（热能工程专业论文）开口小空间火灾流场特性.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 单室火灾一直是建筑火灾研究的重点。作为受限空间，单室火灾的发生、 发展，烟气的聚集、蔓延以及火焰的形状、蔓延都具有与敞开空间完全不同 的特性。室内火灾的场模拟理论研究正处在以某些主要影响因素为主，逐步 积累成果向全面影响因素发展的阶段。 本论文运用火灾模拟软件f d s 对i s 0 9 7 0 5 标准房间火灾进行了模拟研 究。首先给定不同的液体可燃物，结果表明：燃烧表面积是影响热释放率的 主要因素，在用f d s 软件模拟液体可燃物燃烧时，在室内达到轰燃状态之前， 燃烧表面积设定越大，单位面积的热释放率越稳定，保证这样的条件下，模 拟结果更为可靠。然后对远离火源处( 即开口处) 流场进行模拟，并与试验 结果作比较，结果表明：模拟得到的温度和速度变化趋势与试验测量的结果 基本一致，符合理论结果；应用f d s 软件模拟达不到试验测得的最大温度和 最大速度，但误差较小，并不影响软件在工程上的适用性。相同条件下改变 火源热释放率，可以看出，随着热释放率地增大，温度、速度相应增大，则 压力分层越快，流场稳定也越快，中性面的高度逐渐降低。将模拟结果与理 论计算的结果比较，表明中性面下降趋势正确。 本论文研究的主要内容为单室火灾中远离火源( 开口) 处的流场变化， 为考察整个单室内的流场变化提供了相关参考，并且对用f d s 软件模拟开口 小空间场景进行了深入的探讨和实践。 关键词：单室火灾；中性面；f d s ；热释放率；液体可燃物 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t c o m p a r t m e n tf i r e ss t u d ya l w a y sc o n s t r u c t st h ek e yp o i n ti nt h er e s e a r c ho f b u i l d i n gf i r e s b e c a u s eo ft h el i m i t e ds p a c eo fac o m p a r t m e n t ，t h ef i r eo c c u r s ，i t s d e v e l o p m e n t ，t h eg a sg a t h e r s ，s p r e a d sa n dt h ef l a m ep r o f i l e ，a l l h a v et o t a l l y d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cw i t ho p e ns p a c e a tp r e s e n t ，t h et h e o r yo ft h er o o mf i r e s f i e l ds i m u l a t i o ni si nt h es t a g ew h i c ht h ei n f l u e n c i n gf a c t o ri so c c u p y i n gt h ek e y p o i n t ，t h ea c h i e v e m e n ta c c u m u l a t e di sd e v e l o p i n gt oa l l r o u n df a c t o rs t e pb ys t e p t h i sa r t i c l eu t i l i z e dt h ef i r es i m u l a t es o f t w a r ef d st oc o n d u c tt h es i m u l a t o r s t u d yt ot h ei s 0 9 7 0 5s t a n d a r dr o o mf i r e a tf i r s t ，d i f f e r e n tl i q u i df u e li sa s s i g n e d t h er e s u l ti s ：t h es u r f a c eo fl i q u i df u e li sm o r ei m p o r t a n tt oh e a tr e l e a s er a t e w h e nw eu s ef d st os i m u l a t et h el i q u i dr e a c t a n t ，b e f o r ef l a s h o v e ro c c u r s ，t h e b i g g e rt h eb u r n i n gs u r f a c ei su s e d ，t h es t e a d i e rt h eh e a tr e l e a s ep r eu n i ti s i fw e g u a r a n t e e ds u c hc o n d i t i o n s ，t h er e s u l tw i l lb em o r er e l i a b l e t h e ns i m u l a t e st h e p l a c ef a ra w a yf r o mt h ef i r e ( t h ed o o rf o ri n s t a n c e ) t h r o u