室內(nèi)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)

1引言本章首先對(duì)火災(zāi)平安工程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀作簡要介紹，并對(duì)本課程的相關(guān)內(nèi)容給出相應(yīng)的解釋。討論了火災(zāi)平安工程專業(yè)的核心課程體系，并在火災(zāi)平安工程學(xué)科的范疇內(nèi)，將本書教學(xué)內(nèi)容歸結(jié)為幾個(gè)專題的形式。對(duì)目前在工程設(shè)計(jì)中室內(nèi)火災(zāi)模型作了簡單的介紹。最后，給出了本書各章節(jié)內(nèi)容。1.1背景《建筑消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定對(duì)建筑物整體設(shè)計(jì)的很多方面都有重要的影響，包括建筑布局、建筑美學(xué)和建筑物功能以及建筑本錢等。近幾十年來，由于現(xiàn)代建筑技術(shù)的快速開展，導(dǎo)致了大量非傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案的運(yùn)用。建筑規(guī)模持續(xù)增加，如越來越多的大型地下停車場、地下庫房和購物中心等。許多建筑物的內(nèi)部設(shè)計(jì)都設(shè)置有大型采光井、露臺(tái)以及與水平走廊或購物商場連接的中庭等，從而導(dǎo)致火災(zāi)和煙氣更容易發(fā)生蔓延。以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)〔這也是當(dāng)前建筑消防設(shè)計(jì)的根底〕很難對(duì)這些新型建筑或特殊建筑的消防平安設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性的建議。同時(shí)，人們?cè)絹碓絻A向于深入地理解火災(zāi)進(jìn)程及其與人、建筑物之間的相互關(guān)系。目前在火災(zāi)分析模擬領(lǐng)域的開展非常迅猛。近年來，人們已經(jīng)研究開發(fā)出了幾種不同復(fù)雜程度的模擬模型并將這些模型運(yùn)用到了防火工程設(shè)計(jì)中。因此，用基于性能的設(shè)計(jì)取代過去指令性的建筑消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，已成為世界各國的趨勢?；谛阅艿幕馂?zāi)防護(hù)技術(shù)不是規(guī)定必須所要采用的預(yù)防措施〔如規(guī)定平安疏散出口的數(shù)量等〕，而是將整個(gè)建筑系統(tǒng)的性能以特定設(shè)計(jì)目標(biāo)的方式給出。通常采用火災(zāi)模型和逃生疏散模型來評(píng)價(jià)所給出的預(yù)防措施的有效性。無論是對(duì)設(shè)計(jì)還是標(biāo)準(zhǔn)的制定，顯然都有必要運(yùn)用這種新技術(shù)的優(yōu)勢。但由于這種解決方案在技術(shù)上更趨復(fù)雜，無疑要求火災(zāi)防護(hù)設(shè)計(jì)人員具有較高的科學(xué)訓(xùn)練水準(zhǔn)，而且要求其不斷地接受高水平的繼續(xù)教育。為此，人們已編寫了一些優(yōu)秀的教材、手冊(cè)或指南，包括Drysdale的《火災(zāi)動(dòng)力學(xué)入門》、《SFPE火災(zāi)防護(hù)工程手冊(cè)》，以及Klote和milke編著的《火災(zāi)煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等。除Drysdale編寫的《火災(zāi)動(dòng)力學(xué)入門》外，Shields和Silcock編寫的關(guān)于火災(zāi)平安工程方面的書主要是針對(duì)工科學(xué)生。設(shè)計(jì)手冊(cè)和指南一般只是列出工程問題以及特定的求解方法。但對(duì)其中所用到的方程是如何根據(jù)根本原理推導(dǎo)出來的那么介紹很少，對(duì)需要滿足的假設(shè)條件、方法本身的適用范圍等的介紹也很少。為了深入理解這些假設(shè)條件在特定的設(shè)計(jì)情形中可能產(chǎn)生的影響，并對(duì)設(shè)計(jì)選用的計(jì)算方法充滿信心，設(shè)計(jì)人員必須清楚根據(jù)根本原理推導(dǎo)這些方法。本書的目的不是作為設(shè)計(jì)指南，或者列出適用于某些特定情形的方程，而是介紹根本原理、清晰地描述假設(shè)條件，并介紹適用于某些特定情形下的工程方程的推導(dǎo)方法，同時(shí)還對(duì)所得到的分析方程與試驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)行比擬。這樣，讀者對(duì)常用的各種工程方程和模型的適用范圍和具體運(yùn)用方法形成很好的理解和掌握。本書專門針對(duì)室內(nèi)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)，研究火災(zāi)如何發(fā)生并引起室內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化。1.2室內(nèi)火災(zāi)的工程模型隨著人們對(duì)火災(zāi)過程及其與建筑物之間的相互作用理解的不斷深入，人們已開發(fā)了各種模型來模擬室內(nèi)火災(zāi)過程。這些模型可以分為概率型模型和確定型模型兩大類。概率型模型不是直接運(yùn)用火災(zāi)過程中的物理化學(xué)原理，而是對(duì)火災(zāi)開展階段的轉(zhuǎn)變概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測。本書不擬對(duì)此類模型進(jìn)行深入討論。確定型模型又大致可以分為三種，即CFD模型、分區(qū)模型以及手算模型。CFD模型：這些模型中最復(fù)雜的就是所謂的“場模型〞或者稱為CFD模型。CFD模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。