消防燃烧学第七章

1、 免责声明本书是由杜文峰组织编写的消防工程学，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。 西安科技大学 消防工程专业 2009级 赵盼飞 2012、5、28 第七章 室内火灾简介 第一节概述 室内火灾是一种受限

2、空间内的燃烧，是建筑物火灾的重要形式。一般说，除了住宅、商店、厂房、仓库等建筑物外，汽车和火车的车厢、飞机和轮船的舱、工厂的实验间等也都是典型的室。因而室内火灾具有广泛的研究对象。这种室的形状与人们生产和生活所在的空间差不多，其长宽高比例相差不大。火灾现象与它所在空间的大小和形状有密切关系，体积过小或长度过长或形状很复杂的空间中的燃烧与通常的室内火灾燃烧有较大差别，此处不做讨论。 室内火灾常常是从某种可燃固体着火开始的。在某种火源(或热源)的作用下，可燃物先发生阴燃，若条件合适就会转变为火焰燃烧。明火的出现标志着燃烧速率增大，室内温度迅速升高。在可燃物上方形成向上流动的烟气羽流。当羽流受到顶棚

3、的阻挡，便会沿顶棚扩展开来，形成水平流动的烟气顶棚射流。烟气就会在顶棚下方形成逐渐增厚的热烟气层。当烟气层的厚度超过通风口顶部至顶棚的高度时，部分烟气可从室内流出，或者流到外界环境中，或者进入建筑物的走廊。当火足够大时，流出的热烟气可导致火灾的蔓延。 室内火灾中存在着可燃物、火焰、烟气羽流、热气层、壁面和通风口等因素的影响，它们之间存在复杂的相互作用，从而出现受限燃烧的特殊现象。 室内平均温度是表征火灾燃烧强度的重要指标，常用这一温度随时间变化的情况描述室内火灾的发展过程，见图7一l。室内火灾可分成三个阶段：火灾的初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。在前面两个阶段之间，有一个温度急剧上升的狭

4、窄区，通常称为轰燃区，它是火灾发展的重要转折区。以此为界，将第一阶段称为轰燃前阶段，将第二阶段称为轰燃后阶段。 三个阶段的主要特征如下：(1) 初期增长阶段。这一阶段从出现明火算起。开始火焰体积较小，燃烧状况与敞开环境中的燃烧条件差不多。随后火焰体积逐渐增大。壁面便可对燃烧状况产生明显影响，这时室内的通风状况对火灾的后续发展具有重要作用。 如果室内通风条件足够好，允许火灾继续发展，则室内温度会迅速升高。并引起燃烧速率迅速增大，即发生了轰燃。与火灾的其他阶段相比。轰燃所占的时间较短，因此把它看作一个事件，而不作为一个阶段。 (2) 充分发展阶段。进入此阶段后，室内的燃烧强度仍在增加，释热速率逐渐

5、达到最大值，室内温度可超过1000，因而可以严重地损坏室内设备以及建筑物本身，甚至造成建筑物部分或全部倒塌。高温火焰还卷着很多的可燃气体从起火室窜出，使火焰蔓延到邻近的区域，这是火灾中最危险的阶段。 (3) 衰减阶段，这是火灾逐渐冷却的阶段。由于室内可燃物的挥发分大量消耗，火焰燃烧逐渐无法维持，室内只剩下一堆赤热的焦化后的炭，它按固体炭燃烧的形式进行无焰燃烧，其燃烧速率已相当缓慢。一般认为火灾衰减阶段是从室内平均温度降到其峰值的80%时算起。 上述是室内火灾的自然发展过程。实际上，一旦室内失火，人们总是要尽力扑救的，这些人为行动可以或多或少地改变火灾的发展过程。不少火灾尚未发展到轰燃就被扑灭，

6、这样室内便不出现破坏性的高温。如果火是人为扑灭的，则可燃材料中的挥发分并未完全析出，可燃物周围的温度在短时间内仍比环境温度高，它容易造成可燃挥发分再度析出，一旦条件合适，被扑灭的火场又会重新发生明火燃烧，这种死灰复燃的问题不容忽视。 第二节室内受限燃烧的特点 燃烧是可燃物和氧化剂间发生的强烈放热的化学反应，通常燃烧要在气体流动过程中进行，室内壁面的存在既影响室内、外之间的气体流动，又影响室内外的热交换，这就导致了一些比较特殊的燃烧现象。 一、通风因子 川越邦雄(Kawagoe)等较早研究了通风状况对室内火灾发展的影响。以木棒垛作燃料床，测量不同大小的通风口时燃烧速率的变化，见图72。结果发现燃

7、烧速率与参数大致成线性关系： (kg/min) (71)式中，A为通风口的面积(m2)；H为通风口自身的高度(m)；基本参数称为通风因子。这一结果经分析使用后。普遍认为它可作为研究室内火灾发展的基本规律，公式(71)只在一定的范围内适用，而且其中的常数值是由可燃物的类型决定的。一般说，在上述范围内，可燃物的燃烧速率由流入室内的空气流率决定。如果通风因子不断加大将会出现燃烧速率与通风因子无关的状况。 通风因子是由川越邦雄按半经验的方法归纳导出，也可根据气体流入和流出燃烧空间的情况由理论分析得出。下面介绍这种理论分析的基本推导过程。 为了进行分析，作以下假设：室内气体是充分混合的，气体的性质在室内