g ht h ec o n t r a s to f s i m u l a t i o n sr e s u l ta n dt e s t s ，i ts h o w s ：t h ec u r v e sg e n e r a lt r e n do ft h et w or e s u l t s i sc o n s i s t e n t ，i tc o n f o r m st ot h et h e o r yr e s u l t t h ee r r o rc e r t a i n l yd o e sn o ta f f e c ti t s p r o j e c ts e r v i c e a b i l i t y , a l t h o u g hal i t t l e d i f f e r e n c ea tm a x i m u mt e m p e r a t u r ea n d s p e e d f i n a l l y , w ec h a n g en o t h i n gu n l e s sh e a tr e l e a s er a t e ，t h er e s u l ti s ：t h el a r g e r t h eh e a tr e l e a s ei s ，t h ef a s t e rt h ep r e s s u r el a m i n a t e da n dt h ef i e l da c h i e v e ds t e a d y c o r r e s p o n d i n g l y , v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ei si n c r e a s i n g ，t h en e u t r a lp l a n e sh e i g h t c o n f o r m st ot h et h e o r yr e s u l t t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ra p p l i e ss o m er e f e r e n c ea b o u ti n s p e c t i n gt h ee n t i r e c h a n g eo fc o m p a r t m e n tf i e l dt h o u g ht h er e s e a r c ho fo p e nf a ra w a yf r o mt h ef i r e ， a n dt h o r o u g hd i s c u s s i o na n dt h ep r a c t i c ea b o u tu s i n gt h es o f t w a r ef d st o s i m u l a t ec o m p a r t m e n tf i r ea l s o k e yw o r d s ：c o m p a r t m e n tf i r e s ；n e u t r a lp l a n e ；f d s ；h e a tr e l e a s er a t e ；l i q u i df u e l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。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 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：2 鸳 日 期：训霹月i 日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 火灾的危害性 第1 章绪论 火灾给人类的生命财产、自然资源和社会环境带来了极大的危害，是全 人类所面临的最严重的灾害之一嘲。随着经济建设的快速发展，物质财富的 急剧增加和新能源、新材料、新设备的广泛开发利用，以及城市建设规模不 断扩大和人民物质文化生活水平的提高，火灾发生的频率越来越高，造成的 损失也越来越大。我国每年发生火灾约4 万起，死亡2 0 0 0 多人，伤3 0 0 0 - - - 4 0 0 0 人，火灾造成的直接财产损失达1 0 多亿元，尤其是造成几百人死亡的特大恶 性火灾时有发生。8 0 年代初，全国每年火灾造成的直接经济损失为3 亿元左 右，到9 0 年代末，每年的火灾经济损失达到1 0 亿元之多刚。 火灾带来的直接或间接经济损失、人员伤亡损失、扑火消防费用、保险 管理费用以及投入火灾防护的工程费用统称为火灾代价。世界火灾统计中心 以及欧洲共同体研究的结果表明：许多发达国家每年火灾直接损失占国民经 济总产值的o 2 左右，人员死亡率在十万分之二左右闭。历年来的灾害损失 统计数据表，在众多灾害中，火灾发生的频率在各种灾害之首，造成的直接 损失约为地震的5 倍，仅次于干旱和洪涝灾害。 火灾对环境和生态系统造成了不同程度的破坏。燃烧产生的大量烟雾和 二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等有害气体不仅对环境产生 不良影响，而且影响地面光照质量和数量，从而影响农作物的生长和收成； 高强度火灾影响土壤结构，破坏营养元素循环，使土壤微生物减少2 1 。 