一般地，CFD技術(shù)將所考慮的空間區(qū)域劃分成大量的子區(qū)域，在每一個(gè)子區(qū)域運(yùn)用質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程。圖1.1給出了如何針對(duì)室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行空間區(qū)域劃分的示意圖?？刂品匠贪肆鲃?dòng)流體的粘性剪切分量等未知量，這種未知量也是CFD模擬主要求解的主要變量之一。圖1.1將房間劃分為大量子體積的計(jì)算流體模型在利用CFD模型處理工程問題過程中，CFD程序不可能耦合進(jìn)所有物理化學(xué)過程。對(duì)于火災(zāi)問題，目前也存在大量的CFD模擬程序。反過來，這些程序本身又采用了各種不同的方法來模擬各種子過程。其中湍流、輻射和煙塵粒子模擬，以及熱解和火焰?zhèn)鞑ツＰ?、燃燒模型等又是最為重要的幾種子過程。對(duì)子過程的模擬一般處于比擬根底的層級(jí)上，而對(duì)這些子模型的理解需要物理化學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。對(duì)CFD模型中所包含的根本物理化學(xué)原理的介紹超出了本書的范圍。CFD程序的運(yùn)用要求高性能的計(jì)算機(jī)和專業(yè)知識(shí)，這些專業(yè)知識(shí)不僅包括對(duì)物理化學(xué)現(xiàn)象的理解，而且要求對(duì)數(shù)值算法和計(jì)算機(jī)有一定的了解。另外，問題的提出也需要花費(fèi)大量時(shí)間和本錢，然后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并得到相關(guān)的計(jì)算結(jié)果，因此這種模型在火災(zāi)平安過程設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用相當(dāng)少。但在處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，這種模擬方法非常有用，有時(shí)甚至是處理某些設(shè)計(jì)問題唯一可行的方法。雙區(qū)模型：第二類確定型火災(zāi)模型將房間劃分成為一定數(shù)量的控制區(qū)域。最常見的是所謂的雙區(qū)模型，在雙區(qū)模型中，房間被劃分為上層熱煙氣區(qū)和下層冷空氣區(qū)〔圖1.2〕。在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，對(duì)兩個(gè)分區(qū)求解質(zhì)量和能量守恒方程。在求解過程中，動(dòng)量方程沒有顯式的進(jìn)行求解，通常是在進(jìn)行各種假設(shè)，來得到開口處速度和壓力等參數(shù)的分析表達(dá)式。其他幾個(gè)子過程，如羽流流動(dòng)和傳熱等也按照類似的方法進(jìn)行模擬。關(guān)于手算局部列出了上述各種子過程，本書后一章將推出相應(yīng)的方程并介紹所做的假設(shè)。不同文獻(xiàn)對(duì)許多雙區(qū)模型進(jìn)行了大量介紹。其中一些只模擬了單個(gè)房間內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)，一些模擬了由門、采光井或通風(fēng)機(jī)械等連接的幾個(gè)房間的火災(zāi)。此外，這些模型的校驗(yàn)、用戶接口等方面也存在較大的差異。近年來，雙區(qū)模型在火災(zāi)平安工程中的運(yùn)用增多，用戶友好的計(jì)算機(jī)開發(fā)環(huán)境增多就是很重要的原因之一。但要很好地運(yùn)用這些模型，要求用戶熟悉這些模型的假設(shè)和適用范圍，即用戶需要學(xué)習(xí)室內(nèi)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)課程。本書即為此提供相關(guān)背景知識(shí)。圖1.2室內(nèi)火災(zāi)的雙區(qū)模型手算模型：對(duì)火災(zāi)根本過程進(jìn)行分析的第三種方式就是利用簡單的手算模型。此方法根本上是采用一些簡化的方法和公式計(jì)算火焰高度、質(zhì)量流率、火災(zāi)羽流溫度和速度、自動(dòng)噴淋觸發(fā)時(shí)間、房間內(nèi)超壓和其他火災(zāi)參數(shù)。本節(jié)后面將介紹手算模型。為方便，下面討論的方法可以分為兩類，即處理燃燒、計(jì)算火災(zāi)環(huán)境的手算方法，以及涉及傳熱的手算方法。這些手算方法的適用范圍差異較大，為正確運(yùn)用，用戶必須具備經(jīng)典物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)。1.2.1能量釋放與組分生成計(jì)算初始火源引起的火災(zāi)開展與能量釋放，要求知道燃料的種類和數(shù)量。人們對(duì)各種液體燃料在敞開自由環(huán)境中燃燒進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并給出了典型的燃燒速率和燃燒熱。如果知道液體溢出的面積，就可以計(jì)算這些過程中所釋放的能量。如果知道液體燃料的溢出量，那么可以計(jì)算液體燃燒完所需的時(shí)間。一些文獻(xiàn)還給出了固體和其他燃燒物體形成的火災(zāi)開展過程，同時(shí)這些文獻(xiàn)還給出了許多家具、窗簾和各種不同類型的材料燃燒過程中的能量釋放速率，以及可以用于計(jì)算組分濃度的各種燃燒產(chǎn)物組分生成速率值等。室內(nèi)火災(zāi)情況下的能量釋放速率也與氧氣的供給速率有關(guān)。因此，在計(jì)算室內(nèi)最大能量釋放速率時(shí)，需要知道通風(fēng)條件方面的情況。任何剩余或未燃燒的燃料都會(huì)在火災(zāi)房間外有氧氣的地方發(fā)生燃燒。