消防燃烧学第七章

免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞2012、5、28第七章302第七章室内火灾简介第一节概述室内火灾是一种受限空间内的燃烧，是建筑物火灾的重要形式。一般说，除了住宅、商店、厂房、仓库等建筑物外，汽车和火车的车厢、飞机和轮船的舱、工厂的实验间等也都是典型的室。因而室内火灾具有广泛的研究对象。这种室的形状与人们生产和生活所在的空间差不多，其长宽高比例相差不大。火灾现象与它所在空间的大小和形状有密切关系，体积过小或长度过长或形状很复杂的空间中的燃烧与通常的室内火灾燃烧有较大差别，此处不做讨论。室内火灾常常是从某种可燃固体着火开始的。在某种火源(或热源)的作用下，可燃物先发生阴燃，若条件合适就会转变为火焰燃烧。明火的出现标志着燃烧速率增大，室内温度迅速升高。在可燃物上方形成向上流动的烟气羽流。当羽流受到顶棚的阻挡，便会沿顶棚扩展开来，形成水平流动的烟气顶棚射流。烟气就会在顶棚下方形成逐渐增厚的热烟气层。当烟气层的厚度超过通风口顶部至顶棚的高度时，部分烟气可从室内流出，或者流到外界环境中，或者进入建筑物的走廊。当火足够大时，流出的热烟气可导致火灾的蔓延。室内火灾中存在着可燃物、火焰、烟气羽流、热气层、壁面和通风口等因素的影响，它们之间存在复杂的相互作用，从而出现受限燃烧的特殊现象。室内平均温度是表征火灾燃烧强度的重要指标，常用这一温度随时间变化的情况描述室内火灾的发展过程，见图7一l。室内火灾可分成三个阶段：火灾的初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。在前面两个阶段之间，有一个温度急剧上升的狭窄区，通常称为轰燃区，它是火灾发展的重要转折区。以此为界，将第一阶段称为轰燃前阶段，将第二阶段称为轰燃后阶段。三个阶段的主要特征如下：(1)初期增长阶段。这一阶段从出现明火算起。开始火焰体积较小，燃烧状况与敞开环境中的燃烧条件差不多。随后火焰体积逐渐增大。壁面便可对燃烧状况产生明显影响，这时室内的通风状况对火灾的后续发展具有重要作用。第七章303如果室内通风条件足够好，允许火灾继续发展，则室内温度会迅速升高。并引起燃烧速率迅速增大，即发生了轰燃。与火灾的其他阶段相比。轰燃所占的时间较短，因此把它看作一个事件，而不作为一个阶段。(2)充分发展阶段。进入此阶段后，室内的燃烧强度仍在增加，释热速率逐渐达到最大值，室内温度可超过1000℃，因而可以严重地损坏室内设备以及建筑物本身，甚至造成建筑物部分或全部倒塌。高温火焰还卷着很多的可燃气体从起火室窜出，使火焰蔓延到邻近的区域，这是火灾中最危险的阶段。(3)衰减阶段，这是火灾逐渐冷却的阶段。由于室内可燃物的挥发分大量消耗，火焰燃烧逐渐无法维持，室内只剩下一堆赤热的焦化后的炭，它按固体炭燃烧的形式进行无焰燃烧，其燃烧速率已相当缓慢。一般认为火灾衰减阶段是从室内平均温度降到其峰值的80%时算起。上述是室内火灾的自然发展过程。实际上，一旦室内失火，人们总是要尽力扑救的，这些人为行动可以或多或少地改变火灾的发展过程。不少火灾尚未发展到轰燃就被扑灭，这样室内便不出现破坏性的高温。如果火是人为扑灭的，则可燃材料中的挥发分并未完全析出，可燃物周围的温度在短时间内仍比环境温度高，它容易造成可燃挥发分再度析出，一旦条件合适，被扑灭的火场又会重新发生明火燃烧，这种死灰复燃的问题不容忽视。第七章304第二节室内受限燃烧的特点燃烧是可燃物和氧化剂间发生的强烈放热的化学反应，通常燃烧要在气体流动过程中进行，室内壁面的存在既影响室内、外之间的气体流动，又影响室内外的热交换，这就导致了一些比较特殊的燃烧现象。