（安全技术及工程专业论文）典型建筑结构中火灾危害性气体向远处的传播特点和分布规律.pdf

摘要 提出了总危害性参数的概念，用于评价烟气中危害性气体，并对实验数据进行了 评估。本文研究了建筑结构、各种通风开口( 门、出口和窗户) 对于烟气中危害 性气体迁移的影响。 针对烟气中危害性气体向远距离迁移的问题，运用全尺寸实验数掘和数值模 拟方法，进行了验证和研究，提出了一种上层烟气传播路线的可能新路径，烟气 迁移到走廊转弯处的远距离目标房间的时i a j 接近或者少于某些中恻位置房间的 时间，发现有些远距离目标房l 日j 中烟气层的下降得很快。从而进一步明确解答了 火灾案例中广泛报道的遇难者大量死于远距离处的主要原因。本文还分析了另一 个全尺寸实验数据，针对上述迁移问题，研究了火灾烟气在狭长空间及其向远距 离目标房f b j 的迁移舰律。研究了在不同实验工况下，烟气运动平均速度、采样点 处气体的浓度和温度变化、烟气蔓延到设定位置的时间与该位置与火源的距离的 关系。本文采用数值模拟方法，对于建筑中烟气传播路线、远距离处烟气传播速 度进行研究。进一步揭示模拟软件的实用性以及在运用模拟结果进行烟气危害性 评价时需注意的问题。 关键词：火灾烟气；危害性气体；一氧化碳；远距离处：实验：空间分布 数值模拟 l i a b s t r a c t a b s t r a c t f i r e sa r eak i n do fh a z a r d sf r o mb u r n i n gt h a ti so u to fc o n t r 0 1 f i r es m o k el e a d s t oh u g eh a z a r do nl i v e s ，p r o p e r t i e sa n de n v i r o n m e n t t h e r ei sad i s t i n c tv a r i a t i o no f t h em a i nr e a s o nl e a d i n gt od e a t hi n f i r e sa l o n gw i t ht h en e w c a t e g o r i e so fs y n t h e t i c m a t e r i a l sb e i n ga p p l i e di nm o d e mb u i l d i n g s i ti sr e p o r t e dt h a ts m o k es u f f o c a t i o na n d t o x i c o s i sh a v eb e e nt h em o s ti m p o r t a n tr e a s o no fl e t h a l i t yi nf i r e t h ef l o w i n ga n d t r a n s p o r t a t i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r es m o k ec a ne n l a r g et h ef i r es c e n a r i oe a s i l y h e n c e s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es m o k ei ng e n e r a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ni so f g r e a ti m p o r t a n c e i nt h ep a s tf o r t yy e a r s ，r e s e a r c h e so nf i r es m o k eh a v eb e e nw i d e l yc o n d u c t e d v i c t i m sw e r ef o u n da tt h el o c a t i o nr e m o t et of i r e o r i g i ni nm a n yf i r e d i s a s t e r s o c c u r r e di nt h e s ey e a r s t h ea v a i l a b l ed a t ao ns m o k et r a n s p o r tt or e m o t el o c a t i o ni s n o ts u f f i c i e n t ，e s p e c i a l l yt h a to nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h et r a n s p o r tr o u t eo ft h e t o x i cg a s e si nt h eb u i l d i n g s ，a n dt h ee f f