典型火灾及烟气蔓延过程分析.ppt

1,第五章 典型火灾及烟气蔓延过程分析,5.1 建筑物火灾 5.2 森林火灾 5.3 矿井火灾,自学,2,5.1 建筑物火灾,室内火灾的发展过程 室内可燃物的燃烧过程 建筑火灾烟气流动与蔓延过程 火灾在全面发展阶段的性状,3,仅讨论一个普通房间内的火灾发展过程。 根据室内温度随时间的变化，可将室内火灾发展过程分为： 起火阶段 全面发展阶段 熄灭阶段,5.1.1 室内火灾发展过程,起火,全面发展,熄灭,轰燃,4,起火阶段,着火后的三种情形,火自发燃烧，未蔓延到其他可燃物质,通风不足，火熄灭，或者以很慢的速率继续燃烧,可燃物足够，通风条件良好，发展到整个房间，所有表面都在燃烧,5,起火阶段的特点,（1）火灾燃烧范围不大，火灾仅限于初始起火点附近； （2）室内温度差别大，在燃烧区域及其附近存在高温，室内平均温度低； （3）火灾发展速度较慢，在发展过程中，火势不稳定； （4）火灾发展时间因点火源、可燃物性质和分布、通风条件影响长短差别很大。,6,初期起火阶段对防灭火的重要意义,火灾初期是灭火最为有利的时机。应设法争取尽早发现火灾，把火灾及时控制消灭在起火点。为此，在建筑物内安装和配备适当数量的灭火设备，设置及时发现火灾和报警的装置是很有必要的。 建筑材料的燃烧性能对火灾的初起阶段影响很大。易燃和难燃或不燃结构建筑起火后，火灾初期阶段的持续时间有很大差别。为防火安全，建筑物应尽可能不使用易燃建筑材料，或使用经过阻燃处理的建筑材料。,7,（1）轰燃（Flashover）是室内火灾最显著的特征之一，它标志着火灾全面发展阶段的开始，房间内局部燃烧向全室性燃烧过渡。,全面发展阶段,8,全面发展阶段,（2）室内火灾进入全面发展阶段后，可燃物猛烈燃烧，燃烧处于稳定期，可燃物的燃烧速度接近定值，火灾温度上升到最高点。 （3）火灾全面发展阶段的时间主要取决于可燃物的燃烧性能、可燃物数量和通风条件，而与起火原因无关。,9,全面发展阶段对防灭火的重要意义,（1）建筑结构的耐火性能显得格外重要.人们在建筑设计时，应注意选用耐火性能好，耐火时间长的结构，以便加强防火安全。,（2）为减少火灾损失，阻止热对流，限制燃烧面积扩大，建筑物应有必要的防火分隔措施。,（3）轰燃之前人员全部撤离。,10,熄灭阶段,（1）在火灾全面发展阶段的后期，随着室内可燃物的挥发物质不断减少，以及可燃物数量的减少，火灾燃烧速度递减，温度逐渐下降。当室内平均温度降到最高温度的80%时则认为火灾进入熄灭阶段。 （2）实验发现：室内温度衰减的速度与火灾持续时间的关系是，火灾持续时间越长，其衰减速度越慢。火灾持续时间在1h以内，室内火灾温度衰减速度在12/min；大于1h，其衰减速度为8/min。,11,熄灭阶段对防灭火的重要意义,要防止火势蔓延，切不可疏忽大意，但因可燃物数量已不多，也不必投入过多的战斗力量。 防止建筑构件因经受火焰高温作用和灭火射水的冷却作用出现裂隙、下沉、倾斜或倒塌，要保证灭火战斗人员的生命安全。 注意防止火灾向相邻建筑蔓延。,12,13,补充：,14,15,16,17,某地铁站的站厅,18,19,20,研究意义 分析火灾和烟气在建筑物中的发展和蔓延规律、科学合理地设置火灾探测器和自动灭火系统的喷头、进行有效的防排烟设计和建筑结构的受热稳定检验。