目前，附帶有材料數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)程序可以使用戶合理地選擇能量速率曲線。.2火災(zāi)誘導(dǎo)的環(huán)境用于計(jì)算室內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的環(huán)境條件的根本原理是質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程。運(yùn)用這些守恒方程可以得到一系列的微分方程組。通過對(duì)流進(jìn)流出房間的能量和質(zhì)量輸運(yùn)做出某些假設(shè)，可以得到質(zhì)量和能量守恒方程一組具有封閉解的方程組。由于方程本身的復(fù)雜性與方程數(shù)量較多，因而不可能得到完整的分析解，因此人們往往采用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。但如果利用試驗(yàn)和各種限制條件與近似假設(shè)，也可以得到相關(guān)問題的分析解。這種解已有各種不同的表達(dá)式，可以用于預(yù)測室內(nèi)火災(zāi)條件下的環(huán)境參數(shù)。2室內(nèi)火災(zāi)的定性描述本章對(duì)室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行概述，并對(duì)其形成和開展過程進(jìn)行定性的描述，同時(shí)討論了火災(zāi)過程中形成的環(huán)境條件。這為后面相關(guān)計(jì)算打下根底。介紹和定義了許多處理室內(nèi)火災(zāi)時(shí)所需的各種術(shù)語和概念。本章首先對(duì)燃燒過程進(jìn)行了總體描述，并描述了室內(nèi)火災(zāi)的典型開展過程?；馂?zāi)開展通?？梢苑譃閮蓚€(gè)不同的階段，本章對(duì)這種劃分方法進(jìn)行了討論。最后，討論了影響室內(nèi)火災(zāi)開展過程的各種因素。2.1術(shù)語回燃〔backdraft〕——如果室內(nèi)火災(zāi)通風(fēng)缺乏，那么可能導(dǎo)致生成大量的未燃?xì)怏w。如果突然形成開口，那么進(jìn)入房間的空氣與這些未燃?xì)怏w混合，在房間的某些區(qū)域形成可燃混合物。此時(shí)任何點(diǎn)火源〔如余燼〕可能點(diǎn)燃混合物并發(fā)生燃燒速率極高的氣體燃燒。由于燃燒放熱發(fā)生膨脹，將燃燒著的氣體推出開口，在室外形成火球。這種現(xiàn)象具有極高的危險(xiǎn)性。閃燃〔flashover〕——在室內(nèi)火災(zāi)過程中，火災(zāi)增強(qiáng)階段可能轉(zhuǎn)變到充分開展火災(zāi)階段。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織〔ISO〕對(duì)閃燃的正式定義為：室內(nèi)火災(zāi)過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樗锌扇嘉镔|(zhì)的外表都發(fā)生燃燒的過程。在火災(zāi)平安過程中，閃燃用來表示室內(nèi)火災(zāi)由閃燃前火災(zāi)開展到閃燃后火災(zāi)的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)。燃料控制型火災(zāi)——燃料著火后，火災(zāi)的早期開展過程即是燃料控制型火災(zāi)，因?yàn)樵诨馂?zāi)的早期階段，燃燒所需的氧氣量充足，火災(zāi)的開展完全取決于燃料本身的特性和幾何性質(zhì)。在火災(zāi)的后期也可能是燃料控制型。完全開展火災(zāi)——也即閃燃后火災(zāi)，指從發(fā)生閃燃并經(jīng)歷衰減到熄滅階段。在此階段的大局部時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)受通風(fēng)條件的控制，在火災(zāi)衰減階段中的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，完全開展的火災(zāi)再次轉(zhuǎn)變成燃料控制型。閃燃后火災(zāi)——當(dāng)火災(zāi)平安工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及消防撲救人員的平安，人們最為關(guān)心的是閃燃后火災(zāi)。這種情況下，設(shè)計(jì)載荷由火災(zāi)充分開展階段的溫度－時(shí)間曲線來表征。閃燃前火災(zāi)——在火災(zāi)的增強(qiáng)階段，火災(zāi)平安工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是室內(nèi)人員的平安。這種情況下，設(shè)計(jì)載荷有能量釋放速率曲線來表征，因此人們最關(guān)心的是火災(zāi)的增強(qiáng)階段。通風(fēng)控制型火災(zāi)——隨著火災(zāi)的開展增強(qiáng)，火災(zāi)逐漸受通風(fēng)條件的控制，此時(shí)燃料熱解產(chǎn)生的大局部可燃?xì)怏w燃燒所需的氧氣供給缺乏。此時(shí)的火災(zāi)能量釋放速率由進(jìn)入房間的氧氣量決定。2.2引言火災(zāi)是各種性質(zhì)相互作用的物理化學(xué)現(xiàn)象，包括火焰、燃料和周圍環(huán)境之間的強(qiáng)非線性作用，對(duì)這些過程的定量計(jì)算是非常復(fù)雜的。對(duì)室內(nèi)火災(zāi)，人們感興趣的主要是燃料與環(huán)境之間的質(zhì)量和熱量通量。圖2.1給出了這些相互作用過程的示意圖，說明了室內(nèi)火災(zāi)過程中質(zhì)量和能量輸運(yùn)現(xiàn)象的復(fù)雜性。為了引入這些過程的的主要控制因素，本節(jié)對(duì)火災(zāi)有關(guān)的物理化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了一般性的描述。討論分為兩個(gè)局部，即：燃燒過程的總體介紹和總結(jié)，對(duì)室內(nèi)火災(zāi)開展過程的定性描述，及其對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。2.2.1燃燒過程的一般性描述《燃燒學(xué)》是一門復(fù)雜的學(xué)科，其包括了流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科。