e c to ft h ee n v i r o n m e n to nt h eg a s e s t h e t y p i c a lb u i l d i n g s t r u c t u r ei sm o d e l e di nt h e t h e s i s ，n a m e l y t h e f i r e r o o m c o r r i d o r - t a r g e tr o o m ”s t r u c t u r e t oc o n d u c tt h es t u d y i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e do nar e d u c e d s c a l ea p p a r a t u s u n d e rd i f f e r e n tb u i l d i n gs t r u c t u r e sa n dv e n t i l a t i o nc o n d i t i o n s ，i nw h i c hs i xk i n d so f m a t e r i a l sa r ec h o s e na sf u e lt ob eo b s e r v e d b ya n a l y z i n gt h em a s sl o s sr a t e ，s m o k e t r a n s p o r tv e l o c i t ya n dc oc o n c e n t r a t i o ng e n e r a l l ya r es t u d i e d ，w h i c ha r eg e n e r a l l y t a k e na si m p o r t a n tp a r a m e t e r si nf i r es t u d i e s w ef i n d t h a tt h es m o k et r a n s p o r t v e l o c i t yi sal i n e a rf u n c t i o no fm a s sl o s sr a t ea n dc oc o n c e n t r a t i o na r i s e sa st h em a s s l o s sr a t ei n c r e a s e s ， c o n s i d e r i n gt h a tb o a r d sp a i n t e dw i t hw h i t el a t e xp a i n tm a k et h ec o n c e n t r a t i o n s 1 1 1 a b s t r a c t o fs o m es m o k es p e c i e s h i g h e rs i g n i f i c a n t l ya n di n c r e a s e t h es m o k eh a z a r d ， t h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) a n a l y s i sa n di n f r a r e ds p e c t r a la n a l y s i sa r ec o n d u c t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w sn oo c c u r r e n c eo fs p l i tr e a c t i o ni nt h es p e c i m e nu n d e rt h e c u r r e n tt e m p e r a t u r ea n de n h a n c eo fs m o k eh a z a r dd o e sn o ta t t r i b u t et oe f f e c to ft h e h e a to nt h ew h i t el a t e xp a i n t b ym a n yt e s t si nt h er e d u c e d s c a l eo f “f i r er o o m c o r r i d o r - t a r g e tr o o m s i m u l a t e d m o d e l ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o ni nd i f f e r e n tl a y e r so ft h et o x i cg a s e sa r e s y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e d f u r t h e ra n a l y s e si n d i c a