一、通风因子川越邦雄(Kawagoe)等较早研究了通风状况对室内火灾发展的影响。以木棒垛作燃料床，测量不同大小的通风口时燃烧速率的变化，见图7—2。结果发现燃烧速率m与参数21AH大致成线性关系：215.5AHm(kg/min)(7—1)式中，A为通风口的面积(m2)；H为通风口自身的高度(m)；基本参数21AH称为通风因子。这一结果经分析使用后。普遍认为它可作为研究室内火灾发展的基本规律，公式(7—1)只在一定的21AH范围内适用，而且其中的常数值是由可燃物的类型决定的。一般说，在上述21AH范围内，可燃物的燃烧速率由流入室内的空气流率决定。如果通风因子不断加大将会出现燃烧速率与通风因子无关的状况。通风因子是由川越邦雄按半经验的方法归纳导出，也可根据气第七章305体流入和流出燃烧空间的情况由理论分析得出。下面介绍这种理论分析的基本推导过程。为了进行分析，作以下假设：①室内气体是充分混合的，气体的性质在室内整个容积内是均匀的，实验表明发生轰燃后，室内除了接近地板的狭窄区域外。其他部分的垂直温度梯度很小；②室内不存在由于浮力而产生的净向上流动；③在通风口处存在一压力中性面，热气体从中性面以上流出室外，冷空气从中性面以下流入室内，见图7—3(a)；④气体流入与流出着火室是由浮力驱动的；⑤流入与流出气体之间的相互作用忽略不计。根据上述假设，着火室便被模化为一个良好搅拌的燃烧室。如果已知室内外的压力，则沿中性面之上任一条流线水平流出的气体量可根据柏努利方程求出，设室内的中性面之上高度为y1处的压力(图7—3(a)中的点1)为1101gyPP(7—2)式中，表示气体密度，其下标表示对应的空问位置，下同。P0是中性面(即y=0)处的大气压力。在刚刚离开通风口(即图中的点2)处，流出射流的压力等于该高度位置的环境压力，即1002gyPP(7—3)第七章306点1和点2处的流动状况可用柏努利方程关联起来，即2222222111vPvP(7—4)式中v1和v2分别为点1和点2处的纯水平流速。但由于室内混合物处于高度湍流状况，因而可认为v1=1，即室内没有纯的定向流动。于是上式可写为22221001110vgyPgyP(7—5)若假设从点2流出的气体的温度与点1处的相同(也就是两点处的气体密度相同)，整理上式可得2111102))(2(gyv(7—6)对于流入的空气也可作类似分析并得到3003gyPP(7—7)及3104gyPP(7—8)式中的y3低于中性面，计算时应取负值。为了代表位置的一般性。现用下标F表示室内气体，0表示环境气体，于是两个速度方程可改写为210))(2(FFFgyv(7—9)及21000))(2(gyvF(7—10)这两种流速数量级在几米/秒。将它们分别在各自的流通面积内积分，可以算出流入与流出的气体的质量流率，即流入0000haairdyvBCm(7—11)流出hFFFaFdyvBCm0(7—12)式中，Ca是通风系数；B是通风口的宽度(m)；m是气体的质量流率(kg/s)；h0和hF分别为冷空气与热烟气流过通口的高度(m)。h0+hF=H，见图7—3。将前面得到的速度公式分别代入这两式中，最后可得到第七章30721000230])(2[32FaairgBhCm(7—13)及2100023])(2[32FFaFgBhCm(7—14)如果假设室内发生的是总体化学反应，即可以写为：1kg(可燃物)+rkg(空气)→(1+r)kg(产物)若考虑到反应不是在化学当量比状况下进行，上式可写为)()1()()(1产物空气可燃物kgrkgrkg式中，是空气修正系数，于是rrrmmairF11(7—15)把方程(7—13)和(7—14)算出的Fm和airm代入此式，则中性面距通风口下边缘的高度h0可表示为通风口总高度H的函数。