在火災(zāi)平安工程中，火災(zāi)學(xué)根底就涉及和處理大量的燃燒問題。在對(duì)燃燒的引導(dǎo)性介紹中，我們將以為蠟燭燃料為例，因此這種討論僅限于固體材料的層流穩(wěn)態(tài)燃燒。但蠟燭的燃燒研究，僅僅對(duì)我們所感興趣的自然過程有一定啟示意義。在19世紀(jì)，MichealFaraday在倫敦皇家研究院發(fā)表了題為“蠟燭的化學(xué)歷史〞演講。他認(rèn)為研究蠟燭涉及的物理現(xiàn)象是自然哲學(xué)研究最好的引導(dǎo)性問題。考慮圖2.2，該圖表示一個(gè)燃燒著的蠟燭以及蠟燭火焰的溫度分布。用如火柴等點(diǎn)火源加熱燭芯，固體蠟逐漸發(fā)生融化。燭芯的蠟發(fā)生蒸發(fā)，蠟蒸汽向上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到有氧氣的區(qū)域。這些蠟燭蒸汽在氧氣燃料的可燃區(qū)域以一系列復(fù)雜的化學(xué)反響發(fā)生氧化。然后，蠟燭火焰保持穩(wěn)定，這種火焰向固體蠟進(jìn)行熱輻射加熱，致使固體蠟燭發(fā)生融化。因?yàn)槿诨蟮南灠l(fā)生蒸發(fā)并離開燭芯，融化蠟沿燭芯向上移動(dòng)、蒸發(fā)、蒸發(fā)、燃燒，結(jié)果形成穩(wěn)定的燃燒過程。圖2.1室內(nèi)火災(zāi)過程中熱通量和質(zhì)量通量的示意圖。圖2.2燃燒蠟燭以及火焰中的溫度分布發(fā)生在火焰中的過程包括能量和質(zhì)量流動(dòng)。能量流動(dòng)是通過熱輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱等方式進(jìn)行，其中主要為熱輻射，熱輻射的產(chǎn)生主要是由燃燒產(chǎn)生的煙塵粒子發(fā)光并向外輻射。對(duì)下方固體的主要傳熱模式就是輻射加熱，而燃燒區(qū)主要是向上和向外傳熱?；鹧娉叽缭酱蠡鹧媪炼仍礁撸腆w蠟燭的融化越快。但到達(dá)固體的熱輻射還缺乏以讓固體蠟蒸發(fā)，僅使其發(fā)生融化。因此，燭芯只是將融化后的蠟向上輸運(yùn)到熾熱氣體的一個(gè)通道，在這個(gè)過程中，由于熱輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱的綜合作用才有足夠的能量才能使固體蠟發(fā)生融化與蒸發(fā)。傳質(zhì)和相變過程也會(huì)由于蠟燭燃燒而增強(qiáng)。燃料由固體轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)。質(zhì)量平衡要求通過燭芯蒸發(fā)掉的質(zhì)量必須等于由于毛細(xì)作用進(jìn)入到燭芯的融化蠟質(zhì)量。一旦到達(dá)這種質(zhì)量平衡，來自火焰的傳熱使融化蠟蒸發(fā)，蒸汽蠟在擴(kuò)散作用下離開燭芯?；鹧鎯?nèi)區(qū)局部的含氧量較低，因而燃燒不完全，只是發(fā)生一些不完全化學(xué)反響，產(chǎn)生煙塵粒子和其他不完全燃燒產(chǎn)物。這些燃燒產(chǎn)物受對(duì)流作用沿火焰向上運(yùn)動(dòng)并與氧反響。在火焰頂部附近，所有燃料已燃燒并產(chǎn)生水和二氧化碳，可以通過觀測蠟燭火焰是否產(chǎn)生散發(fā)煙霧來確定其燃燒效率。通過改變燭芯的尺寸和性質(zhì)，即很容易改變火焰的形狀和尺寸，從而改變這種自持燃燒過程。如果燭芯長而粗，那么允許更多的融化蠟發(fā)生蒸發(fā)，因而火焰尺寸較大，增強(qiáng)了向固體蠟的傳熱。質(zhì)量和能跑很快到達(dá)平衡狀態(tài)，從而形成穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。其他固體燃料：沒有燭芯時(shí)，蠟燭火焰不會(huì)自持。對(duì)許多其他固體燃料也是如此。如點(diǎn)火源、燃料種類及其數(shù)量，以及燃料塊的外表積等因素都決定了這種燃料是否能形成自持火焰。一堆木材棍可以形成自持火焰，而一根粗重的原木那么不能形成自持火焰。一旦給定這些影響因素，質(zhì)量和能量輸運(yùn)過程將會(huì)決定這種燃燒過程是減弱、保持穩(wěn)定還是處于加速燃燒狀態(tài)。同時(shí)，其他固體燃料的相變過程可能要比蠟燭的融化蒸發(fā)過程復(fù)雜得多。固體燃料在發(fā)生融化蒸發(fā)前，可能經(jīng)歷熱解過程。因此燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了這種燃燒是否能自持。對(duì)于較蠟燭更復(fù)雜的燃料，很難預(yù)測其火災(zāi)開展的過程。這種困難不僅是由于火災(zāi)過程中涉及的物理化學(xué)過程非常復(fù)雜，而且由于這些過程與燃料的幾何條件和前面提到的其他燃料因素有關(guān)，這些幾何因素和燃料因素之間存在極大的差異。當(dāng)燃料塊在室內(nèi)燃燒時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的環(huán)境以及房屋邊界會(huì)與燃料發(fā)生相互作用，如圖2.1所示。從而使火災(zāi)開展過程的預(yù)測變得更為困難。目前的理論研究和技術(shù)水平尚不能精確預(yù)測各種條件下室內(nèi)火災(zāi)的開展過程，但通?？梢岳迷囼?yàn)數(shù)據(jù)和近似方法得到建筑火災(zāi)的工程估算。2.2.2室內(nèi)火災(zāi)概述室內(nèi)火災(zāi)的開展有很多方式，主要取決于房間的幾何條件、通風(fēng)條件以及燃料的種類、數(shù)量和外表積。下面對(duì)室內(nèi)火災(zāi)開展過程中可能產(chǎn)生的各種現(xiàn)象進(jìn)行一般性的描述。點(diǎn)火：點(diǎn)火成功后，火災(zāi)逐漸增強(qiáng)，由于火焰的擴(kuò)展蔓延，其釋放能量越來越多。在早期階段，房間本身對(duì)火災(zāi)幾乎沒有影響，因此將此階段的火災(zāi)稱為燃料控制的火災(zāi)。除了釋放能量，還會(huì)產(chǎn)生各種毒害氣體和非毒害氣體，以及固體燃燒產(chǎn)物。