随着国家对消防安全以及火灾科学研究的日益重视，“以人为本”的理念深入人心，近年火灾的伤亡人数得到了有效控制，群死群伤的火灾案件不断减少，2006年和2007年，全国火灾死伤人数分别为2935和2281人，与2005年相比下降了了50%左右。表1-1我国各年度火灾情况（不含森林、草原、军队、矿井地下部分火灾）年份火灾次数次死亡人数(人)受伤人数(人)直接经济损失（亿元）197766033517879702.9197867119381573182.2197961449346353232.2198054333304637101.8198150034264334802.31982

4、41541224929291.9198337026216127412198433618208526901.6198534996224135432.8198638764268543063.2198732053241140098.11993380732378593711.21994393372765424912.419953791522783838ll1996368562225342810.319971402802722493015.419981423262389490514.419991799552744457214.320001891853021440415.22001216784233437

5、811420022583152393341415.420032539322482308715.920042527042558296916.7200513.9万2481/2006222702151714187，8200715.9万14188639.92.室火灾危害的表现形式室火灾的发生会造成惨重的直接财产损失，造成的间接财产损失更为严重，造成大量的人员伤亡，造成生态平衡的破坏，造成不良的社会政治影响。室火灾的危害主要体现在火灾烟气的危害，烟气是火灾中对人构成危胁最大的因素，世界各国的火灾案例统计表明，火灾中人员的死亡有80%以上是由于烟气引起的，其部分是因为吸入烟尘和有毒气体昏迷后致死的。火灾烟

6、气是火灾燃烧产物与空气的混合物，其中包括可燃物热解、燃烧产生的气相产物(如未燃可燃气、水蒸气、二氧化碳以及一氧化碳、氯化氢、氰化氢、二氧化硫等窒息、有毒或腐蚀性的气体)、多种微小的固体颗粒(如炭烟)和液滴以及由于卷吸而进入的空气。烟气对人的危害性主要体现在高温、毒性、窒息、遮光、心理恐慌作用等方面。高温。烟气是燃烧产物与周围空气的混和物，一般具有一定的温度，其温度与离火源距离以及火源大小燃料种类有关。烟气主要通过辐射、对流等传热方式对暴露于其中的人员造成伤害。研究表明，人体受到辐射强度超过25kw/m2的热辐射时便可发生危险。要达到这种状态，人员上方的烟气层温度一般高于180;当人员暴露于烟气

7、中时，烟气温度对人的危害体现在对表皮以及呼吸道的直接烧伤，这种危险状态可用人员周围烟气的温度达到120来判断。毒性。火灾烟气中往往含有CO、S02、HCN、NO等有毒成分，当人员暴露于烟气中时，导致人员昏迷、这些有毒成分能使人呼吸系统、循环系统等身体机能受损，并达到2500ppm部分或全部丧失行动能力甚至死亡。有数据表明，当CO浓度就可对人构成严重危害。窒息。烟气中的含氧量一般低于正常空气中的含氧量，而且其中的COZ和烟尘对人的呼吸系统也具有窒息作用，有数据表明，若仅仅考虑缺氧而不考虑其它气体影响，当含氧量降至10%时就可对人构成危险。遮光。火灾一般都是不完全的燃烧，烟气中往往含有大量的烟尘，

8、由于烟气的减光作用，人们在有烟场合下的能见度必然有所下降，而这会对火灾中人员的安全疏散造成严重影响。心理恐慌。由于以上火灾烟气的特性，特别是它的遮光性以及窒息和刺激作用，很容易对暴露于其中的疏散人群造成心理恐慌，增加疏散的困难，容易形成相互挤踩的伤亡。室火灾造成的危害损失巨大，而在室火灾过程中，火焰的传播是火灾的控制和发展中起着非常关键的关键因素，因此，详细描述室火灾的发展过程以及对其影响的主要因素，同时详细讲述了室火灾中火焰传播的几种典型情况，并简要叙述了材料表面火焰传播的计算方法很有必要。3.室火灾的发展过程房间发生的火灾通常要经历几个发展阶段，即引燃、发展初期(轰燃前)、完全发展阶段(轰

