（工程热物理专业论文）大空间内小室火灾特性的研究.pdf

摘要 诸如机场大厅的大空间建筑防火设计中采用了小室火灾安全概念的设计 方法，即对大空间中火灾栽荷较高的区域采取严格的消防保护措施虽然小室 火灾安奎设计对大空间建筑比较适用，但如果小室内发生火灾并达到轰燃，其 内的消防设施将会失效，从小室溢出的烟气可能对大空间构成更大的危害j 本 文将根据区域模型思想，对大空间内小室火灾特性进行理论分析和全尺度实验研 究，在认识小室火灾条件下溢出烟气在大空间通盈俎缕的前提下，为小室火灾安全 设计概念提出需注意的f o q 题及合理化建议。 本文首先通过c f a s t 区域模拟计算分析，在评价b a b r a u s k a s 、m q h 以及 t h o m a s 三种小室轰燃临界火源功率预测模型的同时，建立了适合于不同通风条 件、统一形式的轰燃l 临界火源功率预测模型，为小室火灾形成的太空问烟气流 动分析提供可靠的输入参数 ，ynl。， f 在分析了小室火灾形成的大空间烟气羽流分段结构特点后) 提出幻、室顶部以 上大空间羽流部分呈轴对称结构的假设，并通过虚点源修正的方式，依据 h e s k e s t a d 和z u k o s k i 羽流模型，建立了不同通风口条件下，小室火灾形成的太 空间羽流简化模型 通过小室火灾大空间烟气自然填充的全垦鏖塞坠研究，获得了不同通风口、 火源功率以及小室是否轰燃等条件下，小室火灾形成的大空间烟气沉降过程的 实验数据依据实验结果，验证了小通风口条件下小室火灾形成的大空间羽流 简化模型及c f a s t 模型的适用性和有效性。利用大空间羽流简化模型及烟气充 填模型的模拟结果，对小室火灾条件下的大空间火灾安全状况作出分析，评价 小室轰燃后对大空间的影响。 a b s t r a c t t h e c a b i n f i r es a f e t yd e s i g nc o n c e p th a sb e e nw i d e l yu s e di nl a r g es p a c e b u i l d i n g s s u c h a st e r m i n a lb u i l d i n g so f a i r p o r t s n l ek e y p u r p o s eo f c a b i n d e s i g ni s t op r o v i d es t r i c tf i r ep r o t e c t i o ni nt h ea r e a so fh i g hf i r el o a di nl a r g es p a c e s t os o m e e x t e n t ，t h e c a b i n f i r es a f e t yd e s i g nc o n c e p tm a y b ev e r yu s e f u la n ds u i t a b l et o p r e v e n tf i r ef r o ms p r e a d i n g , b u t o n ei m p o r t a n ti s s u es h o u l db e c a r e f u l l yc o n s i d e r e d ， t h a ti s f l a s h o v e rw i l lo c c u ri ft h ei n s t a l l e df i r ep r o t e c t i o nf a c i l i t i e si nc a b i n sa r e d e s t r o y e dd u r i n gf i r e s ，t h e nt h ef i r e s m o k es p i l l i n go u tf r o mc a b i nw i l lb eg r e a t l y d a n g e r o u st o o t h e ra r e a so fl a r g e s p a c e s f o r t h i sr e a s o n ，t h er e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e r i s t i co fc a b i nf i r e si nl a r g es p a c e si sp e r f o r m e di nt e r m so fz o n em o d e l t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df u l l s c a l ee x p e r i m e n t s b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h e s m o k em o v e m e n ti nl a r g es p a c e sf r o mc a b i nf i r e s ，s o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n