,主要内容: 火羽流的特征（火焰高度及计算方法、羽流速度及温度） 顶棚射流的特征及其在火灾探测及自动喷水灭火系统响应中的应用,5.1.2 室内火灾的动力学过程 -重点,21,5.1.2 室内火灾的动力学过程,反浮力射流,顶棚射流,热烟气层,冷空气层,羽流,开口流动,室内火灾动力学过程,22,（一）火羽流,定义：火源上方的火焰及烟气通称为火羽流,McCaffrey（1979）的三区域模型,23,24,McCaffrey自然扩散火焰火羽流结构示意图,25,（2）火焰高度,平均火焰高度：指的是间歇性函数I(Z) 的值降为0.5时所对应的可燃物表面以上的火焰高度。,火焰高度：在某一高度位置上存在的时间分数，在持续区内其值为1，随着高度的增加进入间断火焰区，其值逐渐减小，最终趋于0。,26,Heskestad等分析了多种来源的实验数据，给出了如下描述无量纲火焰高度表达式：,D为火源直径，对于非圆火源可采用等效直径，N为一无量纲参数，其定义式为,(5.2),(5.1),适用条件：,Heskestad认为上式适用范围为,kW2/5/m。,27,将式（5.3）带入式（5.1）可得火焰高度的表达式如下,(5.4),由于燃烧消耗单位质量空气所放出的热量 对于不同可燃物变化不大，故系数,的变化范围相应很窄。对于大部分气体和液体和固体燃料，可设定 m/kW-2/5。,(5.3),合并参数,28,火焰长度计算示例,【例5-1】燃烧1.07*1.07m2、排列紧密的木垛，其释热速率为2600kW。假设不存在内部燃烧情况，估算该木垛燃烧的平均火焰高度。,【解】木垛的折算直径为,取系数 mkW-2/5，由方程（5-4）可得：,29,（二）顶棚射流,在火羽流热浮力的驱动下，顶棚表面下部薄层中流动相对较快的气流称之为顶棚射流，它是在可燃物上方的火羽流在上升碰到顶棚后，热烟气由垂直流动改变水平流动，并沿顶棚下部向四周蔓延这个过程中产生的。,30,在多数情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的5%12%，而在顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的1%处。这对于火灾探测器和灭火喷头的安装具有特殊意义，如果它们被安装在上述区域以外，则其实际感受到的烟气温度和速度就会低于预期值。,为什么火灾自动报警探头和自动灭火喷头都安装在顶棚？,顶棚射流中的最大温度和速度估算是火灾探测器和灭火喷头热响应的重要基础。,31,顶棚射流的温度和速度（稳态火灾）,最大温度,最大速度,(5.5),(5.6),(5.7),(5.8),H和r分别代表顶棚高度和以羽流撞击点为中心的径向距离，m,Alpert关系式（弱羽流，火焰高度低于顶棚）,32,当火焰高度L小于可燃物表面至顶棚间的高度H时，Alpert理论可以比较合理地估算以羽流在顶棚处的撞击点为圆心（羽流中心线与顶棚的交点），顶棚高度的12倍为半径的区域内的顶棚射流的厚度、速度以及温度。,33,以上表达式对应着两个流动特点不同的区域。式（5.5）和（5.7）对应于撞击点附近烟气羽流转向的区域，在这一区域内，最大温度和最大流速与径向距离无关。式（5.6）和（5.8）对应于烟气转向后水平流动的区域，在这一区域内，最大温度和流速与径向距离有关。这些表达式仅适用于刚着火后的一段时间，这段时间内顶棚射流可以认为是非受限的，因为热烟气层尚未形成。,说明：,34,如果火源靠近墙面，则顶棚射流的温度和速度将受到影响。当火源靠近墙面，见图（a），上述关系式中可用 代替 ；当火源靠近内墙角，见图（b），上述关系式中可用 代替 。,（a）,（b）,35,36,火源热释放速率20MW条件下，根据上述关系式计算出的最大温度和最大流速与r和H之间的关系。