（安全技术及工程专业论文）公路隧道火灾扩散仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a o t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d p e o p l e sd a i l y l i f el e v e l ，t h e c o r r e s p o n d i n g e m e r g e n c eo fav a r i e t yo fh i g h w a yt u n n e l a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，c h i n ah a sb e c o m et h e w o r l dc o m m u n i t yi sn o wo nt h el a r g e s th i g h w a yt u n n e la n dl o n g e s tm i l e a g e h o w e v e r , w i t ht h eh i g h w a yt u n n e li n c r e a s i n gm i l e a g e ，o p e r a t i n gs p e e da n di n c r e a s i n gt r a f f i cd e n s i t y , t y p e so ft u n n e ln u m b e ro fi n c i d e n t sa n dac o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei nt h ef r e q u e n c yo f h a v e o c c u r r e di nav a r i e t yo ft u n n e la c c i d e n t , t h et u n n e lo ff w ei so n eo ft h em o s ts e r i o u s ， c a u s i n gc a s u a l t i e sa n dm a t e r i a ld a m a g ei sa l s ot h el a r g e s t ，f o rv a r i o u sr e a s o n sr e s u l t i n gi n f i r ea c c i d e n t sa th o m ea n da b r o a dh a v em a n y h i g h w a yt u n n e lf i r es i m u l a t i o ns t u d yi sd e s i g n e dt or e d u c et h el o n gh i g h w a yt u n n e l f i r em a yc a u s ec a s u a l t i e s ，l o w e rl o n gh i g h w a yt u n n e lf i r em a yc a u s ed a m a g et op r o p e r t y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es i m u l a t i o no ff i r ea th o m ea n da b r o a do ft h es t a t u sq u o ， t h ef i r ec o m b u s t i o np r o c e s s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e lf i r ea n dt h eu s eo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eu s eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dt om o d e lg r i di no r d e rt o a c h i e v es i m u l a t i o nr e s u l t sm o r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a lp u r p o s eo ft h ep a r a m e t e r sa n dt h e i m p a c to ff i r e si nm o r ed e t a i l o ft h es i m u l a t i o np r o c e s su s e di nt h ef d ss o f t w a r ea n d f o r t r a n 7 7 l a n g u a g e ，h a v ea l s od o n eam o r ed e t a i l e de x p l a n a t i o n i na d d i t i o n ，f o c u s i n g o nt h et t m n e lw h e nt h ef i r et e m p e r a t u r e ，h e a tr e l e