t et h ef a c tt h a tc od i f f e r sf o r m0 2 a n dc 0 2i nt h et i m et ot h em a x i m u mc o n c e n t r a t i o n t h ec o n c e p to ft o t a lt o x i c i t yi s d e v e l o p e db a s e d o nt h e p r e c i o u s r e s e a r c ht oa s s e s st h et o x i cs p e c i e si nt h e t r a n s p o r t i n gs m o k e t h ei n f l u e n c eo fb u i l d i n gs t r u c t u r ea n dv e n t i l a t i o n ( d o o r s ，e x i t s a n dw i n d o w s ) o nt h et o x i cg a s e st r a n s p o r ti sa l s or e s e a r c h e d i nt h es t u d yo fs m o k et r a n s p o r t i n gt or e m o t el o c a t i o n s ，an e ws m o k et r a n s p o r t r o u t ea t u p p e r - l a y e ri sf o u n d ，w i t ht h eu t i l i z a t i o no ft h ef u l l s c a l et e s t d a t aa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na p p r o a c h i ti sd e t e r m i n e dt h a ti tt a k e sl e s st i m ef o rt h es m o k e t r a n s p o r t i n g t or e m o t ep l a c e st h a nt on e a rr o o m ，w h i l et h es m o k er e a c h i n gr e m o t e r o o m sd e s c e n dt ot h ef l o o rm o r eq u i c k l yt h a nt h a tn e a rt h ef i r eo r i g i n sd o e s ，w h i c h c o u l db et h er e a s o no fm a n yf a t a l i t i e so c c u r r i n gr e m o t et ot h ef i r eo r i g i n s b a s e do n a n o t h e rf u l l s c a l ee x p e r i m e n td a t ac o n d u c t e di nal o n gu n d e r g r o u n dc o r r i d o r , w es t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m o k em o v e m e n ta n ds p e c i e sv a r i a t i o n t h es m o k et r a n s p o r t v e l o c i t ya n dt h es p e c i e sc o n c e n t r a t i o na r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s i ti n d i c a t e st h a tf d sm o d e li sn o ta b l et os i m u l a t et h ev e r t i c a ll a y e r e d p h e n o m e n o no ft h es m o k et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h el o n g - h a l l w a yc o m m e n d a b l y p r e d i c t e dr e s u l t so f0 2 ，c 0 2 ，a n dc oc o n c e n t r a t i o n sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s eo ft h e e x p e r i m e n t s ，b u tp r e d i c t e dc