综上，火灾给人类带来的教训是惨痛的，是世界各国人民所面临的一个 共同的灾难性问题。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生 频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。 1 1 2 火灾科学的发展 火灾科学是建立在燃烧学、传热传质学、流体力学、化学及计算机科学 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 等基础之上的一门新的交叉性应用基础科学，其研究宗旨是为建立有效的火 灾安全防护系统提供科学依据，它体现了火灾防治的有效性、合理性和经济 性的统一田。 二十世纪5 0 年代以来，世界上许多国家相继成立了一些由国家或民间 资助的火灾研究机构。二十世纪7 0 年代末和8 0 年代，n i s t ，f p a a ，f r s 等世界著名的火灾研究机构组织了一系列大规模的联合研究项目，对包括航 空飞行器火灾安全、核电站火灾安全、隧道火灾安全等领域的火灾现象进行 了深入的研究。1 9 8 5 年美国召开了第一次国际火灾安全科学讨论会，同时成 立了国际火灾安全科学学会( i n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o nf o rf i r es a f e t ys c i e n c e ) 标志着火灾科学正在世界范围内形成和发展。 近2 0 年来，一些国家通过政府拨款和国际合作的方式进行了诸如火灾物 理、火灾化学、火焰结构、人与火灾的相互影响、火灾研究的工程应用、火 灾探测与自动报警系统、自动灭火、火灾统计与风险评估、烟气毒性、消防 救援与组织训练等方面的研究工作。1 9 9 5 年1 1 月，我国也在中国科技大学 建成了火灾科学国家重点实验室，开展了大空间建筑火灾、工业火灾和森林 火灾的研究酮。 1 2 火灾研究 火灾科学主要研究火灾发生，发展和防治的机理和规律，它以工程热物 理为基础，是使火灾防治达到有效性，合理性与经济性统一的科学。其指导 思想是将火灾的基本现象与分区研究相结合，在分区研究中将火灾的总过程 划分为相对独立的分过程及各分过程间的相互作用，逐一进行深入研究，从 而系统认识火灾发生发展的全过程。 火灾现象具有随机性和确定性的双重特点。其随机性是指火灾发生的起 火原因及时间、地点等因素是不定的，受到各种因素的影响，遵循一定的统 计规律；其确定性指在某一特定场合下发生的火灾，会按基本确定的规律发 展蔓延，其燃烧过程与烟气流动过程皆遵循燃烧学、流体力学等物理和化学 规律5 q 。 通常研究火灾的方法有很多，归纳起来主要有两种，一种是试验( 包括 全尺寸和采用缩小的模型) ，这种方法直观、易于掌握，但安装设备和分析起 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 来困难且费用较高，而且只能是针对典型的建筑、典型的条件进行，通用性 较差。尽管有人采用缩小的模型进行实验，虽然节省了一些费用，但仍然难 以解决上述困难。另一种方法是开发火灾模拟软件，利用计算机进行数值模 拟。该方法的前提是必须建立正确、可信的火灾数学模型。其特点是费用较 低、通用性较强，很有现实意义，但准确性有待提耐。 1 3 火灾模拟及方法的选择 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，它是现代火灾科学研究的基础 性方法。各种计算机模型的功效取决于描述实际火灾过程的数学模型和数值 方法的合理性。与烟气运动直接相关的火蔓延过程，其计算模拟理论经历了 从统计模型到经验性模型再到物理模型的科学发展过程。 目前，对火灾烟气流动模拟方法划分为场模拟、区域模拟和网络模拟。 1 3 1 场模拟( f i e l dm o d e l ) 场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数( 如速度、温度、各组分 浓度等) 的空间分布及其随时间变化的模拟方式。即通过联立求解连续性方 程、动量守恒方程、能量守恒方程以及化学组分方程，湍流方程，辅助方程 如气体状态方程等得到流场的参数分布和随时间的变化。其通用商业软件和 火灾专用软件有p h o e n i c s 、f l u e n t 、s t a r c d 等。应用这些软件进行计 算可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象n 嗣。 场模型的研究方法是火灾科学从计算燃烧学、高温空气动力学领域引入 的。对于建筑火灾中烟气流动的数值模拟，通常采用r e y n o l d s 平均的n s 方 程，湍流模型选用k - 占模型或r e y n o l d s 应力模型；燃烧模型通常选用为涡团 耗散模型( m a g n u s s e n ，1 9 7 8 ) 或概率密度函数方法( b i l g e r ，1 9 8 9 ) 。其它较 复杂的模型虽然更精确，但难以获得火灾基础数据来验证。1 9 8 3 年k u m a r 首先采用c f d 方法建立了火灾场模型，后来国内外的学者多选用c f d 大型 通用软件为基础，结合各自的课题进行深入的研究开发7 1 。 