a s er a t e ，s m o k ea n dd u s to ft h ev e r t i c a l a n dh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r e ，h e a tr e l e a s er a t e ，s m o k ea n dd u s to v e rt i m e ，a s w e l la st h ec h a n g e so ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h ef i r e ，h e a tr e l e a s er a t e ，s m o k et h es p r e a do f t h e as l i c eo ft h em o d e lt od e a lw i 饥y o uc a l lv i e wr e a l - t i m ed y n a m i c so ft h et u n n e lo ra n y p o i n ti nt h ep a r a m e t e rp l a n e k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ；f i r e ；s i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；h e a tr e l e a s er a t e 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：锨应指导老师签 日期：研石肟 日期n 1 。反形 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本论文主要创新点如下： 1 实现了通过计算机对隧道火灾扩散的仿真。 2 消除了由于长方形体堆砌形成的锯齿状对气流的影响。 学位论文作者签字：张岩 日期：汐罗厝 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 随着国民经济的迅速发展，公路建设规模日益扩大，带动并促进了公路隧道建设。 据统计，1 9 7 9 年，我国公路隧道通车里程仅为5 2k m 3 7 4 座：1 9 9 3 年，我国公路隧 道通车里程超过1 3 6k m 6 8 2 座：2 0 0 3 年，我国公路隧道通车里程己达7 0 4k m 1 7 8 2 座。据统计，我国现在已经成为世界上公路隧道规模最大和里程最长的国家馏1 。但是 随着隧道工程的日益增多，行车速度和行车密度日益加大，隧道灾害时有发生，其中 火灾是比较严重的，火灾不但对衬砌造成破坏，还影响人员的安全疏散，往往造成灾 难性事故，损失惨重。 由于交通事故或车辆起火，酿成隧道火灾并造成伤亡的例子国内外均很多，较近 的有：1 9 9 6 年英国一法国的c h a n n e lt u n n e l ( 铁路隧道) 火灾，1 9 9 9 年法国一意大利 的m o n tb l a n c ( 公路隧道) 火灾：2 0 0 1 年瑞士的g o t t h a r d ( 公路隧道) 火灾：我国1 9 9 3 年西延线蔺家川铁路隧道火灾：2 0 0 2 年浙江猫钾岭公路隧道火灾。因此，对隧道内发 生的火灾进行分析、总结和模拟具有十分重要的意义。火灾的仿真，就是研究火灾在 一定条件下孕育、发生和发展的机理与规律。模拟研究的理论基础是承认火灾过程遵 循确定性的规律，这种规律既可以在模拟实验中再现，也可以抽象成控制火灾过程的 数学表达式( 微分方程或代数方程) 。 火是一种产生物理效应的化学反应。火灾是失去控制的灾害性的燃烧现象，是 发生最频繁且极具毁灭性的灾害之一。火灾造成的直接损失约为地震的5 倍，仅次 于干旱和洪涝，而发生的频率却居于各种灾害之首凹3 。火灾的孕育、发生、发展和蔓 延的过程包含了流体流动、传热传质、化学反应和相变，涉及质量、动量、能量和化 学成分在复杂多变的环境条件下相互作用，其形式是三维、多相、多尺度、非定常、 非线形、非平衡态的动力学过程，因此进行火灾的相似实验模拟必然具有一定的难度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电子计算机的出现，为人们认识火灾规律提供了新的方法。近几十年来，计算机 模拟成为火灾研究中的重要内容之一，一些有效的数学分析和数理统计方法引入到了 火灾科研体系之中。通过使用计算机这一强有力的工具，使得火灾过程的理论模型能 够应用于火灾科学的研究和实际的火灾安全工程。火灾过程的计算机模拟是在描述火 灾过程的各种数学模型的基础之上进行的，它试图从工程科学的角度出发，分析研究 火的发生、发展，烟气的蔓延以及火灾对周围环境乃至大气环境的影响。与烟气运动 直接相关的火蔓延过程，其计算模拟理论已经走过了从统计模型到经验性模型再到物 理模型的科学发展历程。统计模型只对火灾实验进行统计描述；经验性模型则基于能 量守恒原理建立火灾系统的数学描述，但不考虑火灾过程中的动态的传热传质过程； 物理模型则要详细考虑控制火灾过程的热传导、热对流、热辐射、可燃物热解、质量 输运和着火过程。 总体说来，火灾模型包括不确定性模型和确定性模型两大类。