oc o n c e n t r a t i o np e a ki ss m a l l e rt h a nt h a tm e a s u r e df r o m e x p e r i m e n t s k e y w o r d ：f i r es m o k e ；t o x i cg a s e s ；c o ；r e m o t el o c a t i o n ；e x p e r i m e n t ；s p a t i m d i s t r i b u t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 图表素 图表索引 图1 1罩式实验装置示意图，取自文献3 6 5 图1 2 a 罩式实验g e r 与0 2 的关联( 取自文献3 7 ) ”! 5 图1 2 b罩式实验g e r 与c o 的关联( 取自文献3 8 ) 6 图1 3 单个腔体实验装置示意图，取自文献5 2 7 图2 1 a 小尺度火灾烟气蔓延实验台实物图1 9 图2 1 b 小尺度火灾烟气蔓延实验台结构示意图1 9 图2 2s l 8 0 0 0 型电子天平实物图一2 1 图2 3t s l 8 3 8 2 型热线风速仪实物图2 l 图2 4m 9 0 0 0 型燃烧分析仪实物图2 2 图2 5 排烟系统结构示意图2 2 图3 1乳胶漆影响下的温度增长和c o 浓度比较曲线2 6 图3 2 乳胶漆样品的热重分析曲线2 7 图3 3 乳胶漆样品的红外光谱分析曲线2 7 图3 4 3 3 实验装置示意图2 8 图3 5 a 5 0 9 燃料燃烧时的质量消耗速率曲线”2 9 图3 5 b 7 5 9 燃料燃烧时的质量消耗速率曲线2 9 图3 6 a 烟气迁移速度与燃料质量消耗速率的关系，5 0 9 燃料3 0 图3 6 b 烟气迁移速度与燃料质量消耗速率的关系，7 5 9 燃料3 1 图3 7 a 烟气中c o 体积分数与燃料质量消耗速率的关系，5 0 9 燃料3 1 图3 7 b 烟气中c o 体积分数与燃料质量消耗速率的关系，7 5 9 燃料3 2 图4 1烟气在走廊迁移实验装置示意图3 7 图4 22 0 组实验中燃料质量的变化曲线3 7 图4 3 a 1 0 0 9 燃料时0 2 的浓度变化曲线，l 号位置3 9 v 图表索； 图4 3 b 图4 3 c 图4 3 d 图4 ，3 e 图4 3 f 图4 3 9 图4 3 h 图4 3 i 图4 4 a 图4 4 b 图4 4 e 图4 4 d 图4 4 e 图4 4 f 图4 4 9 图4 4 h 图4 4 i 图4 5 a 图4 5 b 图4 5 c 图4 6 图4 7 图 图 图 图 图 图 4 8 l o o g 燃料时c 0 2 的浓度变化曲线，l 号位置3 9 l o o g 燃料时c o 的浓度变化曲线，l 号位置3 9 l o o g 燃料时0 2 的浓度变化曲线，2 号位置4 0 l o o g 燃料时c 0 2 的浓度变化曲线，2 号位置4 0 l o o g 燃料时c o 的浓度变化曲线2 号位置4 0 l o o g 燃料时0 2 的浓度变化曲线，3 号位置 l o o g 燃料时0 2 的浓度变化曲线，3 号位置 4 l - 4 1 l o o g 燃料时c o 的浓度变化曲线，3 号位霄4 1 5 0 9 燃料时高度为7 0 0 m m 水平方向上0 2 的浓度曲线4 2 5 0 9 燃料时高度为7 0 0 m m 水平方向上c 0 2 的浓度曲线4 3 5 0 9 燃料时高度为7 0 0 m m 水平方向上c o 的浓度曲线4 3 5 0 9 燃料时高度为5 0 0 m m 水平方向上0 2 的浓度曲线4 3 5 0 9 燃料时高度为5 0 0 m m 水平方向上c 0 2 的浓度曲线4 4 5 0 9 燃料时高度为5 0 0 m m 水平方向上c o 的浓度曲线4 4 5 0 9 燃料时高度为3 0 0 m m 水平方向上0 2 的浓度曲线4 4 5 0 9 燃料时高度为3 0 0 m m 水平方向上c 0 2 的浓度曲线4 5 5 0 9 燃料时高度为3 0 0 m m 水平方向上c o 的浓度曲线4 5 0 2 浓度峰值与高度的关系，p 是位置标识4 6 c 0 2 浓度峰值与高度的关系，p 是位置标识4 6 c o 浓度峰值与高度的关系，p 是位置杯识。