,图 最大温度（a）和最大流速（b） 与r和H之间的关系,37,计算示例,【例5-2】计算10m高顶棚下1.0MW火源正上方及与其相距5m处烟气顶棚射流的最大温度。假设环境温度为20。,【解】对于火源正上方,对于r=5m处，r/H=5/10=0.50.18，,建筑火灾的蔓延方式,1、火焰接触：起火点的火舌直接点燃周围的可燃物，使之发光燃烧，将火灾蔓延开来。火焰蔓延的速度取决于火焰的传热的速度。 2、延烧：固体可燃物表面或易燃、可燃液体表面上的一点起火，通过导热升温点燃，使燃烧沿表面连续不断地向外发展下去，称为延烧。,建筑火灾的蔓延方式,3、热传导：火灾产生的热量，经导热性能好的建筑构件或建筑设备传导至相邻或上下层房间，引起其周围直接接触的可燃物燃烧，造成火灾的蔓延。薄壁隔墙、楼板、金属管壁、金属构件或金属设备等都是良好的导热媒介。特点：有导热媒介，蔓延的距离近。案例：电焊工在顶层焊接水暖管道，引燃下层水暖管道周围的可燃物。 4、热对流：对流是初期建筑火灾蔓延的主要形式。房间内的燃烧产生的热烟气与周围的冷空气存在密度差，使热气流不断上升，冷气流不断下沉，形成对流。对流换热使房间内温度不断升高，在空间进行质量和能量的交换，热气流使火灾蔓延至其它房间。 5、热辐射：起火点附近的易燃、可燃物，在没有与火源接触，又没有中间导热物体作为媒介的条件下而起火燃烧，靠的是热辐射。热辐射是确定建筑之间防火间距的主要考虑因素。,建筑火灾的蔓延途径,研究火灾的蔓延途径，是在建筑中采取防火隔断，设置防火分隔物的根据，也是采取堵截包围，重点突破，穿插分割，逐片消灭的灭火战术的需要。 1、火灾沿水平方向的蔓延： 内墙门：燃烧的房间开始只有一个，最后蔓延到整个楼层，甚至整栋建筑物，其原因大多数是因内墙的门没能把火挡住，火烧穿内门，窜到走廊，再通过相邻房间开敞的内门进入邻间。 房间隔墙：当隔墙为木板或其它不耐火材料时，火很容易穿过板缝，窜到另一面。当隔墙为非燃烧体但厚度较小时，隔壁靠墙的易燃物体，可能因为导热和辐射而自燃起火。,没有防火分隔的吊顶（闷顶）：框架式大空间建筑，使用人在内部进行分隔时只将分隔墙封到吊顶下部，而在吊顶上部空间是贯通若干个房间的。火灾在一个房间发生，热烟气上升至顶棚后沿吊顶上部空间蔓延至其它相邻房间。 失效的防火分隔物：设置的防火门、防火卷帘等防火分隔物在发生火灾时没能及时关闭或产品伪劣没能起到在一定时间内阻止火势的作用；防火墙封堵不严密或发生穿透裂缝，造成火灾蔓延。 2、火灾沿竖直方向的蔓延 楼板：火灾通过楼板上的开口、楼板本身的传热导致从下层空间蔓延至上层空间。,建筑火灾的蔓延途径,各种竖井通道，例如楼梯间、电梯井、电缆井、垃圾井、楼板的孔洞等。热烟气在垂直方向的蔓延速度为34m/s，是水平方向的10倍。如一座高度100m的高层建筑，烟气在没有阻挡的情况下，半分钟左右即可从底层上升至顶层。例如，首尔22层的“大然阁”旅馆 穿越楼板的、墙壁的管线和缝隙。例如空调系统的竖向风管。风管保温材料使用了易燃或可燃材料；风管本身使用了易燃、可燃材料；风管连通上下楼层，通过风管和各风口将火灾从下层迅速蔓延至上部各层。,建筑火灾的蔓延途径,1971年12月24日上午10时许，楼内有200名旅客，70名旅馆工作人员，15名公司工作人员。旅馆二层咖啡厅因瓶装液化石油气泄漏引起火灾，火势迅猛，咖啡厅内3名员工尚未及反应，就被烧死在工作岗位上；店主严重烧伤后和其他6名员工逃出火场。火焰很快将咖啡厅和旅馆大厅烧毁，并沿24层的敞开楼梯延烧到3层餐馆和4层宴会厅。浓烟大火充满丁楼梯间，封住了上部旅客和工作人员疏散的途径。