场模拟需要较高的计算机能力和较长的运算时间，这就需要计算者在把 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 握火灾分过程的物理机制的情况下尽量选择合理的模型使计算简化。由于场 模拟在理论上仍存在不少困难，算法本身的复杂性和计算机能力的限制，在 工程实际当中难以完全采用这种方法来模拟火灾过程。但是c f d 的场模拟方 法必将成为火灾科学研究的主流n 嗣。本论文采用的即是火灾场模拟软件 f d s 。 1 3 2 区域模拟( z o n em o d e l ) 区域模拟属于半物理模拟层次。2 0 世纪7 0 年代初，美国哈佛大学e m m o n s 教授提出了区域模拟思想：把所研究的受限空间划分为不同的区域，并假设 每个区域内的状态参数是均匀一致的，而质量、能量的交换只发生在区域与 区域之间、区域与边界之间以及它们与火源之间，从而奠定了烟气区域模拟 的理论基础。从这一思想出发，根据质量、能量守恒原理可以推导出一组常 微分方程；而区域、边界及火源之间的质量、能量交换则是通过方程中所出 现的各个源项体现出来n 鼬q 。 区域模拟在对火灾燃烧系统进行较大简化的同时，要尽可能保留火灾燃 烧系统的复杂性机制，从而有可能以较小的计算代价来揭示火灾系统的复杂 性特征。其优点是此方法注重整体效果，它以适当的方程近似描述各个物理 过程，各相互耦合的区域内物理量的平衡关系分别按一定的简化公式计算， 从而简化了方程组，相对简单，计算速度快，可以快速地提供建筑火灾的烟 气发展状况。区域模拟只抓住了火灾的宏观特征，因而是相当近似和粗糙的， 对于几何形状复杂，有强火源和强通风的房间，其误差可能比较大。区域模 拟只适合于对某些特定的建筑室内火灾现象与参数进行分析h 洲。 总的来看，区域模拟已经发展成熟，有很多模拟软件可以选用( 如 c e a s t ) 但是，近几年国内外的火灾研究学者较为倾向于采用场模拟软件来 代替区域模拟软件，以便更好的描述复杂的火灾现象。 1 9 8 3 年，美国h a r v a r d 大学h w e m m o n s 教授研究h o m ef i r ep r o j e c t 时， 奠定了二层区域模拟的理论基础，随后开发出了著名的h u 系列软件。1 9 9 1 年m i t l e r 总结了建立区域模型的数学方法。近几年的有：1 9 9 0 年的n r c c l ： 1 9 9 2 年开发的m a g i c ；1 9 9 3 年n i s t 开发的f p e t o o l 软件；1 9 9 3 年澳 大利亚c s i r o 开发的f i r e w i n f i r e c a l c 软件；1 9 9 6 年n i s t 开发的 4 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 f a s t l i t e 软件和1 9 9 9 年开发的用于预测充分燃烧阶段温度变化的 c o m p f 2 软件；2 0 0 0 年新西兰b r a n z 开发的b i l a n z f i r e 软件。国内在 区域模拟方面也进行了很多的研究，其中包括香港理工大学周允基教授对单 室火灾模拟的双层区域模型嗍。 总的来说区域模型不考虑动量平衡关系，因此不能够反映湍流等输运过 程对流场参数的影响。采用集总参数法处理参数变化，即取平均值，不宜用 于计算变化迅速的分过程或变化剧烈的区域。这一类模型由于计算快速，在 火灾风险分析和消防设计等方面有较多的工程应用，但只适合于对某些特定 的建筑室内火灾现象与参数进行分析。对于与其它建筑内部空间相互连通的、 具有复杂结构的中庭之类大空间建筑，采用区域模型进行研究是与实际火灾 有较大差距的州。 1 3 3 网络模拟( n e t w o r km o d e l ) 把一个受限空间作为一个控制体，假设每个单元体内部的状态参数( 如 气体温度、组分浓度等) 是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个模拟空 间的各单位内部参数的变化，从而将这些内部空间划分为相互连接的网络节 点，此为网络模拟。模型在分析各节点之间的质量、能量守恒基础上构造出 各网络节点状态变化的控制方程，然后求解出节点状态随时间的变化。典型 的网络模型输入数据是气象参数( 空气温度、风速) 、建筑特点( 高度、渗透面 积、开口条件) 、送风量和室内空气温度。网络模型可实现对建筑楼梯间加压 防烟、局部区域排烟及二者联合使用的建筑防排烟系统进行研究分析，评价 烟控系统效果及与人员有关的火灾安全分析。网络模型主要应用于受限空间 数目较多、边界条件复杂( 如高层建筑、井巷网络) 的火灾研究。由于假设 烟气与空气的流动特性相似，空气与烟气混合均匀，所以网络模型只适用于 远离火场的区域。网络模型的灵活性较差，当建筑物内各房间、通道的开启 情况变化时如半开半闭时，网络的结构会随之变化，相应的模型就需要修改 i t , s ，6 l o 网络模型起源于区域模型的发展变革，目前世界上研究高层建筑的烟气 流动特性多采用网络模型，主要代表有日本建筑研究所开发的b r i 模型， 加拿大建筑研究所开发的i r c 模型，英国建筑研究所开发的b r e 模型， 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 美国标准技术研究所开发的n i s t 模型，荷兰应用物理研究所开发的t n o 模型和中国重庆建筑大学严治军等人开发的网络模型等。