4 7 c o 浓度峰值达到时i 日j t 4 8 l o o g 燃料时烟气浓度峰值达到时间，黑心实线为c o ，空心实线为0 2 ， 空，i i , 虚线为c 0 2 4 8 峰宽时间衡量方法示意图( 取自文献1 1 ) 4 9 4 9 a 六个采样点c o 的浓度中值5 0 4 9 b六个采样点c 0 2 的浓度中值5 0 4 1 0 a 六个采样点c o 的峰宽时间5 l 4 1 0 b 六个采样点c 0 2 的峰宽时间5 2 4 1 l a 六个采样点c o 的总危害性参数5 2 v l 图表索g 图4 图4 图4 图4 ， 图4 1 l b六个采样点c 0 2 的总危害性参数5 3 2 a 门的高度对远距离目标房间温度的影响，l o o g 燃料5 4 2 b 门的高度对远距离目标房问的c o 浓度的影响，l o o g 燃料5 4 3 a 远距离目标房间内温差的垂直分布，l o o g 燃料一5 5 3 b 远距离目标房间内c o 浓度的垂直分布，l o o g 燃料5 5 图4 1 4 a 远距离目标房间内温差的垂直分布，5 0 9 燃料5 6 图4 1 4 b 远距离目标房间内c o 浓度的垂直分布，5 0 9 燃料一5 6 图4 1 5 a 上层采样点处c o 的浓度，丌口e 上沿到顶棚距离为3 0 0 m m 一5 7 图4 1 5 b 上层采样点处c o 的浓度，丌口e 上沿到顶棚距离为2 0 0 m m ”5 8 图4 1 5 c 上层采样点处c o 的浓度，开口e 上沿到顶棚距离为l o o m m 一5 8 图4 1 6 下层采样点处c o 的浓度，开口e 上沿到顶棚距离为2 0 0 m m ”5 9 图4 1 7 a 高度为7 0 0 m m 采样点处c o 的浓度5 9 图4 ，1 7 b 高度为6 0 0 m m 采样点处c o 的浓度6 0 图4 18出口d 高度为6 0 0 r a m 时，采样点处c o 的浓度6 0 图5 1 狭长通道全尺寸实验结构示意图，( a ) 、( b ) ：走廊磺截面，( c ) 走廊6 6 图5 2 各组实验烟气前端界面到达各个位置的时间6 8 图5 3 ab 组实验中的2 6 5 m 高度水平方向上的温度( 第1 组热电偶) “6 9 图5 3 bb 组实验中的1 9 m 高度水平方向上的温度( 第2 组热电偶) 7 0 图5 3 cb 组实验中距离火源3 9 0 m 处垂直方向上的温度( 第3 组热电偶) 7 0 图5 4 ab 6 实验采样点测量值和数值计算预测值的0 2 浓度变化曲线7 1 图5 4 bb 6 实验采样点测量值和数值计算预测值的c 0 2 浓度变化曲线7 1 图5 4 cb 6 实验采样点测量值和数值计算预测值的c o 浓度变化曲线”7 2 图5 5 房间一走廊全尺寸实验示意图，按照文献1 l 绘制”7 3 图5 6 a 房问一走廊全尺寸实验上层烟气迁移路线图，按照文献1 1 绘制7 4 图5 6 b 房间一走廊全尺寸实验下层烟气迁移路线图，按照文献1 1 绘制“7 4 图5 7 改进的房间一走廊上层烟气迁移路线图7 5 图5 8 a 数值模拟2 1 m 高度上烟气的传播( 俯视) ，3 0 s 7 6 图5 8 b 数值模拟2 1 m 高度上烟气的传播( 俯视) ，4 2 s 7 6 图5 9 a 数值馍拟走廊中线面( v = 1 2 m ) 上烟气的传播( 侧视) ，7 2 s 7 6 v i i 图表索； 图5 9 b 数值模拟走廊中线面( y = 1 2 m ) 上烟气的传播( 侧视) ，1 1 2 s 7 6 图5 1 0 针对远距离目标房问数值模拟示意图7 7 图5 1 l aa 组工况下模拟烟气到达走廊中采样位置的时间7 8 图5 1 l ba 组工况下模拟烟气到达目杯房间的时| b j 一7 8 图5 1 2 ab 组工况下模拟烟气到达走廊中采样位置的时间7 9 图5 1 2 bb 组工况下模拟烟气到达目标房间的时间- 8 0 表3 ，l 不同燃料燃烧质量消耗速率的最小值和主要数值范围( 单位：g 岛) 3 0 表5 1狭长通道全尺寸实验工况”6 7 表5 2 烟气到达的时1 日j 与距离拟合公式参数表“6 8 表5 3 温度、c o 浓度的数据7 4 表5 4 烟气到达各点的时间顺序7 4 v 1 1 1 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。尽我所知，文中除特别杯注和致谢的地方外，学位 论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 科学技术大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 签名：施日期：理主：至 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学技术大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅 或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 火灾，是失去控制的燃烧，是发生率最高的灾害之一。无论是发达国 家，还是发展中国家，火灾所造成的各种经济损失和人员伤亡损失是非常 巨大的。据预测，由于大规模的经济开放和国家建设，相伴随而来的我国 的火灾形势在近几十年内都将非常严峻【1 2 】。 除了极少数情况外，火灾都会产生大量的烟气。