【《开口火溢流研究现状文献综述》2900字】

开口火溢流研究现状文献综述建筑火灾的研究一直以来都是国内外学者们的重点研究内容，其主要研究内容包含：材料的热解、火蔓延、烟气控制、阻燃材料等方面。本文针对建筑火灾中的腔室火灾发展过程及开口火溢流两个部分进行研究。腔室属于一种典型的受限空间条件，其开口大小及开口位置均对腔室内火灾的发展过程产生重要的影响，如：舰船舱室开口位于腔室顶部；排气扇开口位于腔室侧壁顶部；窗开口位于腔室侧壁中央；门开口位于腔室侧壁底部，可以预见不同的边界条件，火灾的演化过程也会大不相同。在20世纪50年代，Kawagoe在通风控制条件下，开展了木垛实验，研究发现当腔室内部进入充分发展阶段时，腔室内燃烧速率可用以下公式来表示：（kg/min）(1.1)这里，A表示腔室开口面积，H表示开口高度，表示通风因子。在此基础之上，QuintiereADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Quintiere</Author><Year>1979</Year><RecNum>42</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>42</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616582328">42</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Quintiere,J.G.</author></authors></contributors><titles><title>Experimentalandtheoreticalanalysisofquasi-steadysmall-scaleenclosurefires</title><secondary-title>SymposiumonCombustion</secondary-title></titles><periodical><full-title>SymposiumonCombustion</full-title></periodical><pages>1125-1137</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1979</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]和BabrauskasADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Vytenis</Author><Year>1981</Year><RecNum>43</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2]</style></DisplayText><record><rec-number>43</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616582453">43</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Vytenis</author><author>Babrauskas</author></authors></contributors><titles><title>Estimatingroomflashoverpotential</title><secondary-title>FireTechnology</secondary-title></titles><periodical><full-title>FireTechnology</full-title></periodical><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2]利用流体力学中的伯努利方程，推导出通风控制条件下腔室火灾开口火溢流气体流动模型，得出了腔室开口中性面高度的表达式及流入腔室的空气质量流率。图1.5所示为腔室火灾开口火溢流中性面推导模型。图1.5腔室火灾开口火溢流中性面模型如图1.5所示的腔室火灾，假设腔室内的气体已经充分混合，中性面由其定义可知，中性面上腔室内外压差为0，因此可以理解为该平面上并无气体的相对流动。当腔室内部发生燃烧后，燃烧产生的热烟气由开口中性面上部溢出腔室，新鲜空气通过开口中性面下部流入腔室以提供腔室内部燃料燃烧。由质量守恒定律推导出开口处空气流入速率：(1.2)其中表示流通系数，一般取值为0.7，分别表示充分燃烧状态下空气与腔室内的烟气密度，一般介于1.8~5.0之间。代入上式可得通风控制条件下空气的流入速率为：(1.3)以及中性面高度的表达式：(1.4)式中为中性面到开口底部距离，H为开口高度。通常情况下中性面的高度约为0.4H。通风控制条件可理解为腔室内氧气完全消耗状态，因此腔室内热释放速率可通过耗氧法求得：(1.5)其中为腔室内每消耗1kg空气释放的热量，为3000kJ/kg，将公式（1.3）代入公式（1.5）得：(1.6)这表明腔室内氧气完全消耗，腔室内燃料燃烧共释放1500kJ热量，且只与通风因子有关。对于腔室内温度的研究，MaCaffreyADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mccaffrey</Author><Year>1981</Year><RecNum>45</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>45</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584528">45</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Mccaffrey,B.J.</author><author>Quintiere,J.G.</author><author>Harkleroad,M.F.</author></authors></contributors><titles><title>Estimatingroomtemperaturesandthelikelihoodofflashoverusingfiretestdatacorrelations</title><secondary-title>FireTechnology</secondary-title></titles><periodical><full-title>FireTechnology</full-title></periodical><pages>98-119</pages><volume>17</volume><number>2</number><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3]基于能量守恒提出了MQH温度预测公式：(1.7)其中等式右边第二项表示通过开口中性面上部流出腔室的热量，第三项表示腔室上层通过热辐射和对流换热损失的热量，它近似等于通过腔室表面损失的热量。在此基础之上FooteADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584752">46</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><1-139.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]添加了强制通风条件，对MaCaffrey的模型进行修正：(1.8)浮力羽流是火灾研究领域的一个重要方面，浮力羽流可看作一个由燃烧火焰产生的热烟气柱，浮力羽流的特征包括火焰的竖向温度、径向温度、火焰高度、火焰根部位置等。对于腔室开口火溢流，外部火焰温度分布，前人学者进行了大量的研究。早在1960年YokoiADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Shizuo</Author><Year>1960</Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584872">47</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Shizuo,Y.