这些模型都假设烟 气流动与空气流动特性相似，而且烟气进入单元空间内与空气立刻混合并参 数分布均匀眇闷。 由于场模拟、区域模拟和网络模拟各有自己的不足和优点，因此，将它 们中的两种或两种以上的模型综合起来，发挥各自的优点，克服各自的缺点， 可以节约计算资源，得到准确的计算结果。这就出现了混合模拟( h y b r i d m o d e l ) 目前，混合模拟已成功应用于高层建筑火灾、矿井火灾、隧道火灾 等场合。但是绝大多数学者只是简单地将边界条件处理后就应用于混合模型 计算1 嗣。 1 4 单室火灾 开口小空间可以认为是带有一个开口( 门) 的单室。建筑物一般是由很 多形状各异，功能不同的单室构成。所谓的“室 不仅指寝室与客房或居民 住宅单元房间结构，还应包括某些周围有壁面限制的空间，如仓库、工厂、 办公场所和某些公共建筑物内部的分隔间、火车和汽车的车厢等。火灾现象 中的“室一主要指相当于建筑物普通房间那样大小的受限空间问，其长宽高 的比例相差不太大。直观讲来，单室火灾规律的研究对象不包括或体积较小， 或长度很长，或形状很复杂的空间中的火灾。特殊空间的火灾规律本论文并 无涉及。 对建筑火灾规律的研究，首先要从单室火灾发展规律研究开始。单室是 建筑的重要单元，单室室内火灾的发展过程首先决定了建筑火灾能否形成， 其次决定了人们能否提早探测到火灾的发生。单室与其外部周围环境的相互 传热传质作用决定着整个建筑火灾的发生发展状况。了解单室火灾的发展规 律对建筑结构耐火研究也具有先导作用唧。 1 4 1 单室火灾的研究现状 单室火灾的研究一直是建筑火灾研究的重点，国外的很多学者作了大量 的关于单房间火灾的研究。其中有j o n e sww 关于烟气运动的研列埘， q u i n t i e r ejg 关于单室中火势发展的研究习，z h e n gh u ay a h ，g o r a n 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h o l m s t e d t d u i y 对于单室壁面的研究1 习，还有许多其它学者关于模型方面的研 刭m 啊。中国科学技术大学建立的国家火灾科学实验室对单室火灾也进行了详 细的研究。国内很多的学者对于单室火灾作了一系列的研刭临嘲。 单室火灾过程是一个非常复杂的、三维非定常的、带化学反应的湍流流 动和传热传质过程。影响它的因素非常多，主要有：起火源位置，燃烧物特 性，室内外空气的温度、湿度，室内表面装饰材料性质，单室内总的火灾荷 载，室内通风状况以及室内风速等。对众多因素的分析及其对火灾过程作用 的分析是一个庞大的任务。当在火灾规律研究中考虑多个因素的作用时，除 了需要分析单个因素对火灾过程的作用，还需要分析多个因素相互作用后对 火灾过程产生的影响，而各种因素的相互作用又不是简单的两两相加或多个 相加的总和，它们之间必然存在质上的相互影响，这样无形中就增加了研究 的难度。稍不注意，就会出现研究结果上的偏差，直接影响到火灾规律研究 的正确性。 单室作为一种受限空间，其火灾的发生、发展，烟气的聚集、蔓延以及 火焰的形状、蔓延都具有与敞开空间不同的特性闭。 首先，燃烧过程本身是一个非常复杂的传热传质的物理化学过程。单室 内火灾是发生在受限空间内的燃烧过程，其传热方式及其作用与开敞空间有 完全不同的特点。在三种基本的传热方式中，辐射换热对火灾的发展具有决 定性的作用。除了火焰产生的辐射换热以外，燃烧产生的烟气含有挥发的可 燃性气体和被加热的水汽以及燃烧产生的高温炭颗粒，因此，火灾中的热烟 气同样存在辐射特性。国内外研究人员对此进行了不同层次，不同应用领域 的研究，已经取得了共识。 单室火灾在发展的初期，其燃烧状况与开敞空间的火灾在规律上是基本 相似的。但是当火灾发展到一定的阶段，室内的氧气与可燃性挥发气体的比 例严重偏离一体化反应系数，火灾就进入通风控制阶段。在二十世纪4 0 年代， 日本的川越邦雄博士等研究人员对此就进行了理论和实验研究，得到了燃烧 速度与通风口的定量关系唧。 传热学中，我们知道在墙角的导热计算是各类导热问题中最复杂的。对 于室内火灾，墙角或拐角同样是特殊的位置，无论烟气流动还是火焰蔓延， 在此都具有比水平位置复杂得多的特性，其运动规律也较水平位置复杂得多。 7 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 国内外研究人员对此进行了各种形式的理论和实验研究，如美国的肯塔基大 学程前博士在文献“湍流火焰在墙角的垂直扩散”以及早期的许多研究论文 中，对火焰蔓延进行了有针对性的阐释唧。 此外，单室内火的发生具有确定性和随机性的双重特点。随机性的一个 典型表现就是火源位置，无论室内的空间几何结构如何，无论室内的家具布 置如何，室内的任何位置在特定的条件下都有可能成为火源位置。火源位置 不同，一方面决定了火灾能否发生，同时也决定了火灾研究的复杂程度四。 除了对火灾能否发生及其发展过程有影响之外，火源位置对碳黑及有毒气体 生成速度、火焰高度、蔓延速度、火灾探测器的报警时间等都有着直接的影 响。 单室火灾场模拟研究目前大多数只是停留在室内火灾的某一局部，例如 对起火位置的研刭峨柳，对阴燃过程的研究，对顶棚射流的研究等。不但没有 前人进行过全面、系统的研究分析，而且即使已经进行了专题研究，也存在 着专题本身研究不深入的问剧明，如研究分析中对于环境其他的边界条件、 过程条件等作了过多的假设。