火灾烟气主要有三种 危害 3 - 6 】：( 1 ) 高温烟气携带并辐射大量的热量；( 2 ) 烟气中含氧量低， 形成缺氧环境；( 3 ) 烟气中含有一定的毒性成分、有害成份、腐蚀性成份 以及颗粒物等，从而对生命和财产构成威胁和损害。 火灾烟气对人的危害过程可以分为三个阶段【2 ，7 】：( 1 ) 第一阶段是火 灾增长期，受害者尚未受到来自火区的烟气和热量的影响；( 2 ) 第二阶段 是受害者已经被火区烟气和热量所包围的时期，这一阶段中，烟气对人的 刺激和人生理因素的影响导致受害者逃生能力下降；( 3 ) 第三阶段是受害 者在火灾中的死亡期，致死的原因主要是烟气窒息、灼烧或者其它。火灾 烟气的危害性作用在第二和第三阶段尤其重要。 美国n f p a 研究了烟气中各种危害性气体的生理效应，并且进行了分 类【8 】：( 1 ) 毒性效应，主要是引起人员昏迷，丧失意识能力，造成人体机 能失常，例如c o 、h c n 等；( 2 ) 窒息性效应，使人员缺氧，引起呼吸频 率加快，加速毒性效应，例如c 0 2 等；( 3 ) 刺激性效应，致使眼睛和呼吸 道疼痛和呼吸困难等，例如s 0 2 等；( 4 ) 烧灼性效应，高温烟气对皮肤裸 露部分和上呼吸道烧灼致伤。 第一章绪论 研究发现，在火灾事故中死亡者的大多数是由于吸入了烟气。过去从 检验尸体报告中估计这个比例在2 3 左右 9 1 l 】。在美国近些年的统计中， 发现这个比例现在已经增加到3 4 【1 2 】。研究界普遍认为，c o 是火灾产生 的烟气中最为决定性的危害性气体，也是火灾主要燃烧产物之一【1 3 1 5 】。 检验发现，死亡者的血管内含有高水平的c h 血红蛋白，c o 对于血液中 的血红蛋白的亲合性比氧气高2 5 0 多倍，它能够阻碍人体血液中烟气的输 送，导致人丧失能力和死亡。研究也表明，高浓度的c 0 2 能够导致人增加 呼吸率，低浓度的0 2 会造成缺氧，当浓度低于1 0 时，就会对人构成危 险。c 0 2 ，0 2 和c o 一起作用，能够对人造成窒息【1 】。 有研究指出，c 0 的危害性造成死亡的现象，大量存在于在邻近的房间 或更远的地方，而不是火灾中的起火房间之内【1 3 ，1 6 。最为典型的案例是， 1 9 8 9 年l o 月5 日发生在美国弗吉尼亚州诺福克城的h i i l h a v e n 护理院的火 灾 1 6 】。火灾中，这个护理院的一个病房早面起火，结果死亡了1 3 人，当 时有南风，死因是一氧化碳中毒。其中1 1 名死亡者的位置都在与起火房 间连通着的其他房间或者走廊。这种结构是火灾发生及其危害影响的典型 结构，可以推断死亡主要是在第二阶段和第三阶段中发生，火灾中的危害 性气体传播迁移到了非火源区，受害人员逃生失败。这种结构分为火源房 间区和离火源远距离处，其中“远距离处”是一个相对概念，主要是指不受 火源直接影晌的区域，即没有强热辐射、高浓度烟尘颗粒等人体可明显感受到的 效应，例如与起火房间连通着的走廊或者其他房间等。 火灾烟气的产生和传播迁移等主要依赖于可燃物性质、燃烧状况以及 建筑结构等，同时也受到烟气生成和传播过程中其他各种相关因素的影 响。国际上，有关烟气危害性方面的研究从上个世纪中叶开始，一直持续 到现在【1 7 1 8 】。近些年，对于烟气的生成机理和迁移规律以及烟气对火灾 中人员疏散的影响研究，仍然是一个热点领域。 1 2 研究现状 在火灾烟气研究中，主要采用的手段是实验研究与数值模拟研究两种 方式。 第一章绪论 由于燃烧危害性是造成人员死亡的主要因素之一，从1 9 7 0 年左右开 始，烟气危害性成为火灾科学中持续关注的重要研究课题。众多研究机构 和研究者参与了进来，研究者进行了广泛的实验研究和生物测试，将各种 动物( 如小鼠、大鼠、啮齿动物和灵长目动物等) 和人置于各种危害性气 体( 包括单一气体、多种气体、不同燃料产生的复合气体等) 中，观察其 反应，并进行各种生理测试分析【1 9 2 2 】。各种研究数据，逐步形成了评估 燃烧产物的危害性效应的依据，用以评估在不同危害性状况下动物和人做 出各种反应的阀门时间，将其作为评价烟气危害性的标准。 基于生物效应实验的机理研究，逐步发展了评定材料和火灾的危害性 的指标和方法，其中获得广泛使用的是l c 5 0 和i c 5 0 ，l c5 0 , 表示在给定的时 间内某种气体能够导致暴露者5 0 死亡，i c5 0 表示在给定的时间内某种气 体能够导致暴露者5 0 丧失机能【2 3 2 7 】。l c5 0 和i c 帅能够给出一些可接受 的结果。 现在建筑材料和装饰材料使用了大量的高分子聚合物，其在火灾条件 下燃烧产物复杂。为了评估主要气体在火灾中的危害性效应，研究者发展 了n 一气体模型【2 3 ，2 8 3 0 】。该模型假设火灾所产生的多数危害性效应都是 少数几种主要气体导致的，用n 来代表其可观察到危害性效应的气体，然 后将这几种气体的效应累加起来。