</author></authors></contributors><titles><title>StudyonthePreventionofFire-SpreadcausedbyHotUpwardCurrent</title><secondary-title>建築研究報告</secondary-title></titles><periodical><full-title>建築研究報告</full-title></periodical><volume>34</volume><dates><year>1960</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]便开始了开口火溢流的研究，利用缩尺寸试验台，研究不同开口条件下，溢出羽流的竖向温度分布，实验以酒精为燃料，得出了腔室外立面竖向温度分布模型，如图1.6所示。图1.6YokoiADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Shizuo</Author><Year>1960</Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584872">47</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Shizuo,Y.</author></authors></contributors><titles><title>StudyonthePreventionofFire-SpreadcausedbyHotUpwardCurrent</title><secondary-title>建築研究報告</secondary-title></titles><periodical><full-title>建築研究報告</full-title></periodical><volume>34</volume><dates><year>1960</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]外立面开口火溢流竖向火焰温度分布其中表示高度Z处火焰温升，为定义的火源有效半径，H和W分别表示开口高度和宽度,表示溢出开口的热释放速率，表示环境温度，表示空气定压比热容，表示高度Z处烟气密度。在火焰径向温度分布的研究中，Rouse、Yih和HumphriesADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Rouse</Author><RecNum>48</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>48</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584923">48</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Rouse,H.</author><author>Yih,C.S.</author><author>Humphreys,H.W.</author></authors></contributors><titles><title>GravitationalConvectionfromaBoundarySource</title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]将高斯分布模型应用于火羽流径向温度的研究中：(1.9)其中T为距离羽流中心线距离r处的温度，为环境温度，为高度Z处的最高温度。对于开口火溢流，LeeADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Lee</Author><Year>2007</Year><RecNum>49</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>49</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584980">49</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Lee,Y.P.</author><author>Delichatsios,M.A.</author><author>Silcock,Gwh</author></authors></contributors><titles><title>Heatfluxesandflameheightsinfaadesfromfiresinenclosuresofvaryinggeometry</title><secondary-title>ProceedingsoftheCombustionInstitute</secondary-title></titles><periodical><full-title>ProceedingsoftheCombustionInstitute</full-title></periodical><pages>2521-2528</pages><volume>31</volume><number>2</number><dates><year>2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]建立了矩形火源理论，他认为溢出羽流由一个位于紧贴外立面处于中性面高度上的矩形火源产生，如图1.7所示。矩形火源的特征边长平行于外立面，特征边长垂直于外立面，表征火溢流在浮力作用下由水平方向变为垂直方向时到建筑外立面的距离，可分别表征如下：(1.10)(1.11)图1.7Lee矩形火源模型唐飞ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Hu</Author><Year>2013</Year><RecNum>50</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>50</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616585048">50</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hu,L.H.</author><author>Tang,F.</author><author>Delichatsios,M.A.</author><author>Lu,K.H.</author></authors></contributors><titles><title>Amathematicalmodelonlateraltemperatureprofileofbuoyantwindowspillplumefromacompartmentfire</title><secondary-title>InternationalJournalofHeat&MassTransfer</secondary-title></titles><periodical><full-title>InternationalJournalofHeat&MassTransfer</full-title></periodical><pages>447-453</pages><volume>56</volume><number>1-2</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]等人通过将Lee的矩形火源模型引入溢出羽流温度的高斯分布模型，提出了腔室开口火溢流外立面羽流径向温度高斯分布模型：(1.12)模型修正了Rouse提出的火焰上方羽流径向温度，并较好地拟合了开口火溢流条件下外立面羽流径向温度。ThomasADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Thomas</Author><Year>1963</Year><RecNum>51</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>51</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616585094">51</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Thomas,P.H.