现在无论国内还是国外，火灾规律的研究才刚 刚起步，单室火灾的研究尤其如此，目前室内火灾的场模拟理论研究正处在 以某些影响因素研究为主，积累成果逐步向全面因素研究发展的阶段，总之 单室火灾规律的研究一直是国内外研究人员的工作重点。 1 4 2 单室火灾的发展过程 单室是建筑火灾起源的一个重要场所，其火灾的发展态势直接影响到火 灾在建筑内的行为。国内外研究人员在对室内火灾进行充分的调查和分析之 后，从起火源的位置，不同传热方式的影响，室内的火灾载荷等不同因素出 发，对室内火灾规律进行了研刭硼。同时，针对室内火灾发展过程，进行了 从经验模拟到半物理模拟，从区域模拟到场模拟的不同层次的研究。 火灾发生的必要条件为：可燃物、助燃物和着火源，当满足一定条件就 会引发火灾。单室火灾大体可分成四个主要阶段，即：火灾初期增长阶段、 火灾充分发展阶段、猛烈阶段和火灾减弱阶段( 火灾的冷却阶段) p 丑】： 1 初期增长阶段 单室刚起火时，火区的体积并不大，根据物质形态的不同，燃烧各具特 8 哈尔滨工程大学硕七学位论文 点。固态物质着火点开始逐步扩大范围，液态物质火焰占据自由表面后而形 成稳定燃烧，气态物质泄漏之后遇火源着火，火焰迅即顺着气云或气流烧到 泄漏点呈“火炬状燃烧。不论是哪类物质，在起火后的最初几分钟，燃烧 面积都不大，烟气流动速度较缓慢，火焰辐射出的能量还不多，与外部环境 中的燃烧类似。如果没有外来干预，火区体积继续扩大，当燃烧进一步加强 时，室内通风条件成为影响火势的主导因素。这时总的释热率还不太高，室 内的平均温度比较低，只是在燃烧区附近存在局部高温，这是火势发展的初 级阶段。如果在这个阶段能及时发现火源并正确扑救，就能用较少的人力和 简单的灭火器材将火控制住或扑灭。如果室内通风条件好，火区燃烧加剧并 逐渐由初期增长阶段向充分发展阶段转变，这时热释放率陡升，室内温度急 剧上升。 2 充分发展阶段 进入充分发展阶段后，由于燃烧强度的增大，热释放率达到最大值。载 热5 0 0 1 2 以上的烟气流加上火焰的辐射热作用，使房间内的温度进一步上升， 气体对流加强，燃烧面积扩大，燃烧速度加快，特别是易燃的内装饰材料受 到加热，开始分解出大量可燃气体。而且此时，高温烟气还会夹带大量的可 燃组分从开口处逃逸，可能将火焰扩展到临近房间或相临建筑物中。这是火 势发展阶段，也称为自由燃烧阶段。在这个阶段，由于辐射热急剧增加，辐 射面积不断增大，所以需要投入较强的力量和使用较多的灭火器材才能将火 扑灭。 3 猛烈阶段 由于燃烧面积扩大，大量的热释放出来，空气温度急剧上升，发生轰燃， 使周围的可燃物、建筑结构几乎全面卷入燃烧。此时，燃烧强度最大，热辐 射最强，温度和烟气对流达到最大限度，可燃材料将被烧尽，不燃材料和结 构的机械强度受到破坏，以致发生变形或倒塌，火突破建筑物向外围扩大蔓 延，这是火势的猛烈阶段。在这个阶段，扑救最为困难，起火处的房屋已保 不住，室内尚未疏散的人员极难生还，此时需要有足够的力量和器材用于及 时控制火势，阻止它向周围建筑物蔓延。 4 减弱阶段 这是火区逐渐冷却的阶段。火势被控制以后，由于可燃材料已被烧尽， 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 加上灭火剂的作用，火势逐渐减弱直至熄灭。一般认为此阶段是从室内平均 温度降到其峰值的8 0 左右开始的，是可燃物挥发份大量消耗，燃烧速率减 小的阶段。最后明火燃烧无法维持，火焰熄灭，可燃固体变为赤色焦碳，焦 碳按照固定碳燃烧形式继续缓慢燃烧。由于蓄热效应，室内平均温度仍然较 高，并在焦碳附近形成局部高温。 图1 1 室内温度变化图 如图1 1 所示，a 曲线是可燃物为固体时，室内平均温升变化；b 曲线 是可燃物为液体时，室内平均温升变化。 由此可知，火灾初期的探测报警、喷淋等及时扑救措施具有重要意义， 火灾发展到充分阶段后，灭火就比较困难了，但有效的扑救仍然可以抑制过 高温度的出现，控制火势的蔓延，从而使火灾损失减小，伤亡人数减少。 1 5 燃烧的一些简单介绍 近年来年研究表明，绝大多数物质燃烧的本质是一种自由基的链反应。 只要有适当条件引发自由基的产生( 引火条件) ，链反应就会开始，然后连续 自动地循环发展下去，直至反应物全部转化完毕为止。在时间或空间上失去 控制的燃烧所造成的灾害，叫做火灾。 1 5 1 燃烧过程瞄1 1 任何物质发生燃烧，都有一个由未燃状态转向燃烧状态的过程。这过程 的发生必须具备三个条件：即可燃物、助燃物和着火源，并且三者要相互作 用。 1 可燃物 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起化学反应的物质称可燃物。按其物 理状态还可分为气体可燃物( 如氢气、一氧化碳等) 、液体可燃物( 如汽油、 酒精等) 和固体可燃物( 如木材、布匹、塑料等) 三类。 2 助燃物 凡是能帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反应的物 质称为助燃物( 如空气、氧气、氯气以及高锰酸钾、氯酸钾等氧化物和过氧 化物等) 。能够使可燃物维持燃烧不致熄灭的最低氧含量即氧指数。空气中氧 含量约为2 1 ，而空气是到处都有的，因而它是最常见的助燃物。发生火灾 时，除非是密闭室内的初起小火可用隔绝空气的“闷火 手段扑灭，否则这 个条件较难控制。 3 着火源 凡能引起可燃物与助燃物发生反应的能量来源( 常见的是热能源) 称作 着火源。根据其能量来源不同，着火源可分为：明火、高热物体、化学热能、 电热能、机械热能、生物能、光能和核能等。