不确定性模型把火 灾看成一系列连续出现的状态( 或事件) ，而由一种状态转变到另一种状态有一定的 概率；通过这种概率的分析计算，可以得到出现某种结果状态的概率分布。不确定性 模型主要包括统计模型和随机模型。而出于定量分析和计算的需要，火灾过程的确定 性模型更受关注。 1 - 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外在公路隧道火灾扩散仿真研究方面做了大量的工作。现在简单的介绍一下其 研究成果。 j a m e s 等口- 7 3 对高温下混凝土构件内温度变化，气压等采用有限元法及有限容积 法进行了分析，取得了较好的效果。1 9 9 7 年麻省理工学院和伯克利加州大学联合开 发了钢筋混凝土框架结构在火灾中反应的分析软件，该软件由热反应分析模块 f i r s t t 和结构反应分析模块f i r s t r c 构成随一1 ，可分析单一材料或复合材料的温 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 度场。1 9 8 2 年，a n d e r b e r g 和f o r s e n 在对平板条和柱进行详细的分析和试验研究的 基础上，开发了温度场分析程序t a s f e r - 2 及结构反应程序c o n f i r e 1 0 3 。1 9 8 8 年， t t l i e 开发了钢筋混凝土柱耐火分析程序f r c p 。该程序由温度分析模块和结构分析 模块构成。温度分析模块采用有限差分法，因而使用范围有限口1 | 。瑞典国家实验室 研究院推出了火灾下建筑构件内温度场分析程序t a s e f ，具有良好的前后处理系统， 已经用在了一些科研，设计及教学活动当中n 引。新西兰建筑研究协会1 9 9 1 年提出第 8 号技术建议( t r 8 ) ，其中提出了分析钢筋混凝土楼板抗火性能的计算方法，可计 算各个时刻构件内温度场，根据构件内温度场计算梁及楼板的耐火时间，从而确定是 否满足火灾安全要求n 3 31 9 9 4 年以来，英国谢非而德大学德z t t h u a n g 和n a j j a r 等 陆续开发了温度场分析程序f p r c b e t ，钢结构抗火分析程序v u l c a nn “，二维混凝土 构件耐火分析程序f p p r c m - s 5 i ，这几个程序联合起来，可以对钢筋混凝土梁，柱， 连续梁，以及钢结构在火灾中的热反应及结构反应进行较好的模拟。1 9 9 8 年，英国 帝国大学的j t e r r o 在伦敦大学的应力分析软件l u s a s 的基础上，开发了钢筋混凝土 构件在火灾中反应分析软件s t r u c t 。s t r u c t 由构件内温度场分析模块和结构反应分 析模块构成，提供了三结点三角形和四结点四边形两种单元n 的。比利时列日大学的 j m f r a n s s e n 主持开发了软件s a f i r ，具有火灾下建筑构件内温度场分析和结构反应 分析的功能。温度场分析功能包括火灾下建筑构件内二维和三维瞬态温度场分析，具 有两种二维单元和三维单元，可以考虑混凝土的水分蒸发已经封闭空间内的热辐射 n 7 。近些年，开发了建筑结构火灾反应分析程序s t r u f i r e 1 8 j 们s t r u f i r e 由热分析 模块，结构分析模块以及前后处理模块构成，可以计算火灾下建筑构件内二维温度场， 三维温度场，钢筋混凝土结构的内力，变形，开裂，钢框架结构的内力，变形等等。 f p e t o o l 由“f i r ep r o t e c t i o ne n g i n e e r i n gt o o l s ”缩写成的，是美国标准与技术研 究院n i s t 建筑与火灾研究所开发的一种专家系统工具模型本模型主要使用一些成熟 的经验公式来描述建筑火灾的多个分过程。如起火室内羽流的温度和速度，顶棚射流 的温度，通过开口的质量流率，火灾探测器与洒水喷头的响应时间等，尽管这种就算 结果还比较粗糙，但是由于方便易行，因此适宜在火灾安全检查和火灾危险初步评估 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时使用。 其他国家也开发出一些类似的梦想。如丹麦火灾研究所所编制的a r g o s 模型， 它具有很好界面形式，在北欧国家中有较大影响。 a s e t 是由“a v a i l a b l es a f ee g r e s st i m e ”等英文单词的首字母组成的，其 含义是有效安全疏散时间计算程序。它也是由美国n i s t 开发的。该模型是一个用于 计算门窗关闭的单个房间内热烟气层温度和高度的模型，a s e t - b 模型是a s e t 模型 的简化版本，它具有与a s e t 基本相同的功能。该模型可以用来预测起火房间内人员 生命和财产开始受到伤害的时间。运行该模型时，要求输入的参数为热损失系数，的 卖弄的燃料高度，火灾危险性和探测的标准，房间顶棚的高度，房间地面的面积，火 灾燃烧的热释放速率和火灾发生的概率。模型的输出为热烟气层的温度、高度和代表 组分的浓度随时间的变化值，以及火灾事故发生和被探测到的时间。 h a r v a r d v 模型是由美国哈佛大学埃蒙斯和密特勒等开发的单室区域模型。 f i r s t 模型是美国n i s t 在h a r v a r d v 的基础上发展而成的。