8、整个容积内是均匀的，实验表明发生轰燃后，室内除了接近地板的狭窄区域外。其他部分的垂直温度梯度很小；室内不存在由于浮力而产生的净向上流动；在通风口处存在一压力中性面，热气体从中性面以上流出室外，冷空气从中性面以下流入室内，见图73(a)；气体流入与流出着火室是由浮力驱动的；流入与流出气体之间的相互作用忽略不计。 根据上述假设，着火室便被模化为一个良好搅拌的燃烧室。如果已知室内外的压力，则沿中性面之上任一条流线水平流出的气体量可根据柏努利方程求出，设室内的中性面之上高度为y1处的压力(图73(a)中的点1)为 (72) 式中，表示气体密度，其下标表示对应的空问位置，下同。P0是中性面(即y=0)处

9、的大气压力。在刚刚离开通风口(即图中的点2)处，流出射流的压力等于该高度位置的环境压力，即 (73)点1和点2处的流动状况可用柏努利方程关联起来，即 (74)式中v1和v2分别为点1和点2处的纯水平流速。但由于室内混合物处于高度湍流状况，因而可认为v1=1，即室内没有纯的定向流动。于是上式可写为 (75)若假设从点2流出的气体的温度与点1处的相同(也就是两点处的气体密度相同)，整理上式可得 (7 6)对于流入的空气也可作类似分析并得到 (77)及 (78)式中的y3低于中性面，计算时应取负值。为了代表位置的一般性。现用下标F表示室内气体，0表示环境气体，于是两个速度方程可改写为 (79)及 (

10、710)这两种流速数量级在几米/秒。将它们分别在各自的流通面积内积分，可以算出流入与流出的气体的质量流率，即 流入 (711) 流出 (712)式中，Ca是通风系数；B是通风口的宽度(m)；是气体的质量流率(kg/s)；h0和hF分别为冷空气与热烟气流过通口的高度(m)。h0 + hF =H，见图73。将前面得到的速度公式分别代入这两式中，最后可得到 (713)及 (714) 如果假设室内发生的是总体化学反应，即可以写为： 1 kg(可燃物) + rkg(空气) (1+r)kg(产物) 若考虑到反应不是在化学当量比状况下进行，上式可写为 式中，是空气修正系数，于是 (715)把方程(713)和

11、(714)算出的和代入此式，则中性面距通风口下边缘的高度h0可表示为通风口总高度H的函数。将hF写为(Hh0)，可得 (716) 如果使用、r和的常见值进行计算，可得到约为0.30.5，即进风部分的高度一般比排气部分的高度略小。燃烧产物的质量绝大部分来自空气，故可假设 (即=0)。把方程(716)计算的h0代入方程(713)中，可得 对于轰燃后的室内火灾，一般为1.8 5，上式密度项的平方根可近似取为0.21。若令=1.2kg/m3，=0.7，g=9.81m/s2，则空气流入速率可近似为 (kg/s) (718) 对木材而言，化学当量比燃烧所需的空气量约为5.7kg(空气)/kg(木材)。设室

12、内正处于化学当量比燃烧，则木材的燃烧速率可写为 (719) 在作了如此多的假设后，由理论分析得到的燃烧速率竟与川越邦雄的经验公式出乎意料的一致。这一点自然有些偶然，但它确实表明通风因子具有重要意义。 二、室内燃烧的控制形式 在前面实验所取的通风因子范围内，可燃物的燃烧速率是由空气流入速率决定的，这种燃烧称为通风控制燃烧。室内燃烧还存在着另一种控制形式，即燃料控制。燃料控制的燃烧速率由可燃物的性质决定。当火源的大小与受限空间相比很小时，空气供应是充分的，这是燃料控制燃烧的一种形式。在容积一定的空间内如果火源的体积不断增大，通风条件便可逐渐支配燃烧速率，即室内燃烧进入了通风控制阶段。 若通风口过小

13、，燃烧速率只可能维持很低的值。但随着通风因子的增大，燃烧速率亦不断升高。如果通风口持续增大，又将会达到燃烧速率与通风口大小无关的状态，这是然料控制燃烧的另一种情形。因此通风控制燃烧是在一定的受限空间内，火源具有一定规模时达到的燃烧形式。在室内火灾中，火区的发展一般都会很快发展到这种阶段。它是室内火灾燃烧研究的重点之一。两种控制形式的分界线可由燃料的质量燃烧速率从与空气流入速率的关系确定。若设r为室内发生化学当最比燃烧时的空气/燃料比，为理论空气流入速率，于是在通风控制状态下有 (kg/s) (720)在燃料控制状态下有 (kg/s) (721) 应当指出，假设室内发生化学当量比然烧，则意味着燃