管道井也向上传播着火焰。二层旅馆大厅和公司办公大厅的连接处，没置普通玻璃门，成为火灾水平蔓延通道，导致公司办公部分也成火海，延烧蔓至整幢大楼，仅62人逃离火场。 C.主要教训： a.关键部位未设防火门 该大楼的旅馆区与办公区相邻的两个门厅分界处未用防火门分隔，只用了普通玻璃门，起不到阻火作用，是火灾蔓延的主要途径。,建筑火灾的蔓延途径,外墙窗口：房间起火后，室内温度增高，达到250左右时，窗玻璃膨胀、变形，但受窗框的限制，玻璃就自行破碎了，火焰窜出窗口，向外蔓延。蔓延的情况，一是火焰的热辐射穿过窗口，烤着对面建筑物；二是火舌直接烧向上一层或屋檐。底层起火，火舌经底层窗口窜出向上从上层窗口窜到上层室内，这样逐层向上蔓延，使整个建筑物起火。上下层窗口之间距离的大小，可影响火势的蔓延。,45,火灾房间窗口冒出的火焰高度,窗高1.5m,1.54.8m,1.52.5m,1.51.5m,46,着火房间中常见的通风口,门、窗 通风管道 缝隙、管道或电线孔,通风口流动是火灾发展和火灾模拟的基础，在火灾区域模拟方法中无论是质量守恒方程还是能量守恒方程都和通风口的流动密不可分。例如，流入着火房间的空气是可燃物燃烧发展的必要条件，热烟气通过通风口流向室外或相邻房间，不仅将烟气带走，而且还通过对流带走大量的热。,5.1.3 建筑火灾烟气流动与蔓延过程,47,着火房间内外压力分布,48,室内：,室外：,地面上室内外压差：,距地面高度h：,顶棚处高度H：,在垂直地面的某一高度位置上，必将出现室内外压力为零，即室内外压力相等的情况，通过该位置的水平面称为该着火房间的中性层，令中性层离地面的高度为h1，则,49,火灾时：,中性层以下：,中性层以上：,在中性层以下，室外空气的压力总高于着火房间内气体的压力，空气将从室外流入室内； 在中性层以上，着火房间内气体的压力总高于室外空气的压力，烟气将从室内排至室外。,50,着火房间门窗开启时的气流状况,51,在中性层以上距中性层垂直距离h处，室内外压力差为：,通过该微元面积 向外排出的气体质量流量为：,为窗孔的流量系数，可取为薄壁开口的值,从窗孔中性层至上缘之间的开口面积中排出的气体总质量流量为：,52,假设着火房间除了开启的窗孔与大气相通外，其余各处密封均较好，则由于流量连续，可近似地认为：,53,窗孔上下缘处的室内外压力差最大，其绝对值分别为：,54,说明,1.排烟口有水平排烟口和竖直排烟口两种类型。水平排烟口的气流流动状况与竖直排烟口有相似之处。,多个排烟口的情况比较麻烦。如果窗口本身高度及布置高度完全相同，中性层上下缘的垂直距离是相同的，Bc为所有开启窗孔宽度之和；如果窗尺寸和布置都不同，应先对每个窗口分别计算，最后确定房间中性层位置。,55,计算示例,【例5-3】着火房间与走廊之间的门洞尺寸为2.20.9m2，若着火房间烟气平均温度为800，走廊内空气温度为30，当门敞开时，试求从着火房间流到走廊中的烟气量和由走廊流入房间中的空气量。,56,计算示例,57,计算示例,58,59,The Garley Building,烟囱效应,60,Cross Section of Garley Building,Supermarket,Department Store,Various trades and business,61,Lift Lobbies and Shafts,2,3,4,2/F,1/F,G/F,1,62,Renovation Works翻新,1,2,3,4,2/F,1/F,G/F,Hoarding,Lift