将hF写为(H—h0)，可得131020]))(1[(1FrHh(7—16)如果使用、r和F的常见值进行计算，可得到Hh0约为0.3~0.5，即进风部分的高度一般比排气部分的高度略小。燃烧产物的质量绝大部分来自空气，故可假设airFmm(即r=0)。把方程(7—16)计算的h0代入方程(7—13)中，可得21021)2(32gCAHmaair21331000}])(1[){(FF对于轰燃后的室内火灾，F0一般为1.8~5，上式密度项的平方根可近似取为0.21。若令0=1.2kg/m3，aC=0.7，g=9.81m/s2，则空气流入速率可近似为2152.0AHmair(kg/s)(7—18)对木材而言，化学当量比燃烧所需的空气量约为5.7kg(空气)/kg(木材)。设室内正处于化学当量比燃烧，则木材的燃烧速率可写为)(09.07.521skgAHmmair)min(5.521kgAH(7—19)第七章308在作了如此多的假设后，由理论分析得到的燃烧速率竟与川越邦雄的经验公式出乎意料的一致。这一点自然有些偶然，但它确实表明通风因子21AH具有重要意义。二、室内燃烧的控制形式在前面实验所取的通风因子范围内，可燃物的燃烧速率是由空气流入速率决定的，这种燃烧称为通风控制燃烧。室内燃烧还存在着另一种控制形式，即燃料控制。燃料控制的燃烧速率由可燃物的性质决定。当火源的大小与受限空间相比很小时，空气供应是充分的，这是燃料控制燃烧的一种形式。在容积一定的空间内如果火源的体积不断增大，通风条件便可逐渐支配燃烧速率，即室内燃烧进入了通风控制阶段。若通风口过小，燃烧速率只可能维持很低的值。但随着通风因子的增大，燃烧速率亦不断升高。如果通风口持续增大，又将会达到燃烧速率与通风口大小无关的状态，这是然料控制燃烧的另一种情形。因此通风控制燃烧是在一定的受限空间内，火源具有一定规模时达到的燃烧形式。在室内火灾中，火区的发展一般都会很快发展到这种阶段。它是室内火灾燃烧研究的重点之一。两种控制形式的分界线可由燃料的质量燃烧速率从与空气流入速率的关系确定。若设r为室内发生化学当最比燃烧时的空气/燃料比，airm为理论空气流入速率，于是在通风控制状态下有rmmair(kg/s)(7—20)在燃料控制状态下有rmmair(kg/s)(7—21)应当指出，假设室内发生化学当量比然烧，则意味着燃烧速率与空气流入速率有直接关系。在受限燃烧中，可燃物的质量燃烧速率是随周围环境施加到可燃物表面的辐射热而增加的，目前尚不清楚怎样根据通风状况来确定上述关系。上面的说明还隐含了可燃蒸气与氧气的反应是无限快的假设，但实际火灾然烧并非如此。三、通风对室内燃烧的影响用木棒垛作燃料床得到通风因子之后，广泛使用可燃液体和热塑料研究通风的影响已取得了较大进展。结果表明，稳定燃烧区域的形成是室内热量积累与通风受限双重影响的结果。墙壁与顶棚的存在阻止了热烟气轻易流走，在室内上部形成烟气层，使室内平均第七章309温度大大升高，而较多热量反馈到可燃物表面又会加速可燃蒸气的生成，室内温度的升高程度是由燃烧决定的，当通风口很小时，外界空气流入相当困难。燃烧不强烈，然烧速率亦很低。随着通风口的增大，空气供应状况逐渐改善，燃烧强度加大，这样室内既有较高的温度，又有较好的通风，燃烧速率便迅速增大，在两者配合最合适的情况下，燃烧速率达到极大值，之后通风口再增大就开始起相反的作用了。它一方面造成烟气层减薄，另一方面使得经过通风口向外的辐射散热增加，引起室内平均温度的降低，并引起燃烧速率的降低。上述结果是在侧壁中部设置通风口情况下得到的，实验发现通风口位置高度对燃烧速率也有重要影响，通风口偏低时，21AH很小便进入了穗定燃烧状态。当通风口升高时，进入稳定燃烧状况所