9、燃后)和衰减期四个发展阶段。在第一个阶段，点火成功后，由于可燃物刚刚被引燃，一般固体可燃物质发生燃烧，火源面积不大，围很小，火焰不高，烟和气体的流速不快，辐射热不强，火势向周围发展的速度比较缓慢，整个房间空间相对于火源来说比较大，供氧充足，所以燃烧情况与开敞空间的燃烧基本相同。这段时间的长短，随建筑物结构及空间大小的不同而不同，周围的墙体对火灾基本没有影响，这时候火焰主要由燃烧物决定。在这种情况下，只需少量的人力和简单的灭火工具就可以将火扑灭。在早期阶段，房间本身对火灾几乎没有影响，因此将此阶段的火灾称为燃料控制的火灾。除了释放能量，还会产生各种毒害气体和非毒害气体，以及固体燃烧产物。火焰中的

10、热烟气被周围冷空气包围着，热烟气温度越高，其密度越小，在密度差（或浮力）的作用下向上运动。当热烟气向上升腾时，冷空气会被卷吸进入到火灾羽流中。这种燃烧产物与空气的混合物向上升腾并接触到房间顶棚，从而形成炽热烟气层。与顶棚接触的热烟气中只有很小部分质量来源于燃料本身，而大部分质量是当火灾羽流向顶棚持续运动过程中在水平方向卷吸进入的空气。由于这种卷吸作用，羽流的总质量流率逐渐增大，其平均温度和产物组分的浓度则随着高度的增加而降低。当羽流与顶棚接触后，热烟气以动量驱动的环形射流的方式沿顶棚蔓延，这种射流的速度和温度具有重要的实际意义，因为搞清楚这些参数有利于计算顶棚附近安设的烟雾和温度探测器的响应情

11、况。顶棚射流最终将会达到房间侧壁，受墙壁的限制作用，因而其沿壁面向下运动。但顶棚射流中的气体仍然比较周围环境空气的温度高，因而这种流动最终会由于浮力的作用转而向上运动。因此，在顶棚下面形成热烟气层。 羽流持续从下层气体中卷吸进空气，并将其向顶棚输运。因此，热烟气层的体积逐渐增大，热烟气层与下层的界面逐渐下降。随着热烟气层的下降，热烟气层的温度逐渐升高，因而这种传热过程会增强。热烟气层通过热辐射和对流方式向与热烟气接触的顶棚和墙壁传热。同时，热烟气层也通过热辐射向地板和下部墙壁传热，其中部分热量被下部区域的空气吸收。另外，也有部分热量传递给燃料床，这些热量不仅来自于火焰，而且随着火灾的不断增强，

12、越来越多的热量来自于热烟气层与温度较高的墙壁对的辐射作用。这种向燃料床的传热会导致燃料的燃烧速率增加，从而使室的燃料块其他部位也被加热。随着燃料的燃烧速率不断增加，或由于最初点燃的物体的火焰发生扩展，火灾逐渐发展。热烟气的温度升高，其温度可能达到很高的值。因此热烟气层向对室其他可燃物进行辐射加热，在每一个阶段，室所有的可燃物都发生点火燃烧，能量释放速率迅速增加。因此火灾可能从发展相对缓慢的状态突然转变为极具能量和破坏的状态在局部火焰高温和烟气层辐射的共同作用下，使得火源附近可燃物不断分解、燃烧，并最终导致整个房间的全面燃烧(轰燃)，从而进人火灾完全发展阶段。当房间轰燃后，房间所有可燃物都开始燃

13、烧，并且火焰充满整个房间，火灾温度随时间持续上升，甚至达到1000以上，极具破坏力并且难于扑救，对建筑结构危害也很大。火灾衰减期，猛烈燃烧过后，火势衰退，室温度下降，烟雾消散，火灾渐渐平息。4.室火灾的影响因素影响室火灾的因素很多，根据资料文献总结出影响室火灾的因素主要是以下几方面:1点火源大小和位置点火源能量越大，在此点火源下发生的火灾增长就越快。点燃源出现在墙角，发生的火焰传播和火灾增长就快，同样的火源如果出现在房间墙壁的上方，相对来说火灾发展就比较缓慢，如果火源在地面，火焰的传播就更慢，但是如果火源周围有大量可燃物如沙发，那火灾发展就会非常迅速。下图是一组lm高的木垛燃烧时在火焰上方随高

14、度变化的温度曲线。A代表的是无限大的房间，即燃烧情况不受墙体的影响;B表示将木垛放在足够大的房间的一面墙附近，基本不用考虑其它墙体的影响;C是将木垛放在墙体角落处。从中可以看出房间墙体对火焰温度的影响是非常大的。图1.木垛燃烧时所高度变化的温度曲线2可燃物类型、数量和表面积。火灾发展的快慢还跟可燃物自身的性能有关，有些易燃材料如泡沫、布料、纸等，它们会导致火焰快速传播，但燃烧的持续时间很短，而另外一些材料如木质家具虽然燃烧缓慢，但燃烧持续时间很长。由于不同的材料燃烧过程有着显著的差异，这直接影响着材料的燃烧速率。比如木材的燃烧分解可以简单的写成:图2.木材分解但是如果是泡沫塑料如聚苯乙烯，受热