14、烧速率与空气流入速率有直接关系。在受限燃烧中，可燃物的质量燃烧速率是随周围环境施加到可燃物表面的辐射热而增加的，目前尚不清楚怎样根据通风状况来确定上述关系。上面的说明还隐含了可燃蒸气与氧气的反应是无限快的假设，但实际火灾然烧并非如此。 三、通风对室内燃烧的影响 用木棒垛作燃料床得到通风因子之后，广泛使用可燃液体和热塑料研究通风的影响已取得了较大进展。结果表明，稳定燃烧区域的形成是室内热量积累与通风受限双重影响的结果。墙壁与顶棚的存在阻止了热烟气轻易流走，在室内上部形成烟气层，使室内平均温度大大升高，而较多热量反馈到可燃物表面又会加速可燃蒸气的生成，室内温度的升高程度是由燃烧决定的，当通风口很小

15、时，外界空气流入相当困难。燃烧不强烈，然烧速率亦很低。随着通风口的增大，空气供应状况逐渐改善，燃烧强度加大，这样室内既有较高的温度，又有较好的通风，燃烧速率便迅速增大，在两者配合最合适的情况下，燃烧速率达到极大值，之后通风口再增大就开始起相反的作用了。它一方面造成烟气层减薄，另一方面使得经过通风口向外的辐射散热增加，引起室内平均温度的降低，并引起燃烧速率的降低。 上述结果是在侧壁中部设置通风口情况下得到的，实验发现通风口位置高度对燃烧速率也有重要影响，通风口偏低时，很小便进入了穗定燃烧状态。当通风口升高时，进入稳定燃烧状况所需的通风因子要大得多，其燃烧速率的极大值亦明显高得多。对于确定的通风因

16、子，随着通风口位置高度的增加，燃烧速率出现了上升下降回升的变化规律。燃烧速率前部的上升下降变化主要与烟气层的影响有关。当通风口很低时，室内形成的烟气层很厚，它可将部分火焰浸没，从而影响了燃烧的正常迸行。通风口位置慢慢升高将使烟气层逐渐减薄，但在开始阶段其主要效果是使烟气层浸没火焰的情况得到缓解，于是燃烧速率不断增大。当烟气层对火焰不再产生直接影响时，燃烧速率达到极大值。如果通风口高度再增加，烟气减弱造成的室内温度下降的影响趋于明显，致使燃烧速率慢慢降到极小值。燃烧速率的再回升则表明另一种机理开始发挥作用，即烟气从通风口流出的速度增大了。烟气羽流撞击到顶棚后，可形成具有一定水平速度的顶棚射流。着

17、烟气可凭借这种速度流出去，势必会引起室内外气体交换速率的加快。通风口上边缘到顶棚的距离较大时，烟气要在室内停留较长时间后才会排出，这种动量便在室内耗散掉了。通风口越接近顶棚，对烟气水平流速的影响越明显。在通风口的大小与位置高度都适当时，烟气层既可保持足够的厚度又不影响火焰，还有足够的空气供应，室内的燃烧速率将达到最大值。 实际房间通风口不是单一的，最常见的是具有一个门和一个窗，室内燃烧将出现一些比较复杂的情形。对于仅有门这样的通风口时，气体是由门的下方流入上方流出的，室内形成一个大循环。但在双通风口情况下，则会依据它们各自的高度和大小的不同而出现多种流型。 武田(Takeda)提出可用当量通风

18、口高度并借助单通风口的公式估计双通风口时的室内燃烧。当量通风口高度用下式定义： (722)式中，H为门的高度(m)；NS和ND分别为仅开门和门窗全开时的中性面高度(m)。当量通风因子可写为 (723)式中，W为门的宽度(m)。图74给出了两种通风口情况的燃烧速率变化，虚线为仅开门时的情形。实线为门窗全开时的情形。可以看到双通风口时的燃烧速率比仅开门通风时低。这应当是窗户影响的结果。当热气体可以从位置较高的窗户流出时，将会限制室内烟气层的增厚，室内平均温度偏低影响了燃烧速度的升高。 四、可燃物性质对室内燃烧的影响 室内火灾中的可燃物绝大部分是固体或液体，它们燃烧的基本过程是先蒸发(或热分解)生成

19、可燃气体，然后再与空气发生扩散燃烧。而若使可燃固体和液体发生热分解或蒸发，必须由外界向可燃物提供一定的热量。这就是说可燃物的质量燃烧速率与外界向可燃物的传热有直接关系，可用下式表示： (724)式中，是单位面积可燃物的质量燃烧速率；是火焰供给可燃物的热通量；为其他热源供给可燃物的热通量；为通燃料表面的热损失速率；LV为可燃物产生可燃蒸气所需的热量，对于液体它代表蒸发潜热。对于固体它代表热分解吸收的热量。燃物的燃烧与蒸发(或热分解)性质对燃烧速度有着重要影响。显然，较高LV较低的可燃物的燃烧速率较大。液体的LV一般固体低，因此若两者燃烧放出的热量相当，液体的燃烧速率要高得多。实验表明，非纤维素材

20、料的燃烧速率大都比木材高。图75对一些可燃物在室内燃烧时的燃烧速率作了比较，图中R为燃烧速率(kg/s)：为燃料球面积(m2)；为空气密度(kg/m3)。 可燃物的表面积是影响燃烧速率的另一重要因素。布伦(Bullen)等在2 11(m)的模拟实验间内进行过一系列火灾实验，以乙醇池火为研究对象，测量随燃料床面积的变化。发现并不是常数，这表明燃烧速率不仅由决定，还与燃料床面积A有关。顺便指出，在公式(71)中，从()为常数显然是木垛火特定条件下的结果。 武田用燃料床面积固定而箱体大小变化的方式进行了类似的试验研究。结果表明，体积较小与较大的箱体内的燃烧速率都比中等体积的箱体低，而且没有迅速下降到