sf o r c a b i n f i r es a f e t yd e s i g n c o n c e p ta r ep r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，t h r e ef l a s h o v e rp r e d i c t i o nm o d e l sa r ee v a l u a t e db yu s i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fc f a s t m o d e la tf i r s t au n i f o r mf l a s h o v e rp r e d i c t i o nm o d e lf o r m i n i m u mf i r ee n e r g yi nd i f f e r e n tv e n tc o n d i t i o n si sa l s oe s t a b l i s h e d ，w h i c hc a l l p r o v i d er e l i a b l ei n p u tp a r a m e t e rf o r f u t u r ea n a l y s i so fs m o k em o v e m e n ti n l a r g e s p a c e sf r o m c a b i nf i r e s d u et ot h et w o s e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs m o k ep l u m ec a u s e db yc a b i nf i r e si n l a r g es p a c e s ，a l la x i s y m m e t r i c s t r u c t u r eo ft h e p l u m ea b o v e c a b i ni sa s s u m e d t h e r e f o r e ，as i m p l ec a b i np l u m em o d e lc o n s i d e r i n gt h i sa s s u m p t i o ni ss e tu p ，b y m e a n so fv i r t u a lf i r es o u r c ec o r r e l a t i o nf o rh e s k e s t a da n dz u k o s k ip l u m em o d e l s f u l l s c a l es m o k ef i l l i n ge x p e r i m e n t si nu s t c p o l y ua t f i u mu n d e rc a b i nf i r e s a r ec o n d u c t e d s o m ev a l u a b l ee x p e r i m e n t a ld a t ao fs m o k el a y e rd e s c e n d i n gp r o c e s s i na t r i u mh a sb e e no b t a i n e df o rd i f f b r e n tc a b i nv e n t ，f i r es o l l r c ee n e r g ya n df l a s h o v e r o c c u r r e di nc a b i no rn o t n l e s ee x p e r i m e n t a ld a t aa r en o to n l yv e r yc r i t i c a if o rt h e e v a l u a t i o no ff o r m e rs i m p l ec a b i np l u m em o d e la n dc f a s tm o d e l b u ta l s oc a nb e u s e df o rr e f e r e n e ei n c a b i n f i r es a f e t yd e s i g ni nl a r g es p a c e s f u r t h e r m o r e ，s m o k ef i l l i n gp m c e s s i n l a r g es p a c eb u i l d i n g s i sn u m e r i c a l s i m u l a t e db yu s i n gt h es i m p l ec a b i np l u m em o d e l b a s eo n t h es i m u l a t i o nw o r k ，f i r e s a f e t ys i t u a t i o ni nl a r g es p a c eb u i l d i n g si se s t i m a t e dw h e n f i r e st a k ep l a c ei nc a b i n a tl a s t , t h ee f f e c to f f l a s h o v e ri nc a b i nt ol a r g es p a c e si se m p h a s i z e d 致谢 在本文即将完成之际，首先向我的导师霍然教授表示崇高的敬意和谢意! 