它可以计算在用户设 定的引燃条件或设定的火源条件下，单个房间内火灾的发展情况，可以预测多达3 个物体被火源加热和引燃的过程。使用该模型时用户首先需要输入房间的几何尺寸火 灾和开口条件、壁面结构和房间内可燃物的热物参数，同时还要输入炭黑和毒性气体 的生成速率。设定火源时，用户可以输入质量燃烧速率，也可以只输入燃料燃烧性能 的基础数据，由程序计算火灾的增长。模型的的预测结果包括烟气层的温度和厚度、 烟气的成分和浓度、壁面的温度以及通过开口的眼球质量流率。 c f a s t 模型是美国n i s t 开发的区域式计算多室火灾与烟气蔓延的程序。该模型 主要是由早期的f a s t 模型发展而来，它还融合了n i s t 开发的另一个火灾模型c c f m 中先进的数值计算方法，从而使程序运行更加快速、稳定。前些年，在美国n f p a 的 支持下，n i s t 将c f a s t 模型和火灾探测模型d e t e c t , 人员承受极限模型t e n e b 及 人员疏散模型e x i t t 组合起来，形成功能更健全的h a z a r d 1 模型。这一梦想曾一 度受到人们的普遍关注。c f a s t 是h a z a r d 1 模型的核心程序，替他几个子模型都 以c f a s t 的计算结果为基础，进行一些专门的计算。此后，c f a s t 本身仍在继续发 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 展和完善，并形成一批新版本，因此人们经常单独使用该程序进行火灾过程的模拟计 算。 c f a s t 可以用来预测用户设定火源条件下建筑内的火灾环境。用户需要输入建 筑内对各房f 司的几何尺寸和连接各房间的门窗等开口情况、壁面结构的热物性参数、 火源的热释放速率或质量燃料速率以及燃烧产物的生成速率。该模型可以预测各有关 房间内上部烟气层和下部空气层的温度、烟气层界面位置以及代表性气体浓度随时间 的变化。 j a s m i n e 是英国火灾研究站( f i r er e s e a r c hs t a t i o n ，f r s ) 在设计流体动力学模 型p h o e n i c s 的基础上开发出来的，专门用于火灾过程场模拟计算的模型，它采用 了湍流双方程模型和简单的辐射模型。用户需要输入关于火源状况、边界的热物性参 数、通风条件，通过求解关于质量、动量、能量和代表化学组分守恒的偏微分方程组， 得到火灾环境中的温度、速度、压力和代表化学组分的空间分布及随时间的变化。 f d s ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) 是美国n i s t 开发的一种场模拟程序，其第一版 在2 0 0 0 年1 月发布，很快便受到人们的重视；2 0 0 1 年8 月发布了第2 版；2 0 0 2 年 1 2 月又发布了第3 版。这是该程序目前常用版本。f d s 采用数值方法求解一组描述 热驱动的低速流动的n a v i e r - s t o k e s 方程，重点计算火灾中的烟气流动和热传递过程。 可用于烟气控制与水喷淋系统的设计计算和建筑火灾过程的再现研究。新版本在燃烧 与辐射模型、初始条件与边界条件的设置等方面均有较大改进。 该模型中包括两大部分。第一部分简称f d s ，是求解微分方程的主程序，它所需 要的描述火灾场景的参数需要用户创建的文本文件提供；第二部分称s m o k e v i e w ， 是一种绘图程序，人们可用它查看计算结果。 b f s m 模型是一个用来评估住宅式建筑内的火灾发展、燃烧产物的蔓延以及人员 疏散行为3 者之间相互关系的模型。这个模型是一个概率模型，所以它不是用一组描 述物理过程的数学表达式表示的，而是由一组火灾状态向另一组状态转换的规则组 成。运行此模型要求输入以下参数：建筑物的几何结构、建筑物内物品的燃烧特性和 人员的位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 2 国内研究现状 虽然我国在火灾扩散仿真研究方面起步较晚，但是至今也取得了很多的成果，如 杨其新等在文献中以长大双洞公路隧道火灾模式下横通道风流为主，研究了火灾时双 洞隧道内不同风水组合，横通道风速的变化，并将研究成果应用于秦岭终南山特长公 路隧道防灾工程。冯炼在文献中较全面地了解隧道火灾特性和烟气发展规律，从而研 究出控制火灾危害的有效措施，为隧道紧急通风设计提供了理论依据。王婉娣在文献 中建立了一种描述公路隧道发生火灾时的烟气流动和传热过程的场模型，借助 s i m p l e 算法进行数值计算，并运用该方法模拟了某试验隧道内进行的不同通风风速 下的火灾实验，在其计算结果的基础上，分心了速度场、温度场，总结出隧道火灾的 发展状况及分布特点。邵钢在文献中通过应用一种有矩形方块拟合圆弧墙或斜线墙的 算法来实现非规划边界隧道建模，并通过实现与d x f 文件的接口来简化建模过程， 大大改善了软件的可操作性能，最后给出了用该软件对非矩形边界隧道火灾的数值模 拟应用。通过编制可视化软件并集成了非规划边界隧道建模算法，简化了隧道火灾仿 真的建模操作，可以很好的解决隧道火灾仿真问题。另外，李先庭等建立了场模型模 拟地铁隧道的烟气流动。