21、接近敞开燃烧时燃烧速率的临界现象。即室内燃烧速率的大小与燃料床和实验箱某种比例有关。当燃料床面积不变时，箱体的体积大便意味着需要加热的空间大，而且箱体向外界散热损失大。这就限制了燃烧速率的升高。另一方面箱体体积过小时，其壁面离火焰较近，既会对燃烧区起冷却作用，又会妨碍可燃蒸气与新鲜空气的混合。这样即使箱内充满火焰，实际上仍有大量未燃的可燃蒸气流出箱外，热量并未释放在箱内。当燃料床与实验箱之间有恰当比例时，则既有利于热量积累，又有利于充分燃烧，从而导致室内燃烧速率增大。 可以把通风因子和燃料床面积Ar组合成一个新因子来考虑它们对燃烧速率的综合影响。哈马斯(Harmathy)分析了大量室内木垛火的

22、试验数据，并按此方式绘出了图76中的曲线，通风控制状态与燃料控制状态之间有明显的差别，哈马斯指出，对于纤维素可燃物(木材或木基物品)在室内燃烧。一般可用下面两式区分燃烧是通风控制还是燃料控制：通风控制 (725)燃烧控制 (726) 还可采用室内表面积与通风因子的组合来考虑上述影响，这更适用于火区大小较确定的室内燃烧。常用形式是AT/称之为开口因子，式中AT为室内墙壁与顶棚的面积之和减去通风口面积后的剩余部分。图77为用此法整理的曲线，清楚地反映了两种燃烧控制状态的区别。对于燃料控制阶段，AT/的值小于810。根据式(724)可以看出，壁面材料的隔热性能对燃烧速率亦有重要影响，它直接决定热损失

23、速率的大小，这一点将结合轰燃来讨论。 第三节室内火灾的发展阶段 一、室内火灾的初期增长阶段 室内火灾的初期增长阶段又称为轰燃前的火灾阶段。了解此阶段的火灾特性对保证人员的生命安全与及时灭火有重要关系。某个房间失火后，首要的间题是把人员疏散到安全地带。因为一旦该室发生轰燃，人员是极难安全撤离的。建筑物失火后，保证人员安全疏散的条件是 (727)式中tP为起火到觉察出火灾发生所经历的时间；ta为从觉察火灾发生到疏散活动开始之间所延误的时间；trs为疏散进入安全地带所需的时间；tu为起火到所考虑的区域内无法忍受的时间，可认为它等于起火到发生轰燃的时间。如果上式成立，则人员能修安全疏散，前三者与人员的

24、精神和身体状况关系极大，而采取一些措施可大大缩短这些时间，例如安装火灾探测系统可减小tP，设置良好的疏散标志，设计合理的疏散通道可减小ta和trs。能否安全疏散将主要取决于火灾发展的快慢，即tu的长短，它是决定室内火灾危险的重要因素，tu越长，留给火灾探测、灭火及人员疏散的时间和机会越多。 (一)轰燃的定义及判据 轰燃标志着室内火灾由初期阶段向充分发展阶段的转变，因此应当对这一重要概念给出比较准确的定义，以便分析那些决定火灾发展的因素。对于这一概念已有过不少定义，其中常见的有：(1)室内火灾由局部火向大火的转变，转变完成后，室内所有可燃物表面都开始燃烧；(2)室内燃烧由燃料控制向通风控制的转变

25、；(3)在室内顶棚下方积聚的未燃气体或蒸气突然着火而造成火焰迅速扩展。 马丁(Martin)等分析了这些定义后指出，定义(2)实际上是定义(1)的结果，定义(3)是根据发生轰燃时经常出现的火焰外窜现象定义的，它只表明发生了预混燃烧、并未突出由于高温对可燃物的传热而引起的可燃蒸气的大量生成，因而该定义本身并不能说明火灾向充分发展阶段的转变。事实上在轰燃前，火焰有时也能从窗口窜出来，例如当初期火灾发展很快时，可在室内尚无明显的烟气积累时就在顶棚下方产生扩展火焰，很容易窜到室外。 在此使用第一种定义。它也有一定的适用范围，比如不适用于非常长或非常深的房间，显然在这些特殊的空间内，所有可燃物同时被点燃

26、在物理上是不可能的。室内初起火时，火区的发展比较缓慢，与敞开燃烧差不多。若可燃物和通风条件都适当，则到一定时候火区就会迅速增大，井扩展到所有可燃物表面上。一旦出现这种情况就说室内发生了轰燃。 定量说明室内是否发生了轰燃，还需要一定的判据。对此进行的实验研究中，沃特曼(Waterman)的结果较有代表性。实验是在长宽高为3.643.642.43(m)的房间内进行的。并以放在地板上的纸质物体被引燃作为充分发展火灾的起始。其结论是，要使室内发生轰燃，地板平面处至少要接收到20kW/m2的热通量。他认为这些热通量大部分来自房间上部的热表面和热烟气层，小部分直接来自可燃物上方的火焰。他还观察到，如果可燃