非常感 谢霍老师在我论文设计过程中给我的大量帮助和建议，可以说，没有霍老师的悉心关 怀和精心指导我的论文是无法完成的。霍老师严谨求是的态度、言传身教的作风以 及无私忘我的奉献精神都让我受益匪浅，也将促进我以后的学习和工作。 本文的完成得到了火灾实验室许多老师的有力支持。在我实验室学习期间范维 澄教授、王清安教授和廖光煊教授给予我大量的教诲、关心和帮助，在此表示衷心的 感谢! 还要感谢周建军副教授、万玉田老师、邓志华老师、尤飞老师和王浩波老师， 他们在为本文实验工作倾注大量时间和心血的同时，也提出了许多有益的见解。 感谢蒋勇博士、姚斌博士、刘乃安博士、宋卫国博士和殷如民博士等一批实验室 年轻的科研新生力量，他们以出色的科研能力和良好的学术风气，成为我学习和提高 的榜样，给予我不断进取的动力。 还要感谢师兄李元洲博士以及实验室其它师兄弟们给我的帮助和启发，在与他们 的日常讨论中，论文中的许多疑难问题都最终得以解决。 借此机会要向我的父母表示由衷的感谢他们为我的成长付出了艰辛的努力，在 我人生最困难的时候，他们承受了巨大的压力。可以说，正是他们一如既往的支持和 鼓励我才得以最终完成本科和硕士学业。他们为我付出的爱，将成为我毕生的财富。 最后要深深感谢我的妻子杨洁女士，是她默默的牺牲、不断的支持和无私的奉献， 才使我有宁静的空间致力于本文的工作。 本文的实验工作还得到香港理工大学屋宇设备工程系周允基教授的项目资助，在 此一并表示感谢! 金旭辉 2 0 0 1 年5 月于科大 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景 随着我国经济建设和城市化的发展，大空间类型的现代建筑越来越多地涌现出来。 所谓大空间建筑物，是指那种内部空间很大的建筑物。根据其典型特征，实际的大空 间建筑可分为三类：第一类是礼堂、体育馆、候机大厅一类的大空间建筑。这类大 空间建筑的特点是大空间四周不再有楼层，而只是在地面上有固定的看台或座位，而 且这种建筑多为人员密集的场所。笫二类是带有中庭的高层建筑。这类建筑中的大空 间就是中庭。中庭具有调节气候，提供舒适的休息和商业场所等多种功能。在中庭的 四周( 或部份侧面) 则是用来办公或商业目的的楼层。第三类是购物中心大型商场 一类的大空间建筑。这类建筑一般不是太高，中间是大空间，四周是商场。总的来说， 太空间建筑形式之所以非常流行是因为它可以提供舒适宽敞的室内环境，室内可以建 造类似室外的音乐喷泉、假山，可以装饰树木和花卉等是演出、娱乐、展览或购物 的理想场所。 很显然，大空间类型的建筑物都有内部空间大、采光良好、舒适、人员集中等突 出特点。近年来的火灾统计表明【2 】，一段时期以来我国发生的多起重大、特大火灾， 大部分与大空间建筑物有关。仅在前几年就连续发生了北京隆福大厦、深圳安贸危险 品储运公司清水河仓库火灾、北京市玉泉营环岛家具城火灾、南昌万寿官商场，昆明 东方夜总会、阜新艺苑歌午厅、克拉玛依友谊官等多起大空间建筑火灾人员伤亡和 财产损失均为建国以来所罕见。这其中虽不乏管理和人们安全意识淡漠方面的问题， 但更为重要的人们对太空间建筑的火灾的客观规律的认识不足并缺乏相应的消肪工 程技术。由于大空间建筑与传统建筑在空间大小、建筑形式和结构、环境条件等方面 有根大不同，这就造成太空间建筑的防火设计出现了许多新的技术问题和难题。 实际上现有的建筑防火设计规范已经很难满足大空间建筑的消防安全要求。对于 机场大厅这类的大空间建筑，人们已经开始采用性能化设计的方法来解决其防火设计 问题。香港新机场就采取了小室火灾安全设计概念( c a b i nf i r es a f e t yd e s i g nc o n c e p t ) 的性能化设计方法1 3 5 】。虽然小室火灾安全设计在以前的大空间建筑物中已经被实际 应用，但直到9 0 年代初小室火灾安全设计才作为一个明确概念被提出【6 。小室火灾 安全设计概念包括以下几个方面【7 】： 高火灾载荷区域的蓄烟池 蓄烟池内的火灾探测器和报警器 联动的通风和排烟系统 水喷淋系统 第一章引言 2 小室形式的防火安全设计可以在大空间建筑内火灾载荷比较高的区域，如大厅内的 商店、餐厅等处，采取严格的消防保护措施，由于没有使用墙壁进行物理分区，这极 大保留了大空间使用上的灵活性，同时整个大厅内可能不再需要安装大功率的排烟系 统。c a b i n 的设计很显然对太空间是十分有用的。但即使是一个“很好”的设计也可能 会有一些值得注意的问题，虽然发生意外的几率很小【3 】。 大空间( 如候机大厅) t 。蜒烟池 水喷淋 撵 n 、 小室( c a b i n ) 骚 趁 图1 1大空间内小室火灾安全设计概念 如果小室内发生火灾，其燃烧状况有可能达到轰燃，此时一旦其自有的水喷淋和 排烟系统不能正常工作小室就有可能成为一个产生大量烟气的大热源。