15、过程中会随着温度的升高发生状态的转变，从最初的固态转变成玻璃态，然后变软到橡胶态，随着温度的进一步升高聚苯乙烯熔化成为粘流态，如果温度升高到150又会收缩近乎固态，但是如果继续加热那么它就会熔化并分解成气体，并被点燃。可燃物表面积越大，火灾发展越快，一堆木垛产生的火焰比同样重量的原木燃烧更剧烈。所以在火灾发展的初期阶段，火灾荷载并不是影响火灾增长快慢的主要原因。3房间的几何结构房间的结构、空间大小和吊顶高度直接影响着火灾的发展。在房间火灾发展的初期阶段，热烟气层的温度和厚度、房间上部墙体的温度以及它们的增长速度对火灾发展速率有显著的影响。如果房间的吊顶高、空间大，材料燃烧在屋顶下形成热烟气层所

16、花的时间就长，热量损失也更大，热烟气层温度增长较缓慢。同时如果空间比较大，由于各种热交换带来的热量损失，可燃物的热反馈量也相对较小，所以火焰就不会出现急剧的传播;反之，如果房间吊顶很低，地面面积很小，那么很快便形成热烟层，而且热烟气层厚度不断增加，高度越来越低，房间上部墙壁的温度也不断升高，它们对地面及低处的可燃材料的辐射作用便大大加强。4房间的通风条件如果房间有开口如门洞、窗户，那么燃烧的火焰及燃烧产生的烟气受通风的影响，从开口流出，同时冷空气不断涌人，整个房间的热量损失较大，但是同时也带来足够的燃烧所需的氧气。Kawagoe发现，燃烧速率很大程度由通风因子决定，即 (A为开口面积，H为开口

17、高度)，越大，可燃物的燃烧速率就越大。很多研究表明，一个房间发生轰燃有一个最低热释放速率，评价房间是否发生轰燃通常是以吊顶下高温烟气层的温度是否超过某一特定值来判定。而通风因子决定了特定房间轰燃所需的最低热释放速率。5.室火灾火焰传播的几种类型和火焰蔓延的几种情况5.1室火灾火焰传播的几种类型1) 不稳定的火焰传播：振荡传播2) 稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃正常火焰传播(小于30m/s)：燃烧产物以自由膨胀的方式向管外逸出，管压力可认为是常数。由于火焰传播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动的导热方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃料着

18、火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。爆燃：其火焰的传播速度超过了声速，一般可达10004000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。爆轰：实质上属于一种激波，它因预混气体的燃烧而发生，并依靠燃烧释放的能量来维持5.2室火灾火焰蔓延有以下五种典型方式（如图3所示）：1) 火焰在水平面上的蔓延2)火焰在边缘地带蔓延。3)火焰在竖直平面蔓延。4)火焰在室竖直角落处的蔓延。5)火焰在吊顶、天花板下的蔓延。图3 室火灾火焰蔓延的五种典型方式6.室火灾火焰的特征在大多数火灾工程安全运用中，我们关注所谓的浮力湍流扩散火焰。这里，我们讨论表征这种火焰的一些基本过程，并给出一些火焰高度的测定结果

19、，同时还给了可以用于估算火焰高度的经验关系式。6.1扩散扩散火焰是指在燃烧之前燃料和氧化剂是分离的，通过扩散过程进行混合。燃烧与火焰区位于适于燃烧的区域。尽管燃料与氧化剂可通过湍流扩散得以混合，但其根本的扩散机制仍是分子扩散。也即分子从高浓度区输运到低浓度区。与此相对的是预混火焰，如焊接火焰，其在燃烧之前，燃料和氧化剂已经进行了混合。火灾事故中的火焰几乎总是扩散火焰。6.2浮力当炽热烟气被冷气体包围时，炽热烟气的密度较低，受密度差或浮力的作用上升。如果燃料射流的速度不是很高的情况下，火焰区域向上流动的速度受浮力的控制。与浮力控制的火焰相对的是高压气体燃料源上方形成的流动（如高压管道的破裂），这