27、物的燃烧速率达不到40g/s，室内是不会发生轰燃的。 休格拉德(Hugglund)等在实验测量结果的基础上，提出以顶棚温度接近的600作为轰燃的判断。这些实验所用的房间高度在2.7m左右，如果轰燃与上部辐射到地板处的热通量有关，那么发生轰燃时的顶棚温度应当是房间高度的函数。证明这一点的实验数据还不多，赫塞尔登(Heselden)等人在1.0m高的小尺寸实验箱内实验，发现发生轰燃时的顶棚温度约为450。此判据忽视了其他辐射热源的影响，显然是不合理的。 目前轰燃一般采用沃特曼的定义，本节按这一定义讨论轰燃。另外对沃特曼的判据需要作些说明。 1. 不同可燃物被引燃所需要的热通量差别较大，20kW/m

28、2的热通量对于纸质物的自燃是足够的，但对于较厚的木块或其他可燃固体就显得太小。不过这样大的热通量能够促使引燃，并助长火焰在可燃物表面上蔓延。 2热辐射是导致轰燃的主要传热方式。一般说来，房间地板接收到的热通量可能来自以下几种辐射源：(1)火焰，包括垂直上升的火羽流和沿顶棚扩展的火焰；(2)房间上部的所有的热表面；(3)顶棚下方的热烟气层。这些因素的相对重要性随着火灾的发展而变化，由哪一个控制出现轰燃取决于可燃物的性质及通风状况，如果可燃物是甲醇，反馈回可燃物表面的热通量主要来自室内上部壁面，因其火焰和燃烧产物的发射率很低。实际火灾中是会产生大量烟气的，这时轰燃的出现由热烟气层的临界厚度和温度决

29、定。 托马斯等把轰燃与谢苗诺夫的着火热模型类比后指出，可认为轰燃是室内的一种热力不稳定状态。出发点是假设可燃物的燃烧速率是温度的函数，同时又受到空气供应速率的限制。依此提出了一种发生轰燃的准稳态模型，其中把热释放速率和热损失速率都表示为温度的函数，进而对它们进行比较。如图78所示，为了便于讨论此模型的基本思想，假设燃料床面积不变。释热速率随温度升高而快速升高，当达到受空气供应速率限制时便认为它不再变化了。图中将这种释热速率曲线R与三条热损失速率曲线L1、L2和L3进行比较，后三者分别相应于房间的体积逐渐缩小。通常释热速率曲线与热损失速率曲线有三个交点，即A、B和C。A相应于稳定状态下的通风控制

30、燃烧；C表示室内存在小局部范围的燃烧，这时由房间上部反馈回来的热量对其燃烧状况影响不大；B是个不稳定点。对于初期增长的火灾来说，R和L都在慢慢增大。如果房间大小合适，B、C两点将靠得很近，这样室内最终将达到一种临界状态，即燃烧速率的微小的增加将会造成温度和燃烧速率急剧增大而跳到A点。托马斯指出，出现这种跳跃便意味着发生了轰燃。用这种模型解释室内燃烧中的其他热力不稳定现象，并预言火灾中可能存在振荡火焰，后来被实验所证实。布伦根据室内火灾的燃烧速率由通风速率控制的假定，从理论上证明了在通常的门窗关闭情况下，仍会有相当多的空气漏入房间内，只要室内可燃物的数量、性质及分布适当，室内火灾就会持续下去。这

31、种缓慢燃烧所产失的高温往住可以造成某种附加通风口，例如窗玻璃破裂，木质门被烧穿等。这类通风口可以大大改善空气供应状况。在室内的缓慢燃烧中某些外部原因也常会造成附加通风口，例如突然开门。室内突然进风往往会使其中积累的可燃蒸气与新鲜空气迅速混合，然后发生预混燃烧，于是整个室内将充满火焰。这种燃烧称为逆通风燃烧，简称逆燃，有的文献也将此称为轰然，但它与目前讨论的轰燃不同，因为前述轰燃并不需要逆燃增大的空气通量。但发生逆燃后，如果新的通风条件可以保持下来，则室内火灾将很快发展到轰燃。 (二)轰燃所需要的条件 休格拉德等在长宽高为2.93.752.7(m)的房间里进行了一系列木垛火实验，并通过连续称重测

32、量了可燃物的质量燃烧速率，结果见图79。他们发现，若以火焰从通风口窜出和顶棚下的温度达到600为轰燃的判据，则轰燃只出现在图中一段较狭窄的限定区域内，即实心符号表示的区域；当燃烧速度低于80g/s(大约为沃特曼关于纸被引燃时燃烧速率的二倍)时观测不到轰燃现象，且这一极限值随着通风口的增长而增大。该极限值用表示，与通风因子的关系大致可用下式表示： (g/s) (728) 当小于0.8时不会发生轰燃。但此式的应用范围是有限的，如前所述，超过一定值燃烧速率便与通风状况无关，这时再用此式确定火灾向充分发展阶段的转变就不合适了。 虽然上述研究是在高为2.7m的特定房间内进行的，但发现了一条普遍的原则，即