实际上这种 情况是很可能发生的。在机场候机大厅的商店里，由于零售业的税收报高，业主往往 将货物堆积在商店内很小的地方，由此可能会堵塞水喷淋头，影响正常的排烟而这 类商店的火灾载荷往往很高，比如储藏液体酒精饮料的商店，其最高火灾载荷可达 i1 3 5 m j m 2 3 。 当烟气从小室中溢出，并蔓延到大厅内其它区域，此时大厅不能再视为“安全” 的。虽然小室内产生的热量不足以使大厅内的空气温度升高多少并且由于空间很大， 溢出烟气的温度和有毒气体的浓度也很小，但如果烟气在大厅中形成热烟气层并下降 和蔓延，可以遮挡人们的逃生路线和指示，同时可能感觉呼吸困难从而引起恐慌，影 响人员安全疏散。而小宣的设计者们往往忽视了小室火灾失控时对大空间的潜在的更 大的危害 虽然小室火灾安全设计概念已经在一些重要的大空间建筑中得到应用，但对其存 在的问题也发生过一些争论l a 州8 】、b v e r 9 、c h o w 1 0 ，ll 】和j o n e s 1 2 等人进行理 论分析和讨论的焦点之一就是小室火灾轰燃后能够达到多大的火灾功率实际上，大 第一章引言 空间内小室火灾安全设计的概念是否非常真的安全有效，这需要通过深入的理论和实 验研究来澄清以下三个问题【4 】： 小室内轰燃发生的可能性，发生轰燃后可以达到的火灾功率 小室是否会成为一个产生大量烟气的大热源 小室内水喷淋系统的有效性 国内外的火灾科研工作者已对大空间火灾方面开展了不少研究，但出于条件的限 制，大家大多采用计算模拟与缩尺实验相结合的方式开展研究。这一方法对火灾科学 研究发挥了重要的作用。然而无论是计算模拟还是缩尺实验，总是赋有某种抽象和理 想的已知条件，无法反映全尺寸火灾场景和真实全面的边界条件。其结果与真实情况 之间存在着某种误差和不确定性。目前十分缺乏全尺寸的太空间火灾试验数据。而大 空间的建筑防火设计急需这方面的基础数据。中国科学技术大学火灾科学国家重点实 验室和香港理工大学的科研人员均较早认识到大空间火灾问题的严重性和特殊性。经 过多年的努力双方合作建造了一座全尺寸的大空间火灾试验斤外部尺寸3 0 6 m ( 长) 1 8 6 m ( 宽) 3 0 6 m ( 高) ，并建立了一套集火灾探测、防排烟控制、自动喷水灭火 和实验数据采集处理于一体的综台实验平针1 3 】。本文在试验厅内建造了一座实体小 室，全尺度实验的研究工作正是在该实验平台下开展进行的。 1 2 轰燃条件的研究 轰燃( f l a s h o v e r ) 是火灾由初期增长阶段向充分发展阶段转变的过渡阶段 1 4 1 5 。 发生轰燃的根本原因是燃烧区的释热速率迅速增大，而可燃物的质量燃烧速率迅速增 大是释热速率增大的基本因素，造成可燃物燃烧速率增大是由于外部施加到可燃物表 面的热通量增大的缘故。在受限空间内，这种热通量主要有三个来源：( i ) 可燃物上 方的火焰( 2 ) 室内上部积累的热烟气层( 3 ) 受限空间的热壁面。在通常的建筑物 火灾中，热烟气向可燃物传热是主要方面。当烟气层的温度达到一定的值，辐射到地 面上可燃物表面的热通量超过一定的值时可燃物的燃烧速率就会迅速增大。火源外 的其它可燃物被引燃是燃烧速率增大的一种重要情形，显然，同时燃烧的物品增多， 一定会造成燃烧速率增大。当然也不一定非要以其他物体被引燃作为轰燃的标志，只 要火源燃烧速率达到一定值并维持一定时间，一件物品也能发生轰燃。 t h o m a s 1 6 ，1 7 】最早采用类似热爆炸理论的方法分析了轰燃现象，认为当热烟气层 获得的热量远大于热损失时就可以判定轰燃现象的发生在此基础上，b a b r a u s k a s 1 8 1 、 q u i n t i e r c 1 9 】、l o c k w o o d 2 0 】等人利用火灾区域理论作了实验和模拟计算研究， b i s h o p 2 1 等人用非线性方法进行了分析，g r a h a m 2 2 等人则通过建立热平衡方程给出 了定量分析表达式。 第一章引言 4 在对室内火灾中的轰燃现象进行的大量实验研究中研究者一般通过测定火灾中典 型的物理参数( 烟气层温度、辐射热通量、火源燃烧速率) 来表征轰燃现象的发生由于 轰燃现象本身是一个复杂的非线性过程，同时受到多个物理变量的影响，因此通过实验方 法来确定轰燃发生这样的快速转变过程有相当的不确定度。同时每位研究者进行实验的条 件( 火源、房间尺寸、轰燃指示物) 不尽相同对轰燃现象进行判定的标准也不一样。尽 管如此但总结来说，对于轰燃现象的判定准则( 或称之为定义) 可以归结为两个【2 3 】： 温度准则：上部热烟气层的温度高于6 0 0 热通量准则：地面处的热通量大于2 0 k w m 2 模型预测研究也是轰燃研究重要的一个方面。近来的一次国际调查结果表明1 2 3 】， 总共有6 2 种模型可阻进行建筑火灾过程的模拟计算。其中3 1 种可以计算火灾产生的 环境( 主要是温度和烟气流动) ，1 2 种模型可以预测火灾的持久性8 种可以评价探测 器和水喷 悻的反应情况4 种可以计算逃生时间。这些计算机模型在适用范围、复杂度 和使用目的等方面存在很大不同。