如上所述，能量的釋放與燃燒產(chǎn)物是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，因而工程設(shè)計(jì)人員必須依賴試驗(yàn)和近似方法來估算火災(zāi)過程中的能量釋放速率，以及燃燒產(chǎn)物的生成量。在第三章中將研究能量釋放速率問題，而燃燒產(chǎn)物的生成量問題那么在第九章中討論。圖2.3室內(nèi)火災(zāi)條件下熱煙氣層的形成與下降示意圖羽流：火焰中的熱煙氣被周圍冷空氣包圍著，熱煙氣溫度越高，其密度越小，在密度差〔或浮力〕的作用下向上運(yùn)動(dòng)。浮力引起的流動(dòng)包括火焰中的任何流動(dòng)稱為火災(zāi)羽流。當(dāng)熱煙氣向上升騰時(shí)，冷空氣會(huì)被卷吸進(jìn)入到火災(zāi)羽流中。這種燃燒產(chǎn)物與空氣的混合物向上升騰并接觸到房間頂棚，從而形成熾熱煙氣層。與頂棚接觸的熱煙氣中只有很小局部質(zhì)量來源于燃料本身，而大局部質(zhì)量是當(dāng)火災(zāi)羽流向頂棚持續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中在水平方向卷吸進(jìn)入的空氣。由于這種卷吸作用，羽流的總質(zhì)量流率逐漸增大，其平均溫度和產(chǎn)物組分的濃度那么隨著高度的增加而降低。第四章將討論余流質(zhì)量流率以及羽流的相關(guān)性質(zhì)與參數(shù)。頂棚射流：當(dāng)羽流與頂棚接觸后，熱煙氣以動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的環(huán)形射流的方式沿頂棚蔓延，這種射流的速度和溫度具有重要的實(shí)際意義，因?yàn)楦闱宄@些參數(shù)有利于計(jì)算頂棚附近安設(shè)的煙霧和溫度探測器的響應(yīng)情況。關(guān)于頂棚射流速度與溫度的計(jì)算方法將在第四章中加以討論。頂棚射流最終將會(huì)到達(dá)房間側(cè)壁，受墻壁的限制作用，因而其沿壁面向下運(yùn)動(dòng)，如圖2.3所示。但頂棚射流中的氣體仍然比擬周圍環(huán)境空氣的溫度高，因而這種流動(dòng)最終會(huì)由于浮力的作用轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)。因此，在頂棚下面形成熱煙氣層。氣體溫度：各種不同規(guī)模的室內(nèi)火災(zāi)試驗(yàn)說明，將火災(zāi)房間劃分為兩個(gè)不同的層區(qū)是十分合理的，即：上部由燃燒產(chǎn)物和卷吸進(jìn)入的空氣混合物構(gòu)成的熱煙氣層，以及房間下部為由空氣構(gòu)成的冷空氣層。進(jìn)一步，盡管每一層中氣體的性質(zhì)都是隨時(shí)間變化的，但是可以每一層中的氣體性質(zhì)是均勻分布的。例如在工程計(jì)算方法中，通常假設(shè)在任一給定時(shí)刻，整個(gè)熱煙氣層中的溫度都相同。上層熱煙氣溫度的計(jì)算方法見第六章。熱煙氣層：羽流持續(xù)從下層氣體中卷吸進(jìn)空氣，并將其向頂棚輸運(yùn)。因此，熱煙氣層的體積逐漸增大，熱煙氣層與下層的界面逐漸下降。這種煙氣充填過程與煙氣充填時(shí)間的計(jì)算將在第八章中討論。傳熱：隨著熱煙氣層的下降，熱煙氣層的溫度逐漸升高，因而這種傳熱過程會(huì)增強(qiáng)。熱煙氣層通過熱輻射和對(duì)流方式向與熱煙氣接觸的頂棚和墻壁傳熱。同時(shí)，熱煙氣層也通過熱輻射向地板和下部墻壁傳熱，其中局部熱量被下部區(qū)域的空氣吸收。另外，也有局部熱量傳遞給燃料床，這些熱量不僅來自于火焰，而且隨著火災(zāi)的不斷增強(qiáng)，越來越多的熱量來自于熱煙氣層與溫度較高的墻壁對(duì)的輻射作用。這種向燃料床的傳熱會(huì)導(dǎo)致燃料的燃燒速率增加，從而使室內(nèi)的燃料塊其他部位也被加熱。在第七章將討論這種傳熱過程。閃燃：隨著燃料的燃燒速率不斷增加，或由于最初點(diǎn)燃的物體的火焰發(fā)生擴(kuò)展，火災(zāi)逐漸開展。商城熱煙氣的溫度升高，其溫度可能到達(dá)很高的值。因此熱煙氣層向?qū)κ覂?nèi)其他可燃物進(jìn)行輻射加熱，在每一個(gè)階段，室內(nèi)所有的可燃物都發(fā)生點(diǎn)火燃燒，能量釋放速率迅速增加。這種有逐漸開展的火災(zāi)快速突然轉(zhuǎn)變?yōu)槌浞珠_展的火災(zāi)的過程稱為閃燃。因此火災(zāi)可能從開展相對(duì)緩慢的狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)闃O具能量和破壞的狀態(tài)。圖2.4中的實(shí)線表示在A點(diǎn)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，在B點(diǎn)形成充分開展的火災(zāi)。一旦到達(dá)B點(diǎn)〔充分開展的火災(zāi)〕，就稱發(fā)生了閃燃。在2.3中將進(jìn)一步討論閃燃問題。充分開展的火災(zāi)：在火災(zāi)充分開展階段，火焰通過開口向外噴射，房間內(nèi)所有的可燃物料都發(fā)生著火。只要有足夠的燃料和氧氣進(jìn)行燃燒，充分開展的火災(zāi)可以持續(xù)燃燒數(shù)小時(shí)。2.3節(jié)中將進(jìn)一步討論充分開展的火災(zāi)與閃燃現(xiàn)象。缺氧：如果房間沒有開口或僅有很小的泄漏縫隙，那么房間內(nèi)的熱煙氣層向火焰區(qū)域的沉降速度很快，并最終覆蓋火焰區(qū)。此時(shí)，進(jìn)入燃燒區(qū)的空氣只含有很少量的氧氣，因而火災(zāi)可能由于缺氧而熄滅。圖2.4中的虛線表示火災(zāi)可能到達(dá)A點(diǎn)，并開始發(fā)生閃燃，但由于氧氣的消耗，能量釋放速率會(huì)發(fā)生降低，同時(shí)氣體溫度也會(huì)降低。即使能量釋放速率降低，熱解過程仍然可能以相對(duì)較高的速率持續(xù)進(jìn)行，從而引起室內(nèi)未燃?xì)怏w的集聚。如果此時(shí)窗戶等發(fā)生破壞，或如果消防撲救過程中形成開口，那么熱煙氣將通過這些開口的上部向外流出，而溫度較低的新鮮空氣通過開口的下部流進(jìn)房間。這種過程可能降低房間內(nèi)的熱載荷，但新鮮空氣可能使房間內(nèi)的熱釋放速率增加。