33、燃烧速率必须超过某一极限值并且维持一段时间才会发生轰燃，由此可以得出，如果某种家具的燃烧速率足够高，并可维持一定时间，一件家具也可导致轰燃。达到轰燃的极限燃烧速率是直接由实验测定出来的，但用极限释热速率表示轰燃似乎更合逻辑，这也与托马斯指出的轰燃是一种热力不稳定状态的认识相符。麦卡福里等发展了一种轰燃前室内燃烧准稳态模型，把这种认识又推进了一步。他们是按图7一10所示的模型对室内热烟气层进行热平衡计算的，可写为 (729)式中QC是释热速率，可表示进入热气层的全部能量；CP和分别为离开房间的气体的比热和质量流率；QL是通过辐射或对流由热气层传给壁面的热损失速率；T和T0分别为热气层和环境的温度

34、。计算中假设热气层充分混合，温度均匀。QL是由多项组成的可用下式近似表示： (730)式中，hK是有效传热系数；AT是房间的内部对流传热表面积。将此式代入式(729)并重新整理可得 (731 ) 由本章第二节的讨论可知，在中性面以上离开房间的气体的质量流率满足下述关系： (732)式中，g为重力加速度常数，是环境空气的密度。于是式(731)便可大体确定下来，即能够把表示为两个无量纲参数的函数： (733)或 (734) 式中，和分别代表式(733)中的两个无量纲参数。常数c与指数N和M的值由实验确定。 为了能够用式(733)或(734)表示实验数据，必须知道的近似值，而是由火灾的发展过程和房间

35、的边界条件决定的。设室内火灾的特征燃烧时间为，房间边界的热穿透时间为，则当时，即热量以稳态形式传到外界，可用下式近似： (735)式中，是房间边界材料的导热系数；是边界的厚度。如果，即表示在火灾过程中边界将用于存储热量，通过边界外表面损失的热量较小。为了简化，一般用代替称之为边界材料的有效热深度，在火灾发展过程中，这一层会被显著加热，式中为热扩散系数，于是 (736) 如果房间边界是由不同材料组成的。则的集总值应当根据各种材料的面积加权确定。如果墙壁和顶拥是一种材料(W)，地板是另一种材料(F)可按下述公式计算：当时 (737)当时 (738)式中，是房间内部表面的总面积。 实骏数据很适合按式

36、(734)的形式进行整理，进行若干次线性回归分析便可估算出指数N和M的值来。麦卡福里等分析了上百次实验数据，指出可用下式描述气体的温升与无量纲参数X1和X2的关系； (739)计算中T0取为295K。在求和时考虑了地板，并假设地板、墙壁和顶棚的传热特性差别不大。如果不考虑地板，数值会略有不同，但上式仍然适用，因为忽略地板的热损失不会造成重要影响。参考式(739)中关于X1和X2的表示形式，重新整理式(739)可得 (740)若令上层气体温度上升了500K作为轰燃开始的判据，并将其他系数的相应值代入，就可估算出发生轰燃时的火源功率为 (741)式中，A和H的盘纲分别为，和。若，或A中的一个参数值

37、增大了一倍，火源的释热速率必须增加40%才可达到预定的轰燃判据。图711给出了壁面材料对轰燃的影响。不同材料的绝热性能差别很大，如果材料的绝热性能好，如隔热纤维板、膨胀聚苯乙烯等，则发生轰燃时的火源功率(亦即火区体积)将小得多。 应当指出，式(741)是由边长为的接近正方体的房间的实验数据得出的，本身没有包含房间高度，因此不能适合于几何尺寸与此相差太大的房间。另外实验数据是根据火源位于房间中央的情况得到的，故不大适用火源靠近墙壁或墙角的情况基于前述理由。可以想象对于后两种情况达到轰燃所需的最低燃烧速率将较小。李(Lee)的实验亦证明这一点，他在的全尺寸房间中实验发现，火源位于房间中央时的为47

38、5kw，靠近墙壁时的为400kW，而靠近堵角时的为340kW。对于通风严重受限的情况，关于热气层内温度均匀的假设将不成立了，此式不再适用。 按式(741)估计室内发生轰燃的可能，还应当了解室内可燃物的实际释热速率，但是准确知道这种数据是困难的。常用质量燃烧速率表示可燃物的燃烧特性相对容易，但会带来一些不确定因素，因为一般资料中给出的物质的燃烧热是指完全燃烧情况下放出的热量，但火灾燃烧是很不完全的，很难确定火灾过程的燃烧速率，为此需要研究侧定释热速率的方法。目前正在研究的一种方法是利用烟气成分分析的数据并配合质量燃烧速率的测量结果算出释热速率，现在已可对单件家具进行测量。不过这种数据是在规定条件

39、下测出的，有时不一定适用于其他条件下的室内火灾。(三)影响轰燃时间的实验研究 前面对发生轰燃的条件进行了理论探讨，指出了分析室内初期火灾的基本方法。但是影响室内火灾的具体因素很复杂，不是一般的简化公式所能反映的。为了定量了解可燃物质和通风状况如何影响达到轰燃的时间，目前还必须依赖火灾实验。 国际标准化组织(CIB)的火灾分委员会(W14)进行的所有的实验中仔细测定了下述时间：(1)从起火到火焰达到顶棚的时间()，(2)火焰在燃料床上由慢速燃烧向快速蔓延的时间()；(3)火焰遍及整个燃料床表面的时间()。可认为即是室内发生轰燃的时间，对多次实验结果进行回归分析后得出以下一些结论： 1.现有的房间