朱颖心等开发了隧道网络烟气模拟程序( t u n n e ln e t w o r k f i r e ) ，在此基础上研制了一套地铁热环境模拟分析软件s t e e s s ，对天津地铁，深圳 地铁进行了数值模拟。舒宁等采用了c f d 的a n s y s 软件对公路隧道的火灾通风进行 仿真，研究火灾时烟气在隧道内的流动状况，模拟中火源简化为中心温度为1 0 0 0 k 的高温点，未考虑火灾的动态特性。哈尔滨工程大学与香港理工大学的学者利用c f d 模拟了隧道火灾的烟气特性，并比较了大涡模拟( l e s ) 与二方程紊流模型的计算结 果。研究表明，相对于模型，l e s 可以更好的模拟火灾时的烟气回流及隧道断面的热 分层现象，但是l e s 对烟气温度的模拟计算结果大大高于实验数据。 1 3 结论与展望 综上可以看出，虽然公路隧道火灾研究已经取得了骄人的成绩，为隧道火灾的预 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 防与控制提供了科学的依据，但是目前对于隧道火灾的模拟研究仍然处于一个发展摸 索阶段。由于公路隧道的多样性和隧道火灾的复杂性，使得各类研究往往具有一定的 针对性。在对隧道火灾的各类研究方法中，也存在着较大的差异，其中，场模拟、区 域模拟与网络模拟所得到的结果有着较大的区别，对火灾烟气的流动模拟也存在着各 种不同的数值模型。另外存在各类不同的数值模拟软件如f l u e n t 、a n s y s 、p h o e n i c s ， f d s 等，它们对隧道火灾的模拟也具有一定的差异。在各种数值模拟计算中，往往对 隧道模型采用一定的假设和应用各种简化条件，如对火灾火源的简化、隧道壁的简化 等等，从而导致隧道火灾模拟的结果与实际有一定的偏差。同时在各种数值模拟计算 过程中，受到计算机运算能力的限制，使得各种数值模拟计算过程需要一定的运算时 间。 近年来公路隧道火灾数值模拟的发展趋势主要表现在提高各种网格划分技术和 改进带浮力修正的一双方程紊流模型，以及解决使用各种商业软件对隧道进出口边界 及火源条件设置、后期形象生动地表达模拟结果等问题，解决对临界风速的确定和选 取问题，从而提高模拟精确度和准度，指导实现救灾防灾，将隧道火灾研究成果应用 到其它地下工程火灾模拟等等。随着模拟技术的进步，隧道火灾的数值模拟向着能够 提供快速准确火灾情况、提供防灾救灾指导的方向发展。 1 4 论文研究的内容和主要思路 1 4 1 论文研究的内容 本文系统的阐述了火灾的产生和扩散，边界条件的选取、有限元的划分、各项参 数的选取以及对结果的影响等等，并通过有限元程序对公路隧道火灾进行仿真研究， 做到公路隧道火灾的每个时刻都能有据可查。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 2 主要思路 在分析研究过程中，本文主要按照如图1 1 的技术路线展开，以便使研究思路和 脉络清晰。 图1 - 1 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章隧道内火灾的特性及数学模型 2 1 火灾的分类 可燃物与氧化剂作用发生的发热反应，通常伴有火焰、发光和发烟现象，称为燃 烧。在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，称为火灾。火灾可以从不同的角 度进行分类。 2 1 1 按燃烧对象分类 1 a 类火灾 普通固体可燃物燃烧引起的火灾。 ( 1 ) 固体物质是火灾中常见的燃烧对象。木材及木制品、纤维板、胶合板、纸张、 纸板、家居；棉花、棉布、服装、被褥、粮食、谷类、豆类等，种类及其复杂。 ( 2 ) 固体物质燃烧过程非常复杂，一般可分为四类燃烧模式。 熔融蒸发式燃烧例如：蜡。这类物质在火灾中首先被加热融化为液体，继 续加热变为蒸气，该蒸气与空气进行燃烧变成产物。 升华式燃烧例如：萘。这类物质在火灾中直接加热成蒸气，蒸气与空气燃 烧成产物。 热分解式燃烧例如：木材、高分子化合物。这类物质在火灾中被加热，发 生热分解，释放出可燃的挥发物，挥发物与空气进行燃烧变成产物。 表面燃烧例如：木炭、焦炭。这类物质在燃烧室，空气中的氧扩散到固体 的表面或内部空隙中，与表面的炭直接进行燃烧，变成产物。大多数固体物质是热分 解式燃烧。 ( 3 ) 固体物质火灾危险性差别很大，评定是要从多方面进行综合考虑。其主要理化 参数有熔点、自燃点、比表面积、氧化特性、密度、导热性、热惯性等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 2 b 类火灾 油脂及一切可燃液体引起的火灾。 ( 1 ) 油脂包括原油、汽油煤油、柴油、重油、动植物油；可燃液体主要有酒精、苯、 乙醚、丙酮等各种有机溶剂。原油罐、汽油罐是b 类火灾的重点保护对象。 ( 2 ) 液体燃烧室液体蒸气与空气进行的燃烧。液体在火灾中受热首先变成蒸气，蒸 气与空气燃烧变成产物。轻质液体的蒸发纯属相变过程，重质液体蒸发时还伴随有热 分解过程。原油罐火灾的喷溅和轻质可燃液体的蒸汽云爆炸，是b 类火灾中的两种 特殊燃烧现象，破坏极其严重。 ( 3 ) 评定可燃液体火灾危险性的理化参量是闪点。闪点小于2 8 0 c 的可燃液体属甲 类火险物质，例如：汽油。闪点大于及等于2 8o c ，小于6 0o c 的可燃液体属乙类火险 物质，例如：煤油。