如m q h 的相关方程、a s e t 烟气充填模型这类的简 单模型，仅仅给出了单室火灾中一些基本物理参数( 烟气层高度和温度) 的估计。较 为复杂的单室模型包括h a r v a r d5 和f i r s t ，它们可以模拟计算单室火灾更多的物 理参数的变化，火灾场景的设定也更为复杂。比较特殊的c o m p f 2 模型可以计算轰燃 后火灾充分发展阶段的室内温度。还有一些可以计算多室火灾过程的模型如 h a r v a r d6 、c c f m 、c f a s t 等。另外有超过l o 种的场模型可以更为详细地模拟计 算室内火灾的环境。虽然场模型可以给出室内某些局部的状况变化，但这种模型计算 量一般都很大，只有在需要了解某些参数的详细分布时才使用这种模型。如果只需要 获得室内发生轰燃时基本的火灾参数，如火灾功率则t h o m a s 半经验公式、m q h 相 关方程等轰燃简化预测模型就比较实用。实际上，某些简化计算模型已经成为性能化 火灾安全设计的便捷工具。 第一章引言 1 3 大空间建筑火灾 1 3 1 大空间建筑火灾过程 大空间地面处发生。燃烧产生的气体由于浮力驱动形成羽流该羽流将卷吸周围 气体向上流动井撞击太空间项部，在顶部下形成一个滞止区，随着气体的积累滞止 区压力升高，使得不断上升的气体沿项部向四周运动，形成顶棚射流，当顶棚射流触 及侧壁时，流动方向转而向下，因其流动方向与浮力方向相反，称为壁面反浮力射流， 反浮力射流在竖直方向速度不断减少，在丧失其向下动量以后，气体在浮力作用下将 重新上升，这样就在太空间上方逐渐形成一个热烟气层，随着火灾的发展热烟气层 状态和厚度不断变化，当热烟气层下降到门或窗的位置时热烟气蔓延到厅外在一定 温度下这种流动又会导致火灾的扩大( 如图1 2 所示) 。 图1 2 大空间火灾过程 在建筑火灾中烟气是人员生命安全的最大威胁。对于太空间建筑，烟气危害性 更加严重【2 4 】。这是因为( 1 ) 大空间建筑空间、面积大供氧比较充足，火势很容易 发展。( 2 ) 由于存在很大的空间，在这个空间内没有任何阻挡物，烟气很容易发展 并迅速蔓延到建筑的其它部份，造成更大的危害。( 3 ) 火灾的早期探测较难实现( 4 ) 人员的安全疏散相当困难。因此，进行大空间烟气运动规律的研究是认识和防治大空 间建筑火灾的关键环节。 在不考虑自然排烟和机械排烟的条件下，发生火灾后。大空间上部形成一定厚度 的热烟气层，下部是空气层在工程应用的范围内可以考虑用区域模型进行相应的 理论分析。区域模型虽然极大地简化了烟气流动中复杂的湍流运动机理但抓住了烟 气宏观运动的规律和特征，其分析结果便于实际的防火安全工程设计 第一章引言 6 1 3 2 大空间烟气羽流 大空间烟气羽流中最为典型的是轴对称羽流，前人在这方面开展的研究也比较多。 h e s k e s t a d 2 5 和z u k o s k i 2 6 等人都提出了相应的羽流模型。h u o 、c h o w 、l i 等人 2 7 - 3 1 以p o l y u , q j s t c 太空间实验厅为对象，在不同的自由火源条件下开展了全尺度的大空 间烟气自然充填的实验研究在验证已有模型的同时，也发展了自己的理论模型，有 了一些较好的结果。这些研究主要也是在大空间轴对称羽流方面。 l a w 3 2 和m o r g a n 3 3 等人分别作过小尺寸实验来研究阳台溢流( - - 维线性羽流) t h o m a s 3 4 ，3 5 】根据实验结果建立了阳台溢流的模型。关于阳台和窗户溢流， n f p a 9 2 b 2 5 1 中也作了一些讨论，并给出了相应的经验公式。 当火灾发生在大空间的小室中，如果烟气从小室通风口溢出，在热浮力作用下卷 吸周围空气，也会在太空间形成了向上的浮力羽流( 如图i - 3 所示) 。在小室火灾条件 下，大空间羽流是否仍是轴对称结构，其羽流模型如何建立，小室通风口状态、火灾 功率大小对羽流的影响如何，等等这些都将是本文拟解决的问题。 c h o w 5 通过场模型模拟计算了小室火灾形成的大空间烟气流动过程，他认为小室 火灾失控后，产生烟气对太空间的影响比没有小室存在时要大，且小室会成为一个产 生大量烟气的大热源，这实际上也是l a w 、b e e v e t 和c h o w 、j o n e s 8 1 2 1 等人讨论的另 一个焦点，即c f d 场模拟方法对于小室火灾形成的大空间烟气流动分析是否有效，结 果是否合理。实际上模拟分析的结果往往需要足够的实验数据来加以验证。 同时如果能够参照已发展的轴对称羽流模型，进一步发展小室火灾条件下大空间 羽流简化计算模型，有可能便于加深人们对大空间内小室防火安全设计概念的认识， 也可以成为其实际工程设计时有力的工具。 图1 3 大空间内小室火灾过程 第一章引言 7 1 4 本文研究内容 本文的研究对象是大空间建筑内的小室，本文根据区域模型思想，通过简化的理 论分析和全尺度实验等研究手段，在小室内没有安装任何消防设施( 等效于实际火灾 中小室内消防设施失效的情况) 的前提下，考察大空间内小室火灾特性，分析小室火 灾条件下溢出烟气在太空间流动的规律和特点。