通过研究，实际中形成了6 种主要气体 的模型( 如1 1 a ) 和7 种气体的模型( 考虑加入了n 0 2 的影响，如1 i b ) ， 计算的经验公式如下【2 3 ，2 8 3 0 】： 肮体值2 高器+ 丽 h c n + 示2 1 瓦- 0 而2 1 + 丽 h c l 。f 丝! l c 5 0 ( h b r ) 气体值=! 【旦! + + ! ! 二【垡! 【c 0 1 】一b2 1 一l c 5 。( d 2 ) + f 型】 c 5 0 ( h c n ) 0 4 n 0 2 】。 h c l 】 【h b r 】 c 5 0 ( j v q )上c 5 0 ( h c l ) l c 5 0 ( 魍) ( 1 1 a ) o 4 n 0 2 】 c 5 0 ( d 2 ) ( 1 1 b ) 由实验所决定的m 和b 在c 0 2 浓度小于等于5 时为1 8 和1 2 2 0 0 0 ， 在c 0 2 浓度大于5 时为2 3 和一3 8 6 0 0 0 。n 气体模型的判定标准是： 3 第一章绪论 当n * l 时，部分测试动物死亡； 当n 1 3 时，全部测试动物死亡。 f e d 方法综合了l c 5 0 标准和n 一气体模型，考虑了危害性气体的时间 累积效应，它假设不同气体的危害性是线性的，公式如下【3 l 一3 3 】： ， l c ，衍 f e d ：去 ( 1 2 ) 乍c 5 0 ( f ) f 、。 对于6 种主要的n 一气体模型，计算公式可以表示为： f e d 一 + 【c d 2 卜bl c 5 0 ( h c n ) 2 1 一l c 5 0 ( d 2 ) l c s o ( h c l ) f h b r l 0 1 j ， 三c 5 0 ( 魍) 当f e d 值等于1 时，说明部分死亡。 上述几种方法，都是基于静态的危害性效应数据，有着很大的局限性。 一是这些数据主要来自积累的动物实验，而针对人的数据非常有限，而且 各个研究者采用的测试装置与测试程序不尽相同，限制了数据的拓展；二 是在实验测试中，动物或者为静态或者为机械活动，不能恰当模拟人在火 灾场景中的逃生行为，因为此时人的运动频率和呼吸是与时间有关的。方 廷勇等将这些因素考虑进来，提出了一个动态评估模型 3 4 3 5 】。 另外的研究，主要集中于烟气中危害性气体生成、迁移传播方面。 早期，研究集中于火灾房间烟气的生成机理，主要是c o 的生成机理。 b e l y e r ，z u k o s k i 等人进行了大量的罩式实验【3 6 4 0 】，通过研究火羽流卷吸 来了解c o 等气体的生成机理。这些实验将集气罩放在实验室火源上方来 获取燃烧产物，如图1 1 。通过调节集气罩的高度柬保证系统稳定，以改 变火灾烟气的不同组成。研究发现，火灾气体例如c o ，c 0 2 ，0 2 等与g e r 参数有很强的关联性，图1 2 显示用天然气燃料的罩式实验中g e r 与0 2 ， c o 等的关系。g e r ( 燃料和空气消耗的总当量比) 是采用燃料和空气消 耗的当量比来描述燃烧状况的参数。g e r 通常用矽来表示，定义如下： 4 第一章绪论 噍= 毪 4 ， 其中，妒。表示的是总当量比g e r ，即燃料燃烧过程中某一瞬时的燃料 消耗和空气消耗实际之比和理想状况下这种燃料完全燃烧生成水和二氧 化碳的燃料量和空气量之i t ；。扁删表示的是燃料质量损失速率，r h 。表示 的是空气质量消耗速率，s t o i c h i o m e t r i e 表示的是理想状态下，完全按照当 量比燃烧。 0 图1 1罩式实验装置示意图( 取自文献3 6 ) 图1 2 a 罩式实验g e r 与0 2 的关联( 取自文献3 7 ) s o o i g 盘k olo乏0 第一章绪论 g l o b a le q u i v a l e n c er a t i o 哦 图i 2 b罩式实验g e r 与c o 的关联( 取自文献3 8 ) g e r 的概念经过多位研究者不断完善和修正，作为预测c o 生成的模 型，获得广泛使用【4 1 - 4 3 】。但是，g e r 在使用中也发现了很多问题，l e v i n e ， n e l s o n 等对仓库建筑进行了全尺寸的实验模拟，室内的天花板用木材制 成，结果表明，在房间上层烟气层测得的c o 浓度的数值远远偏离根据g e r 概念的预测值 4 4 4 5 1 。小尺寸实验研究表明【4 4 】，不同位置c o 浓度和气 体温度有变化。这就需要重新考虑其对g e r 的修正问题，因为g e r 是基 于两层区域模型的。l e v i n e 和n e l s o n 等通过全尺寸实验发现了c o 形成的 一个新机制：木材的厌氧热解【5 5 】。实验发现，木材火的c o 浓度远远高 于罩式实验。研究者发现c o 生成的一个新机制，当空气直接进入火源房 间上层，而不是羽流中，随后运动到腔室前端，进而跟其他气体发生反应 形成c o 。这就使得原有g e r 的计算发生了偏差。 