這種情況下，火災(zāi)可能向閃燃開展，如圖2.4中的虛線所示。回燃：最壞的一種情況是在流進(jìn)房間內(nèi)的空氣可能與火災(zāi)缺氧時(shí)產(chǎn)生的未燃燒的熱解氣體混合。此時(shí)遇到任何點(diǎn)火源，如發(fā)熱的余燼等，都可能點(diǎn)燃所形成的可燃混合物。這會(huì)導(dǎo)致爆炸性或速度極高的氣體燃燒。燃燒放熱導(dǎo)致的氣體膨脹將使燃燒著的氣體通過開口噴出房間。這種回燃現(xiàn)象具有極大的危險(xiǎn)性，許多消防撲救人員就是由于這種快速燃燒事件而失去生命。在圖2.4中，上述回燃現(xiàn)象可用由C點(diǎn)垂直向上并到達(dá)最高溫度的直線來表示。通常，回燃現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間極短，通常只有幾秒鐘的時(shí)間〔但也觀察到有持續(xù)數(shù)分鐘的回燃現(xiàn)象〕。通?；厝贾髸?huì)發(fā)生閃燃，因?yàn)榛厝籍a(chǎn)生的強(qiáng)烈的熱作用使房間內(nèi)的所有可燃燃料發(fā)生著火燃燒，從而形成充分開展的室內(nèi)火災(zāi)。圖2.4室內(nèi)火災(zāi)的氣體溫度，同時(shí)給出了室內(nèi)火災(zāi)溫度曲線可能存在的幾種變化軌跡煙氣爆炸：當(dāng)通風(fēng)不良的火災(zāi)產(chǎn)生的未燃?xì)怏w通過縫隙等泄漏到與火災(zāi)房間相連的密閉空間時(shí)，這些未燃?xì)怏w可能與空氣充分混合形成可燃?xì)怏w混合物。此時(shí)很微弱的火星即可點(diǎn)燃這些混合氣體形成煙氣爆炸，這種煙氣爆炸產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重。但在室內(nèi)火災(zāi)過程中這種現(xiàn)象很少觀察到。2.3室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的階段在本節(jié)中，我們對(duì)室內(nèi)火災(zāi)階段的常用劃分方法進(jìn)行概述。室內(nèi)火災(zāi)階段的劃分可以根據(jù)火災(zāi)情況下室內(nèi)環(huán)境參量的變化情況來進(jìn)行，我們主要討論的是用室內(nèi)溫度以及用開口處的質(zhì)量流率和壓差來進(jìn)行火災(zāi)階段劃分的方法。2.3.1以室內(nèi)溫度來劃分火災(zāi)階段通常以溫度來討論室內(nèi)火災(zāi)，因而將其劃分為幾個(gè)階段。圖2.5表示在沒有對(duì)火災(zāi)進(jìn)行任何控制的情況下，火災(zāi)開展過程中理想的溫度變化曲線。Walton和Thomas列出了所劃分的階段：點(diǎn)火開展閃燃充分開展火災(zāi)衰減點(diǎn)火：點(diǎn)火過程可以看成是形成絕熱反響的過程，所謂絕熱反響的特點(diǎn)是在反響過程中其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。可以是明火火柴、火花或者其他火源形成點(diǎn)火，也可以通過陰燃形成點(diǎn)火〔陰燃是通過在燃料中不斷的熱積累形成的〕。點(diǎn)火形成的燃燒過程可以是明火燃燒，也可以是陰燃燃燒。圖2.5室內(nèi)火災(zāi)條件下，理想化的溫度隨時(shí)間變化過程開展：點(diǎn)火之后，火災(zāi)可能以較慢或較快的速度開展，主要取決于燃燒類型、燃料種類及其與環(huán)境的相互作用、氧氣的供給情況等?？梢杂媚芰酷尫潘俾逝c燃燒氣體的生成等來描述火災(zāi)。陰燃火災(zāi)產(chǎn)生的毒害氣體量可能到達(dá)危險(xiǎn)值，而其能量釋放速率可能處于相對(duì)較低的值。這種火災(zāi)的增強(qiáng)期可能非常長，也可能在到達(dá)后面的階段之前即發(fā)生熄滅。開展階段也可能進(jìn)行得很快，特別是在明火燃燒的情況下，此時(shí)燃料的可燃性能夠使火焰在其外表上快速地蔓延，也即這種燃料的初始燃燒產(chǎn)生的熱通量可以點(diǎn)燃整個(gè)燃料塊，且燃料與氧氣供給充分，從而使火災(zāi)能夠快速開展。如果燃燒過程中的氧氣供給充分，那么稱這種火災(zāi)為燃料控制型火災(zāi)。閃燃：閃燃是室內(nèi)火災(zāi)由開展階段過渡到充分開展階段的轉(zhuǎn)換過程。國際化標(biāo)準(zhǔn)組織〔ISO〕對(duì)閃燃的正式定義為“室內(nèi)可燃物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，所有外表均發(fā)生著火燃燒的快速轉(zhuǎn)變過程〞。在火災(zāi)平安過程中，所謂閃燃那么表示室內(nèi)火災(zāi)兩個(gè)階段之間〔即閃燃前火災(zāi)與閃燃后火災(zāi)〕的臨界點(diǎn)。閃燃并不是一種準(zhǔn)確的叫法，文獻(xiàn)中對(duì)其有不同的定義。所給出的這些準(zhǔn)那么通常要求室內(nèi)溫度已到達(dá)500～600攝氏度，或者對(duì)地板的熱輻射到達(dá)15～20kW/m2，或者在開口處可見到火焰。這些現(xiàn)象的發(fā)生可能由于燃料性質(zhì)、燃料布置方位和位置、房間幾何條件以及上層熱煙氣的條件等而具有不同的發(fā)生機(jī)理。閃燃并非是一種機(jī)理，只是與熱穩(wěn)定性有關(guān)的一種現(xiàn)象。充分開展火災(zāi)：在此階段，室內(nèi)的能量釋放速率到達(dá)最大值，且這種能量釋放速率的大小只受氧氣供給情況的限制。由于假定燃燒所需的氧氣是通過開口進(jìn)入房間的，因此也將充分開展的火災(zāi)稱為通風(fēng)控制型火災(zāi)〔與燃料控制型火災(zāi)相對(duì)〕。在通風(fēng)控制型火災(zāi)中，未燃燒的氣體可能在頂棚位置附近形成集聚，當(dāng)這些未燃?xì)怏w通過開口處時(shí)發(fā)生燃燒，從而使得火焰向開口外噴繞。此階段室內(nèi)氣體的平均溫度通常較高，一般在700～1200攝氏度之間。衰減：隨著燃料的不斷消耗，能量釋放速率逐漸降低，因而室內(nèi)氣體溫度也會(huì)逐漸降低。