现代建筑火灾动力学探讨

1、现代建筑火灾动力学探讨 现代消防员始终铭记的是20世纪六七十年月采纳的有关火灾行为的培训内容。他们知道燃烧三要素(燃料、氧气和温度)的三面形，即燃烧三角形。这里燃烧三角形会很快进展成为燃烧四面体，增强一个无穷连锁反应的第四坐标，并且了解火灾行为中三种传热方式。但是，人们渐渐发觉火灾烟气的危急性更高，尤其是塑料制品燃烧产生的烟气，这个结果让人们很震动。 因此，人们开头深化研究火灾行为，包括轰燃、回燃以及不同灭火行为的灭火效果。同时，人们也开头估算火灾荷载，即单位面积或者单位英镑木材或者复合材料的热量释放大小，通常以Btus/1b(英国的热力学单位)。描述或行为开头使用以下几个新的参数:°

2、;F(华氏温度)、水容量(gal/mn)和水压力(1b/in2)。近年来，火灾行为方面的计算机模型已经取得了突飞猛进的发展，NIST和UL开展的灭火研究也取得了重大突破。这些模型和研究仍需举行进一步验证，以确保灭火行为准时和始终在进展变化的火灾行为保持全都。 1基础理论 虽然当前堆积的火灾理论是建立在燃烧四面体和火灾三个不同进展阶段基础上，对于这些火灾理论，不同的人褒贬不一，而且其中的火灾进展阶段或者火灾描述方式，通常是定性的，而非定量的。比如，将轰燃定义为房间内全部物质同时开头被引燃的时刻。现在，这些火灾理论急需进展深入，用定量的方式认识火灾行为。在定量描述火灾行为时，应使用国际单位而不是英

3、国单位，温度应使用摄氏度()，长度应使用米(m)等等，这与全部的技术报告以及大多数的计算机模型均是全都的。虽然英国单位也是可行的，但是应用范围并不广，比如，描述一个12ft×10ft×8ft房间的火灾试验，顶棚温度可达1200°F，而相应的计算机模型一般房间尺寸为3.7m×3m×2.5m，顶棚温度为650。 据研究，三种传热方式热传导、热对流以及热辐射，在分析火灾进展和扩散(包括轰燃的发生)时都很重要。对于传热过程的理解，一般认为是，热传导是分子热运动和分子能量传递的过程，热对流是流体的运动过程，热辐射为电磁能量的传递过程。每种传热方式均包含着

4、能量从一个物体的高温处传导到另一个物体的低温处，能量一般被界定为做功的能力大小。正确使用当前的消防术语，就务必定量描述火灾行为。虽然本文并不会使用公式运算(教科书和课堂上可以使用类似的方式)，但是本文将重新界定火灾动力学中的传热过程和描述火灾能量的术语。 2传热过程 研究传热过程，最重要的就是决定从一个位置到另一个位置确切传导了多少能量，比如从一个火焰(流体)给一个固体表面(比如墙体)举行的热对流传热大小。将这种热传导方式定义为热通量(heatflux)，描述为单位面积的热能量(heatenergy)大小，并使用变量q描述三种传热方式中任一个的热通量大小。既然不同的热通量均为q，那么衡量热能和

5、面积的单位是什么呢?热通量通常以kW衡量，面积通常使用m2。 因此，热传导通常以kW/m2来衡量。那么这个单位的意义是什么?怎么应用到灭火中去呢?固然，传热过程时刻在四周影响我们。虽然人们不能“看到”热量被传导，但是可以看到辐射热源将一个裸露部件点燃，墙上插着的铁棒通过热对流将纸盒点燃以及热对流将内部装修材料引燃。从定量角度来看，q的值可以衡量一个物体是否能够发生引燃以及它将带来的损失。 比如，刨花板(在没有点火源的状况下)在一个外部20kW/m2的热源作用250s后能够发生自燃。暴露的皮肤在4kW/m2的热源下会被烧伤。在很多教科书中，轰燃被定义为房间内全部可燃物同时被点燃的时刻，一些消防研