本文的研究内容包括： ( 1 ) 对于小室本身，重点是分析和比较小室发生轰燃时火源功率的预测计算模型， 在c f a s t 区域模拟计算结果的基础上，建立适合于不同通风条件下的轰燃临界火源功 率预测模型，为进一步的大空间羽流分析提供基础输入参数。 ( 2 ) 总结已有的轴对称羽流模型，分析小室火灾条件下大空间烟气流动的过程和特 点，根据不同通风口条件以及小室内是否发生轰燃，建立相应的大空间羽流简化模型。 ( 3 ) 开展小室火灾条件下的大空间烟气自然充填过程的实验研究与已建立的大空 间羽流模型计算烟气自然充填过程的理论结果、以及计算分析软件模拟计算结果进行 比较验证小室火灾条件下大空间羽流简化模型的适用性和有效性。 f 4 ) 通过大空间羽流简化模型预测大空间烟气沉降过程的结果，进一步分析小室火 灾是否轰燃、不同通风条件的小室结构对大空间火灾安全状况的影响。这些可为太空 间建筑火灾安全设计中已经被采用的小室防火安全设计概念提供科学合理的建议也 可以为大空间建筑防火设计规范的制修订提供具体的参考。 第二章理论模型 8 第二章理论模型 2 1 小室火灾的简化模型 室内火灾是一种受限空间内的燃烧。可以用室内平均温度来表征室内火灾燃烧强 度，这样通过温度随时间变化的曲线( 如图2 1 所示) 就可以描述室内火灾的发展过程 图中的曲线清楚地表明室内火灾可以分成三大阶段：火灾初期增大阶段、充分发展阶 段和火灾熄灭阶段。在前两个阶段之间，有一个温度急剧上升的狭窄区域通常称为 轰燃区，它是火灾发展的重要转折区。 图2 i 中a 曲线表示的初 始增长阶段仅代表一般固体燃 料的燃烧特点，可燃液体火灾 掣 的增长却有不同的特点。当使 霹 用燃油作火源时，由于液体易 1 于燃烧当液面的一个局部被囊 点燃后，火焰可迅速蔓延到整 个液面，即以一个直径基本确 定的液面燃烧，这时的燃烧速 率大体为某一确定值。反映在 烟气层温度变化曲线上则是图 2 1 种衄线b 的结果，即烟气温 度会迅速升到比较高的值，在 持续一段时间后才可能发生轰 燃。曲线c 表示了未发生轰燃 时的情形。 当房间的通风口大小确定 时，小室火灾在短时间内就可 以迅速形成稳定的烟气层，如 图2 2 所示。根据双层区域模 一 芝惑 别期增长 ； 阶段 | 图2 1 室内火灾的发展阶段 图2 2 小室火灾示意图 燃烧时间 型的思想小室空间可以分成上部烟气层和下部空气层两个控制区域，每个控制区域 内各物理参数( 如温度、密度等) 是均匀一致的两个区域之间的质量交换通过羽流 传递完成，两个区域之间以及每个区域和环境之间的能量交换同时包括了热辐射和对 、 苎三兰曼丝塑望 ! 流传热的形式。 图2 3 小室火灾的双层区域模型 考虑上部的烟气层控制体，由能量守恒可得： 晶= o 警= 蘸喝= 宫一一( 邑+ “古，) ( 2 1 ) 式中e s 、e t 分别为总能量获得和损失。e 。为流出烟气带走的热通量，五。为烟气层 通过壁面和顶棚的对流热损失速率，e 。为烟气层对壁面、顶棚、羽流和火源等的辐射 热损失速率它们可分别表示为： e 。= 巴c e c = 4 睫( i 一瓦) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 占”= s 仃( 一。+ 4 ) ( f c ) ( 2 4 ) 式中，m 。为从通风口上部流出的烟气质量流率。 考虑整个系统的质量守恒，可得： 研f5 研。+ 肌，( 2 5 ) 式中为从通风口下部流入的空气流率，m ，为燃料的汽化速率。 在火灾初期增长阶段。即发生轰燃前，室内空气充足，属于燃料控制型燃烧假 定燃料的燃烧效率为刁- 燃料的热值为山以，羽流对流传热部分占总火源释放能量的 比例为也，则通过羽流传递给烟气层的能量占，为： ， 第二章理论模型 l o e p = 3 c 。r - 脚，a h 。 ( 2 6 ) 对液体燃料而言，燃料的汽化速率小，可表示为： m ，；叁g 二：善( j ，：+ o + j 二一g 二) ( 2 7 ) 叶茸2 砖旧p 叼扎川j 口j 式中，a h 。为燃料汽化热a ，为油池面积，叮0 为火源受到的净热辐射通量。在本文 试验条件下，壁面热辐射通量9 0 和火源自身反辐射热通量g 二相对较小，可以忽略， 燃料的汽化速率小，主要受火焰热辐射通量g 二和烟气层热辐射通量g 二的影响。由此 可确定燃烧速率与烟气层温度的关系。 由式( 2 1 ) 可知，烟气层获得热量的速率置，与热损失速率e ，之间的差异太小将 决定烟气的温升速率，当烟气层获得的热通量e 。远大于热损失e ，时，室内火灾发生 突变，即出现轰燃现象。随后火灾进入到充分发展阶段，其燃烧形式由燃料控制型转 变为通风控制型。此时，通过燃料的汽化速率，即火源的燃烧速率m ，就无法再通过 ( 2 7 ) 式来进行计算。 k a w a g o e 5 较早地研究了通风状况对室内火灾发展的影响，通过大量的实验数据 分析后提出，火源的燃烧速率m ，和通风因子一，h ：”( a ，为通风口的面积，h ，为通 风1 2 1 自身的高度) 之间存在某种确定的关系。b a b r a u s k a s i8 】随后通过一定简化和理论 推导得出了相同的结论。