此外，可燃物质燃烧所需的着 火能量是不同的，一般可燃气体比可燃固体和可燃液体所需的着火能量要低。 着火源的温度越高，越容易引起可燃物燃烧。 综上所述，只有在可燃物、助燃物和着火源三个条件同时具备，而且数 量达到一定比例的前提下，互相结合，互相作用，燃烧才能发生。否则，燃 烧不能发生。可见，不论采用什么措施，只要能破坏已经产生的燃烧条件， 去掉其中任何一个，火灾即可扑灭。 此外，也可运用现代灭火理论，用灭火剂和阻燃剂加入燃烧的链反应中， 消灭自由基，使链增长中断，从而取得比传统的灭火手段更为有效的灭火效 果。 1 5 2 燃烧类型 燃烧可分为闪燃、自燃和点燃等，每种类型的燃烧都有其特点洲。 1 闪燃 闪燃是可燃性液体的特征之一。各种液体的表面都有一定量的蒸气存在， 蒸气的浓度取决于该液体的温度。对同种液体，温度越高，蒸气浓度越大。 液体表面的蒸气与空气混合会形成可燃性的混合气体。当液体升温至一定的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 温度，蒸气达到一定的浓度时，如有火焰或炽热物体靠近此液体表面，就会 发生一闪即灭的燃烧，这种燃烧现象叫闪燃。在规定的试验条件下，液体发 生闪燃的最低温度，叫做闪点。闪点是评定液体火灾危险性的主要根据。液 体的闪点越低，火灾危险性越大。 2 着火 着火还称强制点燃。即可燃物质和空气共存条件下，达到某一温度时与 明火直接接触引起燃烧，在火源移去后仍能保持继续燃烧的现象。物质能被 点燃的最低温度叫燃点，也叫着火点。对固体和高闪点液体，燃点是用于评 价其火灾危险性的主要依据。在防火和灭火工作中，只要能把温度控制在燃 点温度以下，燃烧就不能进行。 3 自燃 自燃包括本身自燃和受热自燃。某些物质在没有外来热源影响时，由于 物质内部所产生的物理、化学及生物化学过程产生热量，这些热量在某些条 件下会积聚起来，导致升温，又进一步加快上述过程的进行速度，于是可燃 物温度越来越高，当达到一定的温度时，就会发生燃烧，这就叫本身自燃。 由外来热源将可燃物加热，使其温度达到自燃温度，未与明火接触就发生燃 烧，这叫受热自燃。 本身自燃与受热自燃的区别在于热的来源不同。常见自燃现象有：堆积 植物的自燃、煤的自燃、涂油物( 油纸、油布) 的自燃、化学物质及化学混 合物的自燃等。在规定的试验条件下，可燃物质产生自燃的最低温度叫做自 燃点。自燃点是判断、评价可燃物质火灾危险性的重要指标之一，自燃点越 低，物质的火灾危险性越大。 4 爆炸 爆炸可分为化学爆炸、物理爆炸和核爆炸。化学爆炸是指在极短的时间 内，由于可燃物和爆炸物品发生化学反应而引发的瞬间燃烧，同时生成大量 热和气体，并以很大压力向四周扩散的现象。物理爆炸是一种纯物理过程， 如蒸汽锅炉爆炸、轮胎爆炸等，多数是由于物质受热、体积膨胀、压力剧增、 超过容器耐压引起的。物理爆炸时没有燃烧，但有可能引发火灾，而化学爆 炸的火灾危险性要大得多。可燃气体( 或蒸气、粉尘) 与空气的混合物必须 在一定的浓度范围内，遇火源才能发生爆炸。这个遇火源发生爆炸的可燃气 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 体浓度范围，称为爆炸浓度极限。爆炸浓度极限可用来评定可燃气体和可燃 液体火灾危险性的大小，也可作为可燃气体分级和确定其火灾危险性类别的 标准。 1 5 3 燃烧蔓延的原因 大多数火灾的发生，都是从可燃物的某一部分开始，然后蔓延扩大的。 这是因为物质在燃烧时，造就了一个危险的热传播过程，即燃烧热效应 - 燃烧。燃烧产生的热效应使燃烧点周围的可燃物受热发生分解、着火和 自燃，如此往复，热能便迅速地向周围蔓延开去。热传播除了火焰直接接触 外，还有三个途径：即热传导、热辐射和热对涮2 1 1 。 1 热传导 热传导是指热量从物体的一部分传到另一部分的现象。所有的固体、气 体、液体物质都有导热性能，但通常以固体为最强，而固体之间的差别又很 大。一般来说金属的导热性强于非金属，大量金属无机物的导热性能又强于 有机物质。导热性能好的物质不利于控制火情，因为热量可通过导热物体向 其他部分传导，导致与其接触的可燃物质起火燃烧。因此，为了制止由于热 传导而引起的火势蔓延，火场上应不断冷却被加热的金属构件，迅速疏散、 清除或用隔热材料隔离与被加热的金属构件相联( 或附近) 的可燃物。 2 热辐射 热辐射是指热量以辐射线( 或电磁波) 的形式向外传播的现象。当可燃 物燃烧形成火焰时，便大量地向周围传播热能，火势越猛，辐射热能越强。 为了减弱受到的热辐射，可增加受辐射物体与辐射源的距离和夹角，或设置 隔热屏障。例如，在建筑物间留出必要的防火间距，砌筑防火墙，设置固定 水幕，种植阔叶树等。在火场上，应用水、泡沫等冷却受到辐射热作用的物 体表面，设法疏散、隔离和消除受辐射热威胁的可燃物。灭火人员的水枪阵 地要选择适当角度，以减少受到热辐射的影响。 3 热对流 热对流是指通过流动介质将热量从空间的一处传到另一处的现象。它是 影响早期火灾发展的最主要因素。根据流动介质的不同可分为气体对流和液 体对流。液体对流可造成容器内整个液体温度升高，蒸发加快，压力增大， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 以至使容器爆裂，或蒸气逸出，遇着火源而燃烧，使火势蔓延。气体对流则 能够加热可燃物达到燃烧程序，使火势扩大。