Shafts,63,Cross Section of Garley Building,Welding Works at 15/F,Hoarding,64,Fire Spread to Top,65,烟囱内外压力分布,（a）仅顶部开口时,66,（b）顶底部均有开口,67,68,正、反热压作用下的气流状况,当建筑物内部气温高于室外空气温度时，由于浮力的作用，在建筑物的各种竖直通道中，如楼梯间、电梯间、管道井等，往往存在着一股上升气流，这种现象称为正向烟囱效应，也叫正热压作用。当建筑物内外温差较大或者建筑物的高度较高时，正向烟囱效应是较大的。当然，正向烟囱效应也存在于单层的建筑物中。,（a）正热压作用,69,当建筑物内部的气温低于外界空气温度时，在建筑物的各种竖井通道中，则往往存在着一股下降气流，这种现象称为反向烟囱效应，也叫反热压作用。 一般反向烟囱效应发生在夏季，这时反向烟囱效应是较明显的。在一些特别严密的建筑物中，当竖井靠墙外布置，而外界气温又较低时，可能出现靠外墙布置的竖井中的气温低于建筑物内部其它部位的气温的情况，这时竖井中也会出现下降的气流。,（b）反热压作用,70,正热压作用对火灾烟气流动的影响,高层建筑中火灾所生成的烟气流动完全受到热压作用的支配。,71,反热压作用对火灾烟气流动的影响,72,高层建筑的“烟囱效应”,高层建筑由于具有较高的高度，当建筑物内外存在着一定温差时，就将产生比单层或低层建筑更加明显的热压作用。 除使用空调季节外，建筑屋内的温度总比室外温度高，正热压作用下，空气从室外进入高层建筑的下层部分，然后通过竖直通道输送到上层，最后排出室外，形成了一个自然对流过程。 当处于正热压作用下的高层建筑的底层发生火灾时，火灾所产生的烟气将随空气流进入竖直通道，导致竖直通道中的气温比正常情况下较大幅度上升，正压作用加大，自然对流循环加强，这种现象成为高层建筑的“烟囱效应”。,73,简言之，火灾学上“烟囱效应”就是在建筑物的竖直通道中，由于自然对流循环促使烟气上升流动的效应。 高层建筑的楼梯间、电梯间以及管道井等，是高层建筑发生火灾时造成烟气扩散流动和蔓延扩大的主要途径。“烟囱效应”则是高层建筑烟气扩散流动和火灾蔓延扩大的重要机理。,因此高层建筑要做好防火分隔，设置合理的烟气控制系统！,74,5.1.4 火灾在全面发展阶段的性状,研究意义 火灾造成的建筑物破坏、人员伤亡和财产的损失主要发生在火灾的全面发展阶段，因为有必要弄清楚这一阶段的火灾性状，才能更好的指导防火设计，达到最大限度减少火灾损失的目的。,75,火灾负荷（火灾荷载）,定义：把火灾范围内单位地板面积的等效可燃物的数量定义为火灾负荷，单位为kg/m2。,分类： （1）固定可燃物：如地板、墙壁上的可燃物，房间的装饰设备（如灯、插座等）； （2）容载可燃物：如房间内的物品，桌椅、书本窗帘等。,但是火灾荷载并不能定量地阐明其与作用面积之间的关系，为此需要引进火灾负荷密度的概念,76,火灾负荷密度,定义：把房间内所有可燃物完全燃烧时所产生的总热量与房间特征参考面积之比定义为火灾负荷密度。房间的特征参考面积可采用地板面积或室内总面积。采用地板面积表示的火灾负荷密度表达式为： （MJ/ m2）,国内目前缺乏各种使用性质建筑物的火灾荷载统计资料，规范的修订急需进行这方面的统计工作。,77,等效耐火极限的计算,等效耐火极限采用下式计算：,等效耐火极限，min； 计算火灾负荷密度，kWh/m2； 考虑维护结构散热的换算因子，min.m2/kWh； 考虑水平和垂直通风口排热对温度发展影响的无量纲因子。,78,计