闪点大于及等于6 0o c 的可燃液体属丙类火险物质，例如：柴油、 植物油。5 0 0 - 6 0 0 白酒，虽然其闪点小于2 8o c ，但考虑到白酒中含有水分以及某些 实际问题，而归于丙类火险物质。某些可燃液体的闪点见下表： 表2 1 可燃物特性 序号物质名称含c 数含h 数含0 数分子量纯度密度沸点闪点p c ( g c r n 3 ) o c 1 0 1 3 k p a l正戊烷41 2o7 2 2化学纯0 6 2 6 23 6 1 6 0 2正乙烷61 40 8 6 2化学纯0 6 5 9 46 8 72 5 5 3正庚烷 71 6 o1 0 0 2化学纯0 6 8 3 79 8 4- 4 4 乙醇 2614 6 0 7化学纯 0 7 8 9 37 8 4 1 4 5丙酮3 6 l5 8 0 8化学纯0 7 8 7 95 6 5- 1 9 6乙酸甲酯3627 4 0 8 化学纯 0 9 2 85 71 1 5 7 苯 6 6 o 7 8 1 1分析纯0 8 7 98 0 11 4 87 0 号车用- 4 1 5 ， 汽油 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 c 类火灾 可燃气体燃烧引起的火灾 ( 1 ) 按可燃气体与空气混合的时间，可燃气体分为预混燃烧和扩散燃烧。可燃气体 与空气预先混合好后的燃烧称为预混燃烧。可燃气体与空气边混合边燃烧称为扩散燃 烧。预混燃烧由于混合均匀，燃烧充分、完全，不产生炭粒子，燃烧速度快。失去控 制的预混燃烧会产生爆炸，这是c 类火灾最危险的燃烧方式。扩散燃烧由于是边混 合边燃烧，混合不均匀，燃烧不充分、不完全，会产生炭粒子，火焰呈黄色，燃烧速 度受混合快慢及混合比例控制。 ( 2 ) 可燃气与空气组成的混合气体与火源能发生爆炸的可燃气最低含量( 用体积分 数表示) 称为爆炸下限；可燃气与空气混合与火源能发生爆炸的可燃气最高含量( 用 体积分数表示) 称为爆炸上限。爆炸下限和上限合称爆炸极限。可燃气的火灾危险性 用爆炸下限进行评定。爆炸下限小于1 0 的可燃气为甲类火险物质，例如：氢气、乙 炔、甲烷等；爆炸下限大于或等于1 0 的可燃气为乙类火险物质，例如：一氧化碳、 氨气、某些城市煤气。应该指出，绝大多数可燃气都属于甲类火险物质，极少数才属 于乙类火险物质。可燃气的爆炸极限如下表 表2 2 可燃气的爆炸极限 化学物质爆炸极限( 体积分数)化学物质爆炸极限( 体积分数) 下限上限下限 上限 氨气 1 52 8乙炔2 51 0 0 硫 2 0 乙醛 4 0 6 0 乙硼 0 8 8 8苯胺1 28 3 乙烷 1 27 4 庚烷 1 0 5 6 7 汽油 1 37 1 汽油 1 27 1 1 0 0 1 3 01 1 5 1 4 5 乙烯2 7 3 6 氯化铵 1 68 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 4 d 类火灾 可燃金属燃烧引起的火灾 ( 1 ) 锂、钠、钾等由于它们处于薄片状、颗粒状或熔融状态时很容易着火，称 它们为可燃金属。可燃金属燃烧引起的火灾之所以从a 类火灾中分离出来单独作为d 类火灾，是因为这些金属燃烧时，燃烧热很大，为普通燃料的5 - 2 0 倍，火焰温度很 高，有的甚至达到3 0 0 0 。c 以上；并且在高温下金属性质特别活泼，能与水、二氧化 碳等发生化学反应，使常用灭火剂失去作用，必须采用特殊的灭火剂灭火。某些金属 的燃烧热见下表 表2 - 3 金属燃烧热 名称氧化生成物燃烧热值名称氧化生成物燃烧热值 ( k j k g ) ( k j k g ) 钾 k 2 0 1 8 1 6 0 0铁 f e 2 0 34 0 8 4 0 0 钠n a 2 0 2 1 0 9 0 0钴c o o 2 4 0 6 0 0 锂 l i2 01 3 1 4 0 0 镍 n i o2 4 4 3 0 0 钙 c a o6 3 6 4 0 0锌z n o3 4 7 3 0 0 镉 c b o2 6 0 7 0 0金 a u 2 0 22 5 9 0 0 镁 m g o 6 1 0 0 0 0锑 s b 2 0 3 3 4 1 0 0 0 铜 c u o1 3 8 1 0 0银 a 9 2 0 1 3 8 0 0 铝a l ：0 3 8 2 3 0 0 0 汞 h g o 8 9 9 0 0 锶 s r o5 9 5 0 0 0铅p b o2 2 0 5 0 0 ( 2 ) 作为建筑构件支撑的钢筋、铝合金框架虽然在火灾中不会燃烧，但受高温 作用后强度减低很多。钢材在5 0 0 。c 时，抗拉强度要降低5 0 左右，铝合金则几乎失 去抗拉强度。这是建筑火灾扑救时应引起严重注意的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 1 2 按火灾严重程度分类 1 特大火灾 死亡1 0 人以上( 含1 0 人) ，重伤2 0 人以上；死亡、重伤2 0 人以上；受灾5 0 户以上；烧毁财务损失1 0 0 万元以上。 2 重大火灾 死亡3 人以上( 含1 0 人) ，重伤1 0 人以上；死亡、重伤1 0 人以上；受灾3 0 户 以上；烧毁财务损失3 0 万元以上。 3 一般火灾 不具备重大火灾的任一指标，为一般火灾。 