20、种情况下的流动不是浮力控制，而是由动量控制的流动，这种火焰称为射流火焰。6.3湍流尺度很小的扩散火焰可以是层流的，如蜡烛火焰。尺度较大的扩散火焰是湍流火焰，在火焰边沿处附着有周期性脉动的大涡。在湍流羽流中可以肉眼观察到这些涡团，这些涡团在羽流外侧向上翻滚，这是由于炽热火焰与冷空气之间存在着流动不稳定性所致。这些随机脉动过程是湍流的基本特征，会导致火焰高度和形状发生周期性的脉动。通常，这种脉动具有一定的周期性，其频率在13Hz左右；一般地，涡团在羽流边沿的附着状态与火焰直径有关。图4.2是这种现象的示意图，图中的Lf是观察到的火焰高度。在本书的处理中，我们仅考虑平均值，即平均火焰高度，符号为L，

21、单位m。6.4平均火焰高度为建立可以计算火焰高度的工程计算式，首先必须定义平均火焰高度。最简便的处理方法就是将一段时间观察到的火焰高度进行平均。火焰下部的发光区域一般较为稳定，而火焰上部区域则发生脉动，或者说该部分处于间隙性变化过程中。图4 平均火焰高度的定义因此，可采用图4中的图形来定义平均火焰高度。图中的纵坐标表示火焰高度出现的间隙度，用I表示，若I取值1，则表示在该高度位置每次都出现火焰。横轴表示距离燃烧着的燃料的距离z。将间隙度等于0.5时火焰的高度定义为平均火焰高度L，即火焰出现在该高度占观察次数的一半。实验测定火焰高度通常需要用到高速录像等设备。实验测得的火焰高度与肉眼观察到的平均

22、高度相当吻合。6.5火焰高度经验公式由于火焰具有湍流特性，不能由基本原理推出火焰高度的工程计算公式。为此，需要研究影响火焰高度的主要参数，并用实验数据来表达这些参数对火焰高度的影响，从而得到火焰高度的经验计算公式。在水力学中，在描述液体流动时所常用的无量纲Froude数Fr也近似适用于火焰中的高温气体流动。式中是流动速度，是重力加速度，是流体所流经通道的直径。上式中的分子与动量成正比，而分母与重力加速度或浮力成正比。注意到（其中是燃烧速率，是燃烧热），则Froude数可以用能量释放速率来表达。进一步，燃烧速率可以表示为，其中 是气体速度，是气体密度，A是燃料源的面积，其与成正比。因此，Frou

23、de数、能量释放速率和燃料直径之间的关系可以具有如下形式：研究发现，湍流扩散火焰的几何特性与Froude数的平方根成正比。采用燃料直径将火焰高度进行归一化处理，可以用得到的无量纲火焰高度（）来表征火焰的几何特征，因此可以写出下式：人们已进行了大量的实验，试图将火焰高度与能量释放速率以及燃料直径联系起来。实验研究发现，如果用无量纲能量释放速率来表示实验数据非常方便，无量纲能量释放速率的符号为，其表达式为： （1）式中中和是针对周围空气的性质。该无量纲能量释放速率参数，可以用Fr数的平方根来表示，是控制火灾羽流几何性质的非常重要的参数，对此，后面还将深入讨论此问题。从上述方程，我们看到可以将火焰高

24、度表示为燃料直径和较宽Fr数围的能量释放速率的函数。实际上，图5给出了大量实验的典型结果，即火焰高度随无量纲能量释放速率的变化情况，图中的平均火焰高度已用燃料源直径进行了归一化处理（即L/D）。图中每一条曲线代表了不同研究者独立得到的实验结果。图的左侧表示燃料源直径与火焰高度直径在相同量级时的火灾情形，其Fr数较小，表明这种火灾是浮力控制的火灾流动。当Fr数为中等时，浮力也起主要控制作用。右上角表示Fr数较大时的情形，即动量较高的射流火焰区。图5 归一化的火焰高度与无量纲能量释放速率之间的关系在大多数火灾情形下，小于10，大多数大型火灾的则小于2。因此，我们主要对图4.4的左侧感兴趣。实验研究

25、发现归一化的平均火焰高度（L/D）在较宽的值围，与有很好的线性对应关系（大致在，见图5中的直线）。目前大量的文献中都给出了不同的火焰高度经验计算公式，这些公式代表了图5中的不同区域。这些公式中最有用的是Heskestad给出的公式，该公式对图5中除射流火焰区以外的其他区域都给出了较好的结果。该公式用火焰高度与燃料源直径之比（L/D）来表达火焰高度，即： （2）如图5所示，该公式在较宽的围保留了项，而在较小时斜率增长较快的特征。平均火焰高度可以用比公式（2）更方便的形式给出，即以能量释放速率和燃料源直径的函数的形式给出如下： （3）式中的能量释放速率单位为千瓦（kW），燃料源直径为m，因而平均火