t h o m a s 1 6 ，1 7 ，3 6 】和q u i n t i e r e 1 9 ，3 7 】等人也分别进行了深入的 研究，他们使用的方法均基于轰燃前室内火灾准稳态的区域模型分析，并利用大量的 实验数据对分析结果进行相关和校正，分别得到了轰燃时临界火源燃烧速率的计算模 型，具体的模型分析和比较将在第四章中展开。 同时，从通风口流入和流出的烟气量，在小室火灾轰燃发生前后也发生了变化。 根据q u i n t i e r e i ：3 8 】的研究结果，轰燃前，从通风口流出的烟气质量流率m ，可表示为： fr 7 。i c , p o a ，研”1 2 9 ( 争( i 一争 ( 2 8 ) 其中，c i 为通风流动系数，b i s h o p 2 1 等人给出的典型值为0 7 g 为重力加速度常数 9 8 m s 2 ，初始小室内温度矗可取为3 0 0 k ，t 为实际火灾过程中烟气层的平均温度，可 第二章理论模型 以参考实验中稳定燃烧阶段的结果数据。若火灾烟气按理想状气体简化处理，则： p p o2 亩 2 9 ) 式中，p 为大气压力1 0 1 3 2 5 p a ，r 为理想气体常数2 8 7 j k gk 。 由( 2 8 ) 式可以看出在火灾初期发展阶段，流出的烟气质量流率不仅与通风口的 条件有关。同时还随着上部烟气层的温度上升而发生变化。轰燃发生后，火灾转变为 通风控制型，此时从通风1 2 1 流入的空气流率近似正比于通风因子，比例系数c 2 在 0 4 0 6 1 k g s 1 m ”范围内变化，通常取值为0 5 k g s 1 m ” 5 】： m 。= c 2 a ，h ：” ( 2 1 0 ) 燃料的燃烧速率m ，同样也依赖于通风因子，典型的形式可以是： m r = c 3 a ，：” ( 2 1 1 ) 以木垛为火源的室内火灾实验结果表明c 3 的参考值可取为0 0 9 k g s 。m 4 0 5 】。根据 ( 2 5 ) 、( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 三式，从通风口流出的烟气流率m 。也可以写成和通风因子 成比例关系的形式： m 。= c 4 a ，h ：” ( 2 1 2 ) 代入c ：、c s 的参考值，则流出的烟气质量流率m 。近似为： m 。= 0 6 a ，h ：” ( 2 1 3 ) 2 2 小室轰燃时临界火源功率的预测模型 现在已经有多种方法用于预测室内火灾轰燃现象的发生，这些方法基本上都是以 单室火灾中简化的质量和能量平衡方程为基础进行理论分析的，并通过实验结果( 轰 燃温度准则) 进行关联和校正，以确定出合理的待定参数。w a l t o n 和t h o m a s 3 9 已经 对现有计算室内火灾温度的方法进行了系统的综述，其中比较典型的是 b a b r a u s k a s 1 8 】、m c c a f f r e y & q u i n t i e r e 3 7 、以及t h o m a s 3 6 】分别提出的三种室内发生 轰燃时i l 缶界火源功率的预测模型。 2 2 1b a b r a u s k a s 模型 b a b r a u s k a s 1 8 室内烟气层的温升达到5 7 5 ( 2 ( 即上部热烟气层平均温度达到6 0 0 ) 作为轰燃发生的准则，发展了简单的室内燃烧模型，他认为发生轰燃时最小的火 第二章理论模型 1 2 源释热速率q ，可表示为 q f = 7 5 0 a ，瓜 ( 2 1 4 ) 式中q ，以k w 为单位计算。b a b r a u s k a s 将其模型预测结果与实验数据进行了比较，大 约有2 3 的实验数据落在( 4 5 0 t o s o ) a ，h ，范围内。可以看出该模型形式简单易用。 2 2 2m q h 模型 m c c a f f r e y 和q u i n t i e r e 3 7 等人对1 0 0 多次的实验数据进行回归分析，得到了上部 热烟气层温升和两个无量纲量之间的相关方程： m 4 s 0 赤九嚣锯厂 仁 如果考虑上部热烟气层温度达到6 0 0 a c ( 即温升5 7 5 ( 2 ) ，并代入典型的c 。风瓦参 数值，由( 2 1 5 ) 式可得m q h 相关方程： 所= 7 4 0 ( h k a r a ，风) ”2 ( 2 1 6 ) 式中a ，为室内壁面的有效传热面积，以为壁面的有效对流传热系数。 2 2 3t h o m a s 模型 t h o m a s 3 6 对室内火灾中热烟气层的能量平衡方程进行简化，认为总的热损失形式 上可以表示为两项一一项是通过辐射或对流由热烟气层传给壁面的热损失蜴，另一项 是由流出烟气带走的焓肌。c ，( 丁一兀) ，则能量平衡方程可表示为： q ，= m g c p ( r t o ) + 9 ( 2 1 7 ) t h o m a s 根据实验数据进行拟合和校正，最终得到： g = 3 7 8 a ，+ 7 8 4 r ( 2 t 8 ) 2 2 4 小结 上述三个模型均给出了一定通风条件下，室内火灾发生轰燃时的火源临界释热速 率的计算，也就是说，当室内可燃物的燃烧速率达到这个临界值时，火灾很可能发展 为轰燃。