p i t t s ，g o t t u k 等人对上层气体反应的化学动力学进行了模拟研究，表 明，高温下上层气体发生反应，而使得高浓度的c o 能够产生 4 6 4 9 1 。 m u l h o l l a n d 等还发现了空气对c o 形成的影响，因为有氧化物的存在，c o 的形成会轻微增加。这是新的c o 形成的机n 5 0 1 。 g o t t u k 用单个小尺寸的房间( 1 2 m x l 2 m 1 5 m ) 进行了实验，如图 1 3 ，b r y n e r 等人也用天然气进行了实验( 1 o m x l o m x l 5 m ) ，都证明了 g e r 的有效性【5 l 5 2 】。g e r 概念能够扩展到受限火灾中。b e y l e r 进而在罩 6 co口釜里o=ou 第一章绪论 式实验装置中，对聚甲基丙烯酸甲酯、木材、正己烷等燃料进行了测试， 结果表示g e r 的概念能够拓展【3 6 】。j a n s s e n s 和t r a n 提出了g e r 计算算 法，主要是通过计算气体进入和输出房间的流率 5 3 】。 图1 3单个腔体实验装置示意图( 取自文献5 2 ) 对于烟气迁移传播规律的研究，主要集中于研究火源房问附近烟气的 浓度场、温度场以及烟气层的厚度及其传播规律。 b r y n e r ，f a r d e l l ，h e s k e s t a d ，n e l s o n 等人建立了各种尺度的实验台， 对房间、走廊、目标房间等烟气成分的浓度进行了研究【5 4 5 7 】。这些研究 虽然提供了有益的数据，但是未能真i f 解决烟气组分在向远距离传播时的 发展变化规律。美国v i r g i n i a 理工大学的研究组在烟气向远距离处的迁移 规律方面了大量的工作【5 8 6 4 ，他们构建了房阆和走廊结构，实验采用通 风受限燃烧。他们观坝4 了房间中的燃烧向走廊中扩展，同时也发现了走廊 远端处的回燃现象，并且说明了走廊远端的回燃降低了c o 浓度。他们认 为走廊后段管道中的c o 生成主要和在走廊中流体的流动特征及进入走廊 中的气体化学当量比有关系。走廊中流体的流动特征主要是由房间和走廊 中的开口大小以及开口和顶棚之间的距离所决定，流动的机理就决定了从 火源房间进入走廊中的烟气对于氧气的卷吸量。 在国内，张和平等人用盐水模拟的方式构建了侧间一走廊建筑结构， 研究了走廊烟气速度受烟气流量、密度和点源位置的影响，其中点源位置 7 第一章绪论 的影响最小 6 5 6 6 】。姜冯辉、钟茂华等人在1 2 比例多层楼模型中进行了 烟气向中厅扩散和双室火灾烟气特性的实验研究 6 7 6 9 1 。这些研究将烟气 看作是个整体对象，进行烟气运动方面的研究，而没有关注气体中危害性 气体的分布。黄锐、杨立中等人建立的小尺度实验台进行了广泛的针对烟 气危害性气体分布的实验研究，提出了峰宽概念用于评价小尺度实验中的 烟气危害性，并且通过实验揭示了开口大小对于烟气中危害性气体的影响 【7 0 - 7 l 】。邱榕针对火灾烟气有害组分方面的研究以及毒害物质机理方面的 初步研究 7 2 7 3 1 。 计算机数值模拟也是火灾烟气领域常用的方法，大量的研究采用数值 和实验相结合的方法。目前，应用于火灾烟气研究的计算程序已经很多， 包括区域模拟和场模拟，它们多以描述烟气运动传播规律居多，而对于烟 气中危害性气体在迁移过程中的变化规律的模型还不成熟。美国n i s t 实验 室开发的f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r 程序是近年来发展起来的并获得广泛应 用的专用火灾模拟程序 7 4 】，其用于火灾烟气模拟也被很多研究者采用。 综上所述，研究烟气传播的毒性作用的生物实验研究比较多，而关注 烟气中危害性气体在火灾中的迁移及其受环境的影响则比较少。特别是对 于危害性气体在建筑空间内的传播路径和空间分布情况的研究比较欠缺， 这将影响对烟气中危害性气体传播的认识和了解，所以，系统地研究这表 明，火灾中远距离房间的危害性气体将发挥更严重地危害人员安全。从数据分析 还可以发现，目标房间窗户的关闭或者敞开并不能显著影响在房间的烟气层下降 速度。 典型的建筑结构中烟气浓度迁移规律是非常必要和重要的，有着理论 意义和应用价值。 1 3 研究内容和目标 从上面综述可以看出，在典型的建筑结构中，关于火灾烟气中危害性 气体从起火房间到远距离处的迁移规律及其危害性评价方法的研究还不够 丰富。特别是对于烟气在迁移过程中危害性气体的空间分布和演化过程的 研究更是很少见到研究报道，因此本文的研究重点是： 8 第一章绪论 1 以普通建筑结构中抽象出来的火源房间、走廊和目标房间的结构形式 为重点，主要依托已经建立的小尺寸烟气毒物迁移实验台进行实验研 究，拓展该实验台的功能，研究由近及远多种工况下烟气中危害性气体 的迁移规律。 2 选取火灾中常见燃料，研究火源房间内不同材料燃烧