而被加热的气体在上升和扩散 的同时，一方面引导周围空气流入燃烧区，使燃烧更为猛烈，另一方面还会 引导燃烧蔓延方向发生变化，增大扑救难度。因此，在扑救火灾时为了消除 和降低气体对流，应设法堵塞能够引起气体对流的孔洞，把烟雾导向没有可 燃物或危险性较小的地方，用喷雾水冷却和降低气流的温度。 1 6 本课题研究的重点和意义 本课题围绕开口小空间火灾流场的流动状况，以i s 0 9 7 0 5 标准房间火灾 试验为依据，重点研究开口小空间起火后，远离火源处( 即开口处) 的流动 状况。通过试验结果和理论计算结果的比较，验证火灾模拟软件f d s 在计算 简单流动方面的精确性与偏差，然后基于不同模拟条件，考察开口小空间的 流动特点。本论文主要进行以下五部分： ( 1 ) 针对小空间开口处的流动特点作理论介绍，如确定中性面的高度， 开口处空气或烟气流入、流出的速度，质量流量等。 ( 2 ) 介绍火灾模拟软件f d s ，及其模拟所用的数学物理模型。包括基 本方程、燃烧模型、模拟方法等。 ( 3 ) 设定可燃物为液体可燃物。假设燃烧完全，研究f d s 在模拟液体 反应物燃烧时的适用性，讨论表面积、体积对热释放率的影响，得出燃烧不 同液体燃料的热释放率和单位燃烧表面积的关系。 ( 4 ) 与s t e c l d e r 的标准房间火灾试验做比较，重点考察小空间内，远离 火源位置处( 即开口处) 的流动状况。通过对开口小空间的模拟和试验结果 对比，说明f d s 在火灾计算上的精确性和适用性。 ( 5 ) 基于以上实验和模拟研究的对比结果，进一步考虑不同热释放率的 情况。讨论不同热释放率对开口处参数的影响，并和前部分理论计算结果作 比较。 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章开口小空间火场模拟研究及理论基础 2 1 压差产生的原因 流体流动通常是由高压区流向低压区。气体在封闭房间内的流动是由房 间内外压力的不同( 即压差) 引起的。由于单室内外温度不同，在浮力作用 下产生的压差是产生此现象的根本原因。 把压差形成的原因分成两类陶：火源本身和室内外压差。由火源形成的 压差主要有以下两种阎： ( 1 ) 封闭区域内气体的热膨胀。当气体被加热，膨胀，在密闭的房间中 将导致压力升高。因为几乎在所有的建筑内都有小的泄漏区域，因此将认为 此压力升高可以忽略。在工程计算中常是如此。对于某些特殊的情况，如船 上的发动机房间，这个压力的升高就非常重要了，因此不能被忽略。 ( 2 ) 热空气的浮力，或是冷热空气的密度不同。这是在有火源的房间中 烟气流动的最普遍原因。在这一章中，将计算由此类现象引起的压差和质量 流量。 建筑内外的压差主要由以下三方面引起阎： ( 1 ) 建筑内外的密度不同或温差。 ( 2 ) 大气流动或建筑上的风压。这在烟气流动或在由浮力引起的顶棚射 流中，有相当大的影响。 ( 3 ) 机械通风。为了控制烟气流动，通常设计机械通风来排除建筑内的 烟气。和重力驱动流相比，一般空调系统提供的体积流量很低，可以忽略。 尽管在通常的空调系统中，此流量不应被忽略，对此种情况，有其它特殊的 计算模型。 2 2 有开口的流动 开口流动是火灾模型中的一个重要的组成部分。一方面开口流动对压力 的变化很敏感，在瞬间就能传递大量的焓；另一方面，环境的变化主要通过 开口影响房间内的物理场。火灾燃烧引起的压力变化大致为( 1 - 1 0 0 0 ) p a ， 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机械通风引起的压力变化大致为( 1 - 1 0 0 ) p a 。值得指出的是，压力变量的求 解需要比其它变量有更高的精度，因为压力的变化量与绝对压力相比很小。 竖直开口：门和窗为竖直开口，穿过竖直开口的流动为水平流。开口两 侧的压差为流动的驱动力。 水平开口：顶棚和地板上的开口为水平开口，穿过水平开口的流动为竖 直流。水平开口的竖直流动比竖直开口的水平流动要复杂得多。竖直流中最 简单的是压差驱动的单向流动。当只在顶棚上有一个开口的房间中发生火灾 时，燃烧产生热量，气体膨胀，室内压力升高，气体通过顶棚开口喷出，燃 烧将持续到室内的氧气不能支持燃烧为止，外界大气从顶棚开口涌进房间内， 使得燃烧重新开始。这样，周而复始出现周期性的喘振，直到燃料被耗尽为 止，这种情况下燃烧与气流流动紧密相连。在一定的时间内，通过开口的流 动都是单向的。当开口处流动状态不稳定时( 如热气体层在冷气体层下面) 会发生交换流动，同时存在流体的流进和流出 2 3 中性面及其形成过程 建筑物内的热压作用不仅影响正常情况下室内外空气的流动，而且直接 影响火场烟气的流动状态。 在流动稳定的状态下，流入、流出开口的质量应相等，冷空气和热空气 在开口的两边，热空气将从开口的上部分流出，冷气体从下部分流入，此流 动是由开口两侧的压差造成的，而压差是由室内外气体的温差造成的，在某 一高度之上，压力将为零，这个高度的水平面为中性面圆。 图2 1 ( a d ) 显示了房间起火时，开口附近压力在房间内和外部环境间 的变化。根据区域模拟的思想，当热烟气聚集在房间上部，相对没有被污染 的冷空气聚集在房间下部，此时火灾房间的上下两层区域就形成了网。两个 层的分界面通常在离地面日d 的地方保持稳定，它通常被认为是烟气层的高 度或者是热量的不连续层的高度。图中所示的另外一个高度是中性面高度， 用日表示。 为了描述单室火灾发展时开口处的压力变化，确定了四个阶段网：