很明显，这些轰燃预测模型均作了一定程度的假设，总结来说有以下几点： 均基于一个简单的质量和能量平衡方程不考虑复杂的建筑结构和通风情况 第二章理论模型 均由实验结果修正得到。开展实验的房间尺寸有限 热平衡分析对假设了半无限固体的传热模型 对于轰燃的判定采用了温度准则：烟气层温度大于6 0 0 c 或温升大于5 7 5 轰燃火源释热速率预测模型的建立为建筑物的防火设计提供了具体的计算方法 虽然模型作了一定程度的假设，但三个模型的计算结果在一定工程应用范围内还是适 用的。在第四章中将根据c f a s t 程序模拟计算结果对这三个模型进行比较和分析。 2 3 大空问烟气自然填充规律 当处在太空间内部的小室发生火灾时，如果小室内安装的水喷淋和排烟系统不能 正常工作烟气就有可能从小室的通风口溢流到太空间，在热浮力作用下溢流出来的 烟气同时卷吸周围空气，形成了向上的太空间羽流。在不考虑自然捧烟和机械排烟的 条件下，太空间上部烟气逐渐积累并形成一定厚度的热烟气层。实际上，大空间内烟 气自然充填规律的研究是控制烟气流动、指导人员安全疏散的核心问题。 同样根据区域模型的思想，整个大空间可以分为上部烟气层和下部空气层两个控 制区域 4 0 j 。在没有烟气排走的情况下，大空间羽流携带的烟气和周围空气的加入导致 了大空间上部的烟气层质量的增加，即上部烟气层的质量守恒方程为： ! 拿：肌( 2 1 9 ) 进一步可以写成： 掣：m ( 2 - 2 0 ) 讲 其中m 。为上部烟气层的烟气总质量，肌为烟气羽流带入烟气层的气体总量。忽略火源 释放出气体的流量( 通常很小) ，r a 即可视为羽流卷吸到的周围空气的质量流率。 上部烟气在工程范围中可视为理想气体处理，并认为与空气具有相同的热物性参 数由理想气体定律可得： 岛l = p o 矗 ( 2 2 1 ) 其中n 、岛、l 和瓦分别为热烟气和环境气体的密度及温度。 忽略烟气层体积膨胀所做的功，则可得到上部烟气层的能量方程为： 丝掣：q + m c p 瓦( 2 2 2 ) 讲 第二章理论模型 4 式中互为上部烟气层的厚度，a 为太空间的截面积q 为羽流的对流换热量， 常温常压下空气的比热。 将( 2 2 1 ) 式代入( 2 2 2 ) 式得： d ( z - _ a p ：- o t o c p ) ：q + 所c p 瓦 讲 如果用z 表示热烟气层底部下沿面的高度，则有： 亟：一堡 硪出 将( 2 2 4 ) 式代入( 2 2 3 ) 式，并整理得： c 。为 f 2 2 3 ) 佗2 4 ) 一冬：黑+ 三 ( 2 2 5 ) 出 a p o c 。瓦a p o 上式中右侧第一项代表扩散到烟气层的烟气流率，第二项代表羽流卷吸到烟气层 的空气质量流率。由于在大空间火灾中羽流卷吸作用远大于扩散作用为简化计算起 见而忽略扩散项，则有： d zm a r t a p 4 考虑到大空间体积比较大，当烟气上升到顶部并形成烟气层此时烟气的温度已 经不是很高，因此可以近似认为： 见4 风 ( 2 2 7 ) 再结合( 2 2 0 ) 和( 2 2 4 ) 式，同样可以得到与( 2 2 6 ) 式相同的结果。 2 4 大空间羽流模型 式( 2 2 6 ) 表明，如果已知大空间烟气羽流卷吸的规律，即可求解烟气层底部的高 度随时间变化的过程。而大空间烟气羽流的卷吸规律取决于火源的位置、高度、形式 以及大空间的高度等因素。如果火源位于大空间地面的中央附近此时烟气羽流基本 上是轴对称的：如果火灾发生在与中庭相连的场所烟气沿着阳台流动并蔓延到中庭， 此时的情形是阳台溢流；如果处在大空间内部的小室发生火灾，烟气从小室的门，窗 或其它小通风口溢出到大空间，形成的是窗户溢流或通风口溢流，如果小室四周通风 则羽流形式不同于窗户溢流。下面分情况进行详细讨论 f 第二章理论模型 2 4 l 轴对称羽流 大空间烟气羽流中最为典型的是轴对称羽流( a x i s y m m e t r i cp l u m e s ) ，前人在这方 面开展的研究也比较多。具有代表性的是h e s k e s t a d 2 5 和z u k o s k i 2 6 分别提出的羽流 模型。l i 等人 2 7 3 1 1 以p o l y u u s t c 大空间实验厅为对象在不同的自由火源条件下 开展了全尺度的大空间烟气自然充填的实验研究，验证了这两种模型对于大空间类型 建筑是实用且有效的。同时李在简化火源规律的基础上也发展了自己的大空间烟气自 然填充理论模型，详细的讨论将在他的博士论文中得以体现，此处不作赘述，需要重 点讨论的是h e s k e s t a d 和z u k o s k i 的羽流模型。 h e s k e s t a d 羽流模型 h e s k e s t a d 等人进行了大量的实验研究之后指出，对于不受限的轴对称羽流，其z 高度处的质量流率m 可以表示为： 埘= o 0 7 1 q 1 7 3 2 5 7 3 + o o o l s q( 2 2 8 ) 式中q 为火源释热速率的对流换热部分。上式仅适用于羽流高度大于火焰高度时的情 形，如果火源很大，火焰高度就有可能很高，并浸没到上部烟气层中此时烟气层高 度处的羽流卷吸质量流率为： m = 0 0 3 2 q ”z( 2