在此階段內(nèi)，火災(zāi)可能由通風(fēng)控制型轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂峡刂菩突馂?zāi)。2.3.2以開口的流動(dòng)狀態(tài)劃分火災(zāi)開展階段第二種將室內(nèi)火災(zāi)劃分成不同階段的方法是觀察火災(zāi)開展過程中通過開口進(jìn)出房間的質(zhì)量流量。這種質(zhì)量流量反過來又與開口處的壓差有關(guān)。圖2.6表示在單個(gè)開口情況下，室內(nèi)火災(zāi)開展過程中的開口處壓力剖面。室外大氣壓力用直線表示，為斜線，這是因?yàn)楫?dāng)我們逐漸靠近地面時(shí)，隨著空氣柱高度會(huì)增加。假設(shè)室內(nèi)底層空氣的溫度等于外面大氣的溫度，我們知道底層空氣的壓力由具有一定斜率〔與外部大氣壓力直線的斜率相等〕的直線給定。當(dāng)向熾熱煙氣層靠近時(shí)，壓力線會(huì)發(fā)生突然轉(zhuǎn)折；因?yàn)闊霟釤煔獾拿芏纫壤淇諝獾拿芏刃?。?duì)圖2.6中的四種情況，室外大氣的壓力均相等，可用符號(hào)表示。室內(nèi)壓力用表示。關(guān)于壓力剖面，在第五章將會(huì)詳細(xì)介紹。階段A:在火災(zāi)開展的早期階段，室內(nèi)壓力要高于室外壓力，這是因?yàn)闊霟釟怏w的膨脹所致，因?yàn)橥|(zhì)量的熾熱氣體所占的體積要比冷氣體體積大。如果開口低于頂棚位置，那么底層的冷空氣會(huì)由于熾熱煙氣的膨脹作用通過開口被強(qiáng)行擠壓出室內(nèi)。因此，在開口處形成正壓差〔相對(duì)于房間〕，此時(shí)通過開口不會(huì)存在有向室內(nèi)的流動(dòng)，只有冷空氣流出室內(nèi)。階段B:B階段僅能持續(xù)幾秒鐘的時(shí)間，通常可以忽略不計(jì)。當(dāng)煙氣層剛好到達(dá)開口上部時(shí)，即開始向外流出。而此時(shí)室內(nèi)的壓力仍然高于室外的壓力，因此，冷空氣和熾熱煙氣都向外流動(dòng)。此時(shí)向室內(nèi)的質(zhì)量流量等于零。階段C:在此階段，熾熱氣體通過開口上部向外流動(dòng)，由于質(zhì)量平衡的要求，那么有等質(zhì)量流率的冷空氣通過開口下部進(jìn)入到室內(nèi)。此階段持續(xù)的時(shí)間較長，直到整個(gè)房間充滿煙氣或發(fā)生閃燃為止。A、B和C階段都與前面所介紹的形成階段有關(guān)，即閃燃前階段。階段D:本階段通常稱為充分混合階段，在此階段內(nèi)，室內(nèi)充滿了充分混合的煙氣，因而可以假定其存在一個(gè)平均的單一溫度。本階段與充分開展的火災(zāi)階段有關(guān)。在許多情況下，閃燃發(fā)生在C、D階段之間，在第五章中還將繼續(xù)討論這種壓力剖面，從而推導(dǎo)出可以計(jì)算進(jìn)出開口的質(zhì)量流量公式，在第八章中，推導(dǎo)出計(jì)算室內(nèi)煙氣充滿率的計(jì)算公式。2.3.3描述室內(nèi)火災(zāi)開展階段的其他術(shù)語和概念在火災(zāi)平安工程設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)遇到兩種截然不同的情形，即〔1〕閃燃前火災(zāi)強(qiáng)調(diào)的是人的平安，這種情形下設(shè)計(jì)載荷由能量釋放速率曲線來給定，此時(shí)火災(zāi)的形成階段最重要；〔2〕另一種完全不同的情形是，設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和消防撲人員的平安性問題。此時(shí)，人們關(guān)注的是閃燃后的火災(zāi)，設(shè)計(jì)載荷由火災(zāi)充分開展階段的溫度時(shí)間曲線給定。因此，火災(zāi)開展過程有時(shí)可以簡單地分為兩個(gè)階段，即閃燃前火災(zāi)和閃燃后火災(zāi)。圖2.6火災(zāi)開展過程中開口處的壓力剖面在起火后以及火災(zāi)的早期形成開展階段，可以稱火災(zāi)是燃料控制的。因?yàn)樵谠缙陔A段，燃燒所需的氧氣量充足，火災(zāi)的開展完全取決于燃料本身的特性及其幾何形狀。當(dāng)火災(zāi)向閃燃開展后，即變?yōu)橥L(fēng)控制型火災(zāi)，此時(shí)燃料熱解后燃燒所需的氧氣量缺乏。因而其能量釋放速率由通過開口進(jìn)入到室內(nèi)的氧氣量決定，因此這種火災(zāi)稱為通風(fēng)控制型的火災(zāi)。在衰減熄滅階段，火災(zāi)最終會(huì)回到燃料控制的狀態(tài)。因此，在火災(zāi)的形成階段〔即閃燃前火災(zāi)〕通常是燃料控制型火災(zāi)，而在充分開展階段〔即閃燃后火災(zāi)〕通常是通風(fēng)控制型火災(zāi)。影響室內(nèi)火災(zāi)開展的因素影響室內(nèi)火災(zāi)開展過程的主要因素可以分為兩類，即與房間本身有關(guān)的因素，以及與燃料有關(guān)的因素。這些因素包括：?點(diǎn)火源的尺寸與位置?燃料塊種類、數(shù)量、位置、間距、方位和外表積?房間的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸?房間開口的尺寸和位置?房間邊界的材料性質(zhì)點(diǎn)火源：點(diǎn)火源包括能量較低的火花、熱外表或明火。點(diǎn)火能量可以是化學(xué)能、電能或者機(jī)械能。點(diǎn)火源的能量越大，燃料形成的火焰開展越快?；鸹ɑ螯c(diǎn)燃的香煙可能形成陰燃，在形成明火之前可能持續(xù)較長的時(shí)間，在陰燃情形下，放熱量較低，但產(chǎn)生大量的毒害煙氣。明火通?？梢灾苯赢a(chǎn)生有焰燃燒，從而導(dǎo)致火焰擴(kuò)展并形成火災(zāi)。點(diǎn)火位置也非常重要，例如位于窗簾下部的明火那么可能形成快速向上的火焰擴(kuò)展并形成火災(zāi)。而如果將同樣的明火放在窗簾的上部，那么緩慢向下延燃，火災(zāi)蔓延要慢得多。燃料：當(dāng)然，可燃物料的種類與數(shù)量是決定室內(nèi)火災(zāi)開展過程的主要因素之一。在建筑火災(zāi)中，燃料通常包括如家具、裝飾件等固體可燃物，在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中，那么主要為液體燃料。