</author></authors></contributors><titles><title>Thesizeofflamesfromnaturalfires</title><secondary-title>NinthSymposiumonCombustion</secondary-title></titles><periodical><full-title>NinthSymposiumonCombustion</full-title></periodical><pages>844-859</pages><volume>9</volume><number>1</number><dates><year>1963</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]通过实验建立了无外立面条件下腔室开口火溢流火焰高度的模型；YokoiADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Shizuo</Author><Year>1960</Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584872">47</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Shizuo,Y.</author></authors></contributors><titles><title>StudyonthePreventionofFire-SpreadcausedbyHotUpwardCurrent</title><secondary-title>建築研究報告</secondary-title></titles><periodical><full-title>建築研究報告</full-title></periodical><volume>34</volume><dates><year>1960</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]通过木垛实验在得出火溢流竖向温度分布的基础上，提出了开口火溢流火焰高度模型；LeeADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Lee</Author><Year>2007</Year><RecNum>49</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>49</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5ssf2atw9xxw94efx2jxpxv1de9wev52zd2t"timestamp="1616584980">49</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Lee,Y.P.</author><author>Delichatsios,M.A.</author><author>Silcock,Gwh</author></authors></contributors><titles><title>Heatfluxesandflameheightsinfaadesfromfiresinenclosuresofvaryinggeometry</title><secondary-title>ProceedingsoftheCombustionInstitute</secondary-title></titles><periodical><full-title>ProceedingsoftheCombustionInstitute</full-title></periodical><pages>2521-2528</pages><volume>31</volume><number>2</number><dates><year>2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]与Delichatsios等人通过建立了矩形火源模型，给出了自由边界通风控制条件下火焰高度的关系表达式：(1.13)其中为无量纲溢出热释放速率，为开口特征长度。按照大小对溢出火焰形态进行区分可以得出：①当＜1.3时，溢出火焰贴附外立面向上发展，呈“贴壁”状，此时空气卷吸主要来源于正面（平行于外立面），为二维卷吸；②当＞1.3时，溢出火焰因溢出动量较大，呈现出“半轴对称”状，此时空气卷吸来源于火焰两侧与火焰正面，为三维卷吸。以上对于开口火溢流的研究大多处于自由边界条件下，然而生活中不同地区，不同建筑类型建筑火灾外界环境条件又会对开口火溢流的演化产生极大的影响。国内外学者对不同边界条件下腔室内火灾的演化过程及开口火溢流的演化规律进行了深入研究。任飞ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[10-12]等人研究了具有正向风条件下腔室内温度演化，建立了腔室内上下层温差的分布模型：(1.14)其中挑檐具有排水、遮雨以及外墙保护的作用，因此是建筑设计中重要的组成元素，大量存在于住宅小区等场所。陆凯华ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[13-15]等人针对挑檐对火蔓延的影响开展了研究，建立了挑檐下火焰蔓延的半圆模型（如图1.8所示）。图1.8挑檐下溢出火焰蔓延模型唐飞ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[16-18]等人开展了不同大气压强条件及倾斜挡墙条件下开口火溢流的特征研究，并以此为边界条件修正了开口火溢流温度分布与火焰高度预测模型。高层建筑因天气风向变化会受到多种类型环境风的影响，环境风的大小会影响空气卷吸的程度亦或者会很大程度上限制或促进火蔓延现象的发生，因此前人学者根据不同类型的环境风ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[19-21]修正了溢出火焰高度及羽流分布预测模型。本节内容通过文献调研的方式，总结了前人学者在腔室火溢流领域取得的研究成果。前人学者对开口火灾演化基本规律进行了模型的建立及修正，完善并发展了腔室火灾基础理论。但前人学者开口火溢流研究设置的开口多位于侧壁中央位置，而生活中又有位于侧墙底部的门开口，或是位于高位的窗户等，对于不同抬升高度开口火溢流影响的研究仍较为缺乏。参考文献[1] QUINTIEREJG.Experimentalandtheoreticalanalysisofquasi-steadysmall-scaleenclosurefires[J].SymposiumonCombustion,1979.[2] VYTENIS,BABRAUSKAS.Estimatingroomflashoverpotential[J].FireTechnology,1981,[3] MCCAFFREYBJ,QUINTIEREJG,HARKLEROADMF.Estimatingroomtemperaturesandthelikelihoodofflashoverusingfiretestdatacorrelations[J].FireTechnology,1981,17(2):98-119.[4] FooteKL,PagniPJ,AlvaresNJ.Temperaturecorrelationsforforced-ventilatedcompartmentfires[J].FireSafetyScience,1986,1:139-148.[5] SHIZUOY.StudyonthePreventionofFire-SpreadcausedbyHotUpwardCurrent[J].建筑研究报告,1960,34[6] ROUSEH,YIHCS,HUMPHREYSHW.GravitationalConvectionfromaBoundarySource[J].[7] LEEYP,DELICHATSIOSMA,SILCOCKG.Heatfluxesandflameheightsinfaadesfromfiresinenclosuresofvaryinggeometry[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute,2007,31(2):2521-2528.[8] HULH,TANGF,DELICHATSIOSMA,etal.Amathematicalmodelonlateraltemperatureprofileofbuoyantwindowspillplumefromacompartmentfire[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2013,56(1-2):447-453.[9] THOMASPH.Thesizeofflamesfromnaturalfires[J].NinthSymposiumonCombustion,1963,9(1):844-859.[10] HUL,FEIR,HUK,etal.Anexperimentalstudyontemperatureevolutioninsidecompartmentwithfiregrowthand