2 2 火灾的扩散模式 火灾燃烧是一种放热的氧化还原反应，这一反应比较快的速率进行，以至能释放 出可以察觉到的热和光。火灾燃烧分为两种类型，有焰燃烧和炙热燃烧( 无焰燃烧) 。 前者是气相燃烧，燃料和氧化剂都是气态，后者是固态燃料表面在气态氧化剂中的燃 烧( 气态氧化剂通常指的是空气中的氧) 。几乎所有具有破坏性的火灾都是有焰燃烧。 炙热燃烧可以单独存在，但是其同时伴随着火焰也并非少见，如床垫或成堆的锯屑末 的阴燃火灾都属于炙热燃烧火灾( 常常造成大范围的损害) ，用于野餐的木炭火也属 于这种情况。许多具有破坏性的有焰燃烧火灾都起源于小的炙热燃烧。 发生火灾必须具备以下几个条件： 1 必须存在可燃物。 2 氧化剂( 如空气中的氧) 必须充足。 3 必须有点火源。 4 燃烧和氧化剂必须在一个可持续的连锁反应体系中进行反应。 上面列出的前3 个要素很长时间以来被称为火灾三角形。为了维持燃烧。可燃物 要有一定的数量。由于不同的可燃物有不同的着火点，所以不同的可燃物需要的点火 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 能量也是不一样的。点火能量可能是外部点火源提供的，也可能是可燃物自身产生而 引发的火灾，前者称为点燃，后者称为自燃。但是，如果要使燃烧( 自燃) 能持续进 行，第四个要素也必须存在。物质经过激烈的燃烧产生o h 一，o 一，h 一等活性基团，这些活 性基团也参与燃烧并产生更激烈的燃烧，这就是火灾的第4 个要素。4 个要素及其相 互作用构成一个燃烧四面体，尽管这些条件是显而易见的。但有时在缺乏燃料的光水 泥板上也有燃烧现象，也有缺少点火源的燃烧现象。总而言之，上述这种简单的燃烧 方式并不是罕见的。我们应该知道，4 种要素去掉任何一个都会导致燃烧熄灭，但根 据点燃机理，点燃的燃烧初始点以及燃烧的来源并非一眼就能看出来。因此，我们在 研究火灾发生的问题时，对所有的要素都要进行仔细的分析。 防火，灭火实质上就是破坏燃烧三角形和燃烧四面体。可燃物以气态，液态和固 态3 种形态存在。如果可燃气体和空气在燃烧前己发生混合，成为预混燃烧；如果两 者边混合边燃烧，成为扩散燃烧。液态和固态是凝聚态物质，在收到外界加热的情况 下，液态蒸发成可燃蒸汽，固态发生热分解( 熔化，蒸发) 析出可燃气体，进而发生 气相扩散燃烧。由上可见，或在对凝聚态物质来说，受热后经蒸发或热解产生可燃气 体( c o ，h 2 ) ，较大的分子团，灰烬和未燃烧的物质颗粒，还产生粒子直径为0 0 1 - - 1 0 0 pm 的液态和固态微粒，称为烟雾。 建筑火灾最初发生在建筑物内的某个房间或局部区域，然后蔓延到相邻房间或区 域，最后扩展到整个建筑物和相邻建筑物，因此，建筑火灾一般是在某个受限制空间 内进行的。在室内火灾中，初始火源大多数固体可燃物起火。固体可燃物在合适强度 的热源或内部自然作用下，固体可燃物先发生阴燃。阴燃是物质无可见光的缓慢燃烧， 通常表现为产生可燃气体，烟雾和温度升高的现象。随着温度的升高，热分解速度加 快，可燃气体的浓度加大，当浓度和温度( 或遇到明火) 达到一定值时，阴燃向有焰 燃烧转变，于是出现明火。 明火出现后，燃烧速率大大加快，放出的热量迅速增多，在可燃物上方形成温度 较高，不断上升的火焰羽流。周围的空气受到卷吸作用不断进入羽流内，并与羽流内 原有的气体混合，使得向上运动的羽流随着高度的增加质量流量不断增加，而其平均 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 温度不断降低。羽流达到房间顶棚后便向四周扩散开来，形成沿顶棚表面平行流动的 薄热烟气层，这个过程称为顶棚射流。顶棚射流向外扩展的过程中，也卷吸下方的冷 空气，使得顶棚射流的质量增加，温度降低，但向外扩展的速度远低于羽流的速度， 流射厚度增加不快。顶棚射流遇到墙壁后，沿墙壁转向下流，由于烟气温度较高，下 流不长距离后便转向上浮，这是一种反浮力壁面射流。重新上升的热烟气先在墙壁附 近积聚起来，达到一定厚度时，又慢慢向室内中部扩展，随着火灾的发展，就会在顶 棚下方形成逐渐增厚的热烟气层，且热烟气层的温度越来越高。这一点对于确定火灾 探测十分重要。 根据室内火灾温度时间变化的特点，将火灾发展过程分为3 个阶段：初起阶段， 发展阶段和熄灭阶段。 1 初起阶段 火灾后，最初只是起火部位及其周围可燃物着火燃烧，这时火灾好像是在敞开空 间里燃烧一样。这种局部燃烧形成之后，由于可燃物数量不多，烧完后自行熄灭；或 者受通风供氧条件的支配，以很慢的燃烧速度继续燃烧；如果有足够的可燃物质，又 有良好的通风条件，则火灾迅速发展到整个房间，是室内火灾进入到猛烈燃烧的发展 阶段。 初起阶段的特点是火灾燃烧范围不大，室内平均温度较低，火灾蔓延速度较慢， 此时是灭火的最有利时机，应争取在此期间内，尽早发现火灾，及时扑灭火灾，达到 起火不成灾的目的。 2 发展阶段 在火灾初起阶段后期，火灾范围迅速扩大，当火灾房间温度达到一定值时，积聚 在房间内的可燃性气体突然起火，使整个房间都充满火焰，房间内所有可燃物表面部 分都卷入燃烧之中燃烧很猛烈面温度升高很快。这种房间内由局部燃烧向全室性燃烧 过渡的现象称为轰燃。轰燃式室内火灾最显著的特征之一，它标志火灾发展阶段的开 始。人们若在轰燃之前还没有从室内逃出，则很难幸存。