40、形状对没有明显影响； 2.通风口的大小和燃料的连续性对的影响也不大，不过前者显然与实验条件有关； 3. 对点火源的位置、燃料床的高度、燃料的堆放密度及衬里材料的性质的变化敏感得多。这几项相比，最后一项的影响较弱。 这里仅定性讨论一下结论3中各项的影响。(1)当点火源从可燃物中部点燃时较小，因为火灾的初期增长较容易。同理，点火源的面积大时亦较小，因为一开始就有较大的面积发生燃烧；(2)燃料床较高时火焰会很快地到达顶棚，从而促使火焰较快地在可燃物表面上蔓延开来；(3)木棒的间距较大(即堆放密度较小)可加速火焰蔓延，此时火区直径增长较快，可以较快达到轰燃，这相当于实际火灾中火焰在热容量较低的相邻物体

41、间的蔓延；(4)如果衬里材料可燃，达到轰燃的时间亦缩短。另外还应当注意这些因素间的相互作用。其中主要的是点火源与墙壁衬里材料间的作用。如果该材料是可燃的，靠近墙壁或墙角的火源就可直接将其点燃，从而使达到轰燃的时间大大缩短。燃料床高度和堆放密度之间也存在类似的作用。这些结论虽然是在小尺寸实验中得出的，但适用实际火灾场合。 房间壁面材料的热惯性()是影响达到轰燃的又一重要因素。若所用材料的隔热性能好，将会大大减少壁面传向外界的热损失，从而缩短达到轰燃的时间。英国消防研究所在的全尺寸房间测定了木制家具有不同墙壁衬里材料下达到轰燃的时间，见表71由于不知这些材料的导热系数()和比热(c)的具体数值，无

42、法算出它们的热惯性，这里列出了它们各自的密度作参考。可以看到达到轰燃的时间相差很大。不过对这种影响不必估计得过于严重。托马斯等进行了理论分析后指出，对于快速发展的室内火灾，可以认为轰燃时间与壁面材料热惯性的平方根成正比例，因而依赖性不太强. (四)火区向邻近物体的蔓延 火灾中先着火的物体能否把邻近的可燃物引燃是一个很实际的间题，这一点与有关物体之间的距离关系极大，如果它们相当近或方位很合适，火焰就有可能直接触及到附近物体的表面并将其点燃。如果不是这祥，火焰便只能靠辐射传热方式向外扩展，且这种方式往往是初期室内火灾蔓延的主要形式。 实验研究表明，沙发椅着火可将0.15m内的棉布引燃，而大衣橱着火

43、可把1.2m以内的相同的棉布引燃。通过测定多种家具燃烧时其附近的辐射热通量分布，发现辐射热通量可表示为燃烧速率的函数，通过与目标材料的被引燃性能相比较，就可得到在规定时间内(如40s)引燃该物体所需的辐射热能量，尽管不同材料的引燃性能差别很大，距燃烧的沙发1m以外处，常见室内材料是不，大可能被引燃的。燃烧速率很快的家具着火，在其0.88m外的地方没有发现超过以上的热通量(见沃特曼的判据)。 对于由火焰直接引然可燃物，这里谈几种较为重要的情形。如果较长的竖直表面着火，或者物体间的方位形式有利千热量保存在燃烧表面附近(这时存在交叉辐射)，则火区会发展得特别快。例如床底下着火、位于墙角的物体着火、床

44、与衣橱之类的家具之间着火等，有时某些材料也可对火区扩展起重要作用，例如热塑料受热后能够熔化滴流，容易使火区迅速扩展，并点燃其他可燃物。 二、室内火灾的充分发展阶段 室内发生轰燃后，释热速率很快增大，往往可出现1000以上的高温，并一直持续到可燃挥发份的产生速率降低为止。由于热应力的作用，某些建筑构件会被破坏，而且部分构件的破坏还可能引起建筑物更严重的毁坏，如墙壁、顶棚的坍塌等，使火区迅速蔓延到建筑物的其他部分。为预防建筑物大规模毁坏，一项基本措施是采用时火性能好的建筑材料构筑墙和柱。墙壁的存在还可起到阻止火区蔓延的作用，利用防火墙(包括防火门)把大面积建筑物分隔成若干小区，可以有效地限制燃烧面

45、积，这就是防火分区的基本思想。要合理采用这种措施，应了解建筑材料的耐火性能及其测定和计算方法。 (一)建筑构件的耐火极限与火灾烈度建筑构件的耐火性能一般用附火极限表示，它是指在火灾过程中，建筑构件能够继续起到隔离层或结构组件的极限能力。通常是将建筑构件置于标准火灾状态下进行试验，用其失效的时间长短作为衡量耐火极限的标准。 所谓标准火灾状态是一种人为设计的炉内燃烧状态，炉子具有较大的容积，能够容纳全尺寸的建筑构件。通过控制燃料(煤气或燃油)流率。炉内气体的温度可按预定的规律变化。这种确定规律的温度一时间曲线称为标准火灾温度时间曲线。国际标准化组织(CIB)对标准火灾温度一时间曲线作了统一规定。我