6、究者认为，热顶棚到达地板的热通量达到20kW/m2时即可发生轰燃。目前在互联网上搜寻火灾资源，不同的试验对很多材料的点燃能量举行了不同的研究。另外，试验报告还对火焰、羽流、顶棚烟气层以及特性条件和不同温度下的热通量举行了研究。在灭火应用中，定量描述传热过程可以按照实际状况不断变换灭火方法。例如，我忽然收到消息，一所高中旁的僻静位置的汽油储罐群发生了火灾爆炸(开放的蒸气开头爆燃)，堤坝泄露的火焰不断释放辐射热。 定量描述火灾爆炸对于高中的辐射热量大小，需考虑火焰高度、小学与罐体之间的距离以及火焰的辐射热通量，是否足矣将小学的可燃物质引燃。了解消防术语和热流量大小可以使每个人面向火灾举行个人防火时

7、更好地理解各种技术报告参数。比如，近期对于便携式广播的热测试以及失效测试将热流大小作为测试准则之一。考虑以下场景:假设消防员头盔顶部带有辐射计(测试辐射大小的装置)，而轰燃的临界辐射热通量大小为20kW/m2，那么假设消防员在临近轰燃热源时了解火灾的各种实时参数，那么这将非常有利于准时实行防护措施。在举行火灾内攻时，通过控制空气提供来管理空气量非常重要，那么为什么不去更多地了解消防员四周的火灾状况呢?在将来，在消防员举行内攻时，可能就可以随时监控辐射热通量的大小。 3火源能量 今日，许多防火研究者都使用热释放速率衡量火源能量的大小，他们认为这是火灾进展的唯一重要因素。对于消防员来说，这个变量可

8、以衡量火灾危急程度。如前所述，很多年来，依据火灾荷载举行火灾风险预评估，尤其会使用火灾中每磅的特定可燃材料对于地板的释热(Btus)。今日，优化的火灾风险评估会使用最大热释放速率。不管是哪种火灾，热释放速度随着时光发生变化，开头比较小，渐渐增大到一个峰值，最后随着火灾烧完或者通风状况发生变化而渐渐减小。在图上，“火灾的囫囵生命周期”就像一个山形，而山坡比较陡或者一般按照燃烧材料的不同而不同。热释放速率的峰值，也就是“山”的顶点常用于衡量火灾危急大小，由于它通常是火灾中的最危急条件。 热释放速率一般用Q(一般被称为“大Q”)表示，大火时使用kW或者MW衡量。对于一些常见材料的火灾，包括废纸篓等的

9、最大热释放速率从450kW不等，圣诞树的最大热释放速率为35MW，聚乙烯沙发大约为3MW。在过去的15年里，实际火灾的计算机模型始终使用NIST开辟的FDS模型。最早的火灾模型模拟了华盛顿在1989年发生在CherryLane的一起火灾，火灾中两名消防员殉职。火灾模型用于模拟火灾进展，包括火灾中的通风变化，图1显示了变化的热释放速率。留意，热释放速率的猛然增大发生在建造侧门在140s被骤然开启的瞬间。当前，FDS以及它的附加产品Smokeview(可以供应FDS计算机模型的可视化图像)不仅用于研究实际火灾，还可用于设计新建的“标志性”建造，尤其是用于“性能化”消防设计。在这种状况下，建造虽然不

10、能满意规范中的防火要求，但是可以达到一定的防火性能。这种防火性能评估时，一种或者几种特定的火灾规模(热释放速率使用kW或者MW衡量)需加以考虑。 重要的是，在建立计算机模型时，需要选取火灾种类并且举行建模，并且选取合适的疏散时光、设计合适的灭火系统等等。固然，显而易见的是，选取一个最危急场景下的火灾模型至关重要。基于一种特定的火灾规模你可以举行消防设计。按照阅历，在设计火灾场景时必须谨慎。有时设计者可能低估火灾规模，倘若对于火灾规模没有精确的衡量依据，请准时询问相关专家。做这种类似的确定并不简单。有一次，参与了德克萨斯州圣安东尼奥的消防规范修订过程。最难决定的是火灾现场人员的疏散时光。依据重要的火灾报告和专家建议，评估的最危急的火灾场景的最大热释放速率为20MW。 这种火灾规模用来设计排烟系统，这个系统通过排烟而为疏散人群发明一个清洁的疏散路径。终于，要求实际火灾规模为20MW，使用