轰燃发生后，房间内所有可 燃物都在猛烈燃烧，放热速度很大，室内温度急剧上升，并保持持续高温，室内最高 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 温度可达1 1 0 0 c 左右。火焰，高温烟气从房间的开口大量喷出，把火灾蔓延到建筑 物的其他部分。室内高温还对建筑物构件产生热作用，使建筑物构件的承载能力下降， 甚至造成建筑物局部或整体倒塌的现象。 3 熄灭阶段 在火灾发展阶段后期，随着室内可燃物的数量的不断减少，其挥发物质也不断的 减少，火灾的燃烧速度递减，温度逐渐下降。当室内平均温度降到最高温度的8 0 时， 则认为火灾进入熄灭阶段。随后，室内温度明显下降，直到把房间内的全部可燃物烧 光，室内外温度趋于一致，才宣告火灾结束。 可燃物液体( 及热融塑料) 火灾的温升速率很快，在相当短的时间内，温度可达 到1 0 0 0 。c 。着火区面积不变，即形成固定面积的池火，则火灾基本上按正常速率燃 烧。若形成流淌火，燃烧强度将迅速增大。这种火灾几乎没有多少探测时间，供初期 灭火的时间也很有限，加上室内迅速出现高温，极易对人和建筑物造成严重危害。因 此防治和扑救这类火灾还应采取一些特别的措施。若储油罐发生火灾，由于火焰在油 层深度方向的热辐射，热对流以及通过罐壁和油层的热传导，使油品下部的积水层逐 渐达到沸腾，燃烧着的油品从储油罐中喷溅出来，形成巨大的火柱，这就是扬沸现象。 扬沸使得火灾迅速蔓延，造成巨大的损失，因此，发生火灾时，应该设法防止这种现 象的发生。 火灾对建筑物结构造成危害的原因 火灾对建筑物结构造成危害的原因是火灾产生的高温。火场可燃物燃烧产生的热 量通过对流，辐射传到构件表面，再通过热传导，向构件内部传递，导致整个构件内 温度不均匀升高。构件温度不均匀升高将产生三个方面影响：首先，高温会使材料弹 性模量降低，结构刚度下降；其次，高温使材料强度降低，甚至熔化，导致结构承载 能力下降；再次，构件内部不均匀升温，使构件内部及整个结构中产生不均匀热膨胀， 从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。这三方面共同作用的结果是建筑 构件变形、开裂、屈曲、破坏，甚至局部或整体倒塌。以上这些现象，在实验室以及 火灾现场都能够发现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 建筑结构在火灾中严重破坏或倒塌产生的严重后果可以归纳为三点：首先是直接 威胁建筑内部人员的生命，同时严重威胁消防人员的生命；其次是给抢救建筑内部的 财产造成巨大的困难；再次是延长结构恢复周期。为了避免出现这些严重后果，必须 对建筑结构火灾反应进行系统研究，搞清建筑结构火灾反应规律，合理进行火灾安全 设计，使建筑结构具有适当的安全水平。目前我国建筑结构耐火设计采用的基于规范 的处理方式方法有很多不足，理想的方法是采用基于计算的性能化设计方法。其中， 构件内温度场分析处于承上启下的位置，具有重要的意义。 2 3 火灾危险源 2 3 1 火灾危险源的定义 在安全工程学领域，危险源的辨识与控制是一门重要的学科，世界上许多国家开 展了深入研究。就危险源定义而言，学术界有比较统一的认识，即危险源是各种事故 发生的根源，是指可能导致事故从而造成人员伤亡和财产损失等危害的潜在的不安全 因素。该定义包括四个方面的涵义： ( 1 ) 决定性。事故的发生以危险源的存在为前提，危险源的存在是事故发生的基础， 离开了危险源就不会有事故。 ( 2 ) 可能性。危险源并不必然导致事故，只有失去控制或控制不足的危险源才可能 导致事故。 ( 3 ) 危害性。危险源一旦转化为事故，会给生产生活带来不良影响，还会对人的生 命健康、财产安全以及生存环境等造成危害。如果不能造成这些影响和危害，就不能 称之为危险源。 ( 4 ) 隐蔽性。危险源是潜在的，一般只有当事故发生时才会明确的显现出来。人们 对危险源及其危险性的认识往往是一个不断总结教训并逐步完善的过程，对于尚未完 全认识的现有和新危险源，其控制必然存在隐藏的缺陷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3 2 危险源分类 从危险源的定义可以看出，危险源是相对于事故而言的，探究危险源的目的是为 了更好地防止事故发生。随着科学的进步，人们对事故发生原因、事故发生过程以及 如何防止事故发生不断提出许多理论进行阐释，形成了系统性的事故致因理论。根据 事故致因理论中的能量意外释放论，危险源可以分为两类。第一类危险源是事故发生 的前提，它是导致事故造成危害的能量主体，并且决定危害的严重程度；第二类危险 源是第一类危险源导致事故的必要条件，决定了事故发生可能性的大小。两类危险源 的危险性共同决定了危险源的系统危险性。 结合火灾事故发生、发展的客观规律，由危险源的定义、分类及其同事故的关系 作进一步推导，可以看出火灾危险源属于安全工程学所称危险源中的一种，它是以热 能、化学能等能量失去控制释放( 或交换) 而造成危害为主要表征的一类危险源。它 同样也可以分为两类： 第一类危险源包括可燃物、火灾烟气及燃烧产生的有毒有害气体成分； 第二类危险源是为了防止火灾发生、降低火灾危害所采取的措施中存在的缺陷。 2 3 3 火灾危险源的危险性 1 第一类火灾危险源的危险性 可燃物的存在是火灾发生的根本原因，没有可燃物就不会发生火灾。由于可燃物