26、焰高度直径为m。上述结果只给出了平均火焰高度。由于湍流扩散火焰的脉动性，我们根据实验结果给出了用于工程实际的火焰高度表达式。这些实验大多是利用简单的气体燃料进行的，如甲烷、天然气或丙烷等，这些燃料无法模拟我们感兴趣的实际燃料的全部性质。而且，这些实验没有考虑更为复杂的几何条件，如布置有家具时，固体燃料往往是在水平方向和垂直方向上分布式的布置的。尽管如此，方程（3）仍然给出了实际燃料火焰高度的近似计算方法，但应注意到其不足点。7.室火灾火焰正常传播理论，速率及其测试方法7.1室火灾火焰正常传播理论1 用于简化近似分析的热理论认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。2

27、 泽利多维奇等的分区近似解法认为火焰分为两个区域：预热区和反应区。并且对反应区的导热微分方程的简化方式处理。3 火焰传播的精确解法利用数值计算方法直接对层流火焰基本方程进行迭代求解。4 坦福特（Tanford）等的扩散理论认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的大小。7.2火焰传播速度火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度为火焰传播速度对火焰快速传播危险性的认识以及可燃的部材料研究是近几年才开始的。很多相关研究都始自1940年，当时美国发生了几场大型火灾，很多人丧生。从

28、那以后对建筑材料的表层燃烧性质进行了大量的测验。包括加拿大的国家建筑方式在的很多已经意识到火焰传播的危险性，设定了相关要求来对其进行限制。7.3火焰传播测试方法 火焰传播的理论只能是提供火焰传播速度的定性的结果,而火焰传播速度必须通过实验来确定。测量火焰传播速度的基本方法,包括：1 本生灯法2 圆柱管法3 定容球法4 肥皂泡法5 粒子示踪法6 平面火焰燃烧器法等。而目前激光测试技术开始被应用到火焰的测量之中,由于用激光测试可以不破坏流场的结构,对测量与研究火焰传播速度提供了更精确而有效的实验方法。7.2火焰传播速率的计算根据火焰传播的模型的不同主要有以下两种计算方法威廉斯总结的了火焰传播的基本

29、公式为，由于火焰的传播速率主要依赖于材料的燃烧性能及火焰形态。威廉斯总结得出: Vq/(ph)其中，p为固体材料密度，h为材料初始温度和点燃温度的燃烧烩之差，v为火焰传播速率，q为热通量。这个公式包含了各种火焰的传播形式，指出了初始条件的重要性，如初始温度、影响密度的含水率、加热条件等，都有可能显著地影响火焰的传播。 本生灯计算方法：图示方法如下图6 图6 本生灯示意图得出计算公式为8影响火焰正常传播速度的主要因素1 过量空气系数的影响。2 燃料化学结构的影响。3 添加剂的影响。4 混合可燃物初始温度T0的影响。5 火焰温度的影响。6 压力的影响7 惰性物质含量的影响。8 热扩散系数和比热的影

30、响9.总结火焰传播在室火灾发展的早期阶段起着非常重要的作用, 火焰传播的快慢直接决定着房间发生轰燃的时间, 而轰燃的发生决定着整个建筑物火灾的发展, 从而直接影响着人们的生命安全和财产。火灾是复杂的物理化学现象, 房间材料的燃烧及对建筑物火灾的影响主要包括燃烧物和环境之间的质量交换和热量交换。热量交换是通过热辐射、对流和导热等方式进行，其中主要为热辐射，热辐射的产生主要是由燃烧产生的烟尘粒子发光并向外辐射。对下方固体的主要传热模式就是辐射加热，而燃烧区主要是向上和向外传热。火焰传播速率直接影响着火灾的发展，火焰传播越快，发生轰燃的时间越短，火灾危险性越大，因此在GB862理一1997建筑材料燃烧性能分级方法中的很多试验方法，重点都是测试在不同条件下材料的火焰传播特性。材料表面火焰传播速率除了与材料自身燃烧特性有关，还与外部条件的热作用有关。在室火灾发展的初始阶段，材料的燃烧除了依赖于可燃物的热惯量外，还受房间结构的影响。房间的空间尺寸、开口大小、火源的位置等因素影响着材料表面的热通量，而材料表面的热通量决定着火焰的传播速率，即是说房间结构很大程度上影响着火灾发展的决慢和发生轰燃的时间。因此研究室火灾中材料表面的火焰传播特性是非常重要的。参考文献：