46、国采用国际标准火灾温度时间曲线作为标准。图712给出了这一曲线，温度T和时间t的关系可表达为 (742)式中，和分别为和时的温度。 目前广泛采用标准火灾温度时间曲线检验建筑构件的耐火极限，但该方法还存在一些问题。第一，人们通常把建筑构件的耐火极限与该构件在标准炉试验中的失效时间等同起来，但真实火灾中的温度时间变化与标准实验炉中的温度时间变化差别很大。图713将全尺寸室内火灾实验中侧得的数据与标准温度时间曲线进行了比较。曲线末端数字表示火灾载荷密度() ，括号中的数字表示通风口在墙壁上所占的比例。从发现上述问题开始就不断有人对使用标准曲线来确定构件耐火极限的有效性提出疑问。但直到现在还没有提出更

47、合理的解决方案。第二，在标准炉试验中测定的温度是炉内气体的温度。但一般说来，炉内对试件传热的控制形式是炉壁的热辐射，因而实际产生的辐射状况对炉壁的物理性质和反射率反映很敏感。如果炉壁材料的热惯性较低，则试验中其表面温度可迅速升高，它的热辐射严重性就大。实际上很难找到两个耐火试验护的热辐射能力完全相同。为此应当较严格地规定耐火试验炉壁面材料的热力参数。 英伯格(Ingberg)护进行了一系列火灾实验后指出，火灾载荷密度(指单位地板面积上的可燃物的质量)是确定室内潜在火灾烈度的重要因素，并通过“当量面积假设”的概念将室内火灾烈度与建筑构件的耐火要求联系起来。这种假设认为，如果两次火灾的温度一时间曲

48、线与它们下方的基础线(可定为150或 300)之间的面积相同，则它们的火灾烈度相同。这样，如果其中一条是标准火灾温度一时间曲线，那么通过上述比较就可得出另一条曲线所代表的发生火灾房间的墙壁构件的耐火极限，见图714。由此出发。英伯格得到了火灾载荷密度与火灾烈度的关系，见表72。这样如果能够直接测定(或预先指定)某个房间的火灾载荷密度，就可由此表得到该房间壁面的耐火极限。这种方法所用的数据是从老式的设计与结构型式的建筑物火灾实验中得到的，可能与现代的轻质材料建筑物的火灾不甚相符。因为，现在合成材料的使用越来越广泛，这类材料的燃烧速率比木材快得多，故表72中列出的数据不完全适用现在的火灾情况。 劳

49、(Law)通过分析被隔热的柱体在标准火灾温度时间曲线状态及在真实火灾状态下的热响应，也得到了一种类似的关系，真实火灾被模化为持续时间为：，式中是室内总的火灾荷载(干克当量木材)，是平均燃烧速率，而温度恒等于火灾中的峰值温度。 通过分析国际标准化组织关于充分发展室内火灾的实验数据，劳得出 (743)式中，是构件试样所需的耐火时间(min)，和分别为通风口面积和房间内部表面(不含通风口面积()的总面积()，由实验数据归纳的是接近1的常数，这是一种简单适用的关系式，是根据隔热保护的柱体实验数据得出，对于暴露在火灾状态下的钢构件不能直接使用。 上面讨论的两种耐火极限确定方法仅适用于固体可燃物的室内火灾

50、。液体可燃物火灾具有完全不同的行为，一旦起火，火焰可以在几秒钟内吞没室内的所有物品，能够很快地将建筑构件加热到危险程度。标准耐火试验得到建筑构件的耐火极限不适用于这种情况。 (二)充分发展火灾阶段的温度 英伯格和劳的计算方法都要依赖标准耐火试验的结果。这两种方法有一定的局限性，而且实际应用也不方便。因此不少研究机构开始研究新的计算方法，这种方法不用标准耐火试验而直接用计算得到的温度时间曲线确定材料的耐火极限。彼得森(Petterson)等人的方法已被采用，下面介绍这种方法中室内温度的计算。 由于在轰燃前火灾阶段室内的平均温度较低，故这里的讨论将该阶段忽略；以表示火灾充分发展阶段的开始。对图71

51、5所示的充分发展的室内火灾，可按下式进行热平衡计算： (744)式中，为室内的释热速率；为通过敞开通风口的辐射热损失速率；为冷空气取代热烟气所造成的热损失速率；为通过壁面(包括墙壁、顶棚和地板)的热损失速率；为热量存贮在气相空间的速率(一般可以忽略)。 为了简化模型还要使用以下假设： (1)燃烧是完全的，且全部在室内进行； (2)室内的温度始终是均匀的； (3)室内所有内表面的传热系数都相同； (4)流向及穿过房间边界流出的热流按一维传热处理，就是说忽略墙角、墙边等具体形状而将边界假设为具有一定厚度的板。 方程(744)的中各项的具体计算如下： 1.释热速率 假设充分发展火灾阶段处于通风控制状态，则释热速率可写为 (745)式中，是可燃物的燃烧热，此处取为木材的燃烧热()。 假设从时开始保持