相對(duì)較重的木質(zhì)家具通常形成慢速延燃性火災(zāi)，燃燒持續(xù)的時(shí)間較長。一些現(xiàn)代室內(nèi)裝飾材料包括多孔輕質(zhì)塑料那么使火災(zāi)開展較快，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。因此，火災(zāi)載荷較高并不一定能造成很大的危害；從人的生命平安的角度，假設(shè)火災(zāi)開展很迅速那么更危險(xiǎn)。圖2.7燃燒木垛上方不同高度處的火災(zāi)羽流溫度〔A、B、C分別表示遠(yuǎn)離墻面、靠近墻面和在房間角落燃燒時(shí)的情況〕。燃料塊的位置對(duì)火災(zāi)的形成和開展具有顯著的影響。如果燃料塊放置在遠(yuǎn)離墻壁的地方，那么冷空氣可以從不同方向卷吸進(jìn)入火災(zāi)煙羽。當(dāng)放置在靠近墻壁時(shí)，那么卷入的冷空氣受到一定的限制。這不僅是由于遠(yuǎn)離墻壁時(shí)具有較高的溫度，而且具有較大的火焰區(qū)域，因?yàn)槿紵^程的發(fā)生需要在較大的距離范圍內(nèi)發(fā)生。圖2.7表示在1.22m高的木垛上方火災(zāi)測得的溫度。曲線A表示沒有墻壁時(shí)木垛上方不同高度處的溫度。曲線B表示同樣的木垛靠近墻壁時(shí)的情況，而曲線C那么表示木垛位于房間角落時(shí)的情況。燃料堆放的間距和方位也是影響火災(zāi)形成和開展的重要因素。燃料在室內(nèi)的堆放間距在很大程度上決定了燃料堆放之間的火勢蔓延的快慢。在垂直于燃料堆外表向上的火焰擴(kuò)展速度要比水平方向的擴(kuò)展快得多。室內(nèi)墻面或頂棚上裝飾的可燃襯墊物可能使火災(zāi)迅速開展和蔓延。圖2.8給出了小型房間火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在試驗(yàn)中僅在墻壁上安裝有襯墊材料〔頂棚為非燃燒性〕，或者在墻面和頂棚上均裝飾有襯墊材料。在上述兩種情形下，都是在襯墊材料上形成初期火焰，火焰隨著煙氣擴(kuò)展〔匯流型火焰擴(kuò)展〕，從而使火災(zāi)快速蔓延。如果頂棚裝飾為非燃燒性材料，那么火焰通過材料沿水平方向擴(kuò)展〔反向流動(dòng)型火焰擴(kuò)展〕，此時(shí)火災(zāi)開展較緩慢，在火焰快速擴(kuò)展通過這些襯墊材料之前，需要將這些材料加熱到很高的溫度，因而在初期蔓延十分緩慢。因此，前一種情形下，發(fā)生閃燃所需的時(shí)間為4min，而后者為12min。圖2.8只在墻面上或在墻面和頂棚上均裝有粒料板的小型房間內(nèi)進(jìn)行火災(zāi)時(shí)能量釋放速率隨時(shí)間的變化?！伯?dāng)能量釋放釋放速率為100kW時(shí)，發(fā)生閃燃〕外表積較大的燃料堆的燃燒要比質(zhì)量相差不大但外表積小得多的燃料堆快得多。例如，一堆木材棍要比等質(zhì)量的單個(gè)木棒燃燒快速得多。房間的幾何條件：熾熱煙氣層和房間上部的約束外表會(huì)向燃燒著的燃料進(jìn)行熱輻射，從而使燃燒速率增強(qiáng)。室內(nèi)的其他可燃物也會(huì)由于受輻射作用而被加熱。因此，熱煙氣層的溫度和厚度，以及房間上部約束外表的溫度對(duì)火災(zāi)形成和開展有重要的影響。在尺寸較小的房間，燃料燃燒時(shí)引起的溫度較高，因而火災(zāi)形成和開展較快，在尺寸較大的房間，如果采用同樣的燃料燃燒，其房間內(nèi)的氣體溫度要比前者低，充滿煙氣所需的時(shí)間也較前者長，而輻射到燃料的熱量也較少，因而火災(zāi)形成和開展較慢。當(dāng)燃燒產(chǎn)物和空氣的混合物向頂棚運(yùn)動(dòng)時(shí)，所形成的火災(zāi)煙羽會(huì)卷吸進(jìn)入局部冷空氣。吸入的冷空氣量與燃料到熱煙氣與冷空氣層之間的界面高度有關(guān)。如果房間頂棚較高，那么氣體溫度上升緩慢，但由于吸入的冷空氣量較多，因而煙氣充填速度相對(duì)較快。此時(shí)，假設(shè)房間地板面積越小，煙氣充滿過程越快。當(dāng)房間頂棚較低時(shí)，向燃料的傳熱越多。另外，火焰可能到達(dá)頂棚并在其下面向水平方向擴(kuò)展。這會(huì)導(dǎo)致熱煙氣層與燃料和其他可燃物之間的相互反響作用增強(qiáng)，因而火災(zāi)形成和開展較快。當(dāng)房間的頂棚較高，且地板面積較大時(shí)，火焰不一定能到達(dá)頂棚位置，因而煙氣層與燃料之間的反響作用處于中等狀況。相反，火災(zāi)的蔓延是通過火焰對(duì)附近物體的直接熱輻射進(jìn)行的，此時(shí)可燃物的間距就變成一個(gè)非常重要的因素。在地板面積較大而頂棚較低的建筑物中，在起火位置附近，熱煙氣層和頂棚火焰之間的相會(huì)反響作用非常強(qiáng)，在火源較遠(yuǎn)的位置，熱煙氣層已吸入冷空氣，在頂棚外表上的熱量損失較大，因此在火災(zāi)的早期階段，傳向可燃物的熱通量相比火源位置附近的熱通量要低。由此，可以得到如下結(jié)論，即頂棚與墻面越是接近，其對(duì)火災(zāi)開展的作用越強(qiáng)。即使在較大的空間內(nèi)，熱煙氣層聚集在頂棚附近，也能使其下方的可燃物被加熱到較高的溫度，從而導(dǎo)致火焰快速延燃到較大的面積上。例如，1985年發(fā)生在英格蘭布拉德福特球場的火災(zāi)中，火焰快速包繞整個(gè)球場就是生動(dòng)的例子。房間開口：一旦形成明火，火災(zāi)必然有與以氧氣接觸的通道，從而形成持續(xù)的火災(zāi)蔓延。在中等體積的封閉或漏縫很小的房間內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)，會(huì)很快形成缺氧的狀態(tài)，因而火災(zāi)可能自行熄滅，也可能以較低的燃燒速度燃燒，這取決于氧氣的供給情況。對(duì)有通風(fēng)口的房間，在某些情況下，通風(fēng)口的尺寸、形狀和位置等，對(duì)火災(zāi)的開展具有重要的影響。在火災(zāi)蔓延開展階段，當(dāng)其變成通風(fēng)控制型的火災(zāi)之前，如果開口的高度或位置有助于將熱煙氣有效地排放到室外，那么這種開口只是作為熱煙氣的排放口。房間開口的這種作用會(huì)減弱熱煙氣與燃料之間的反響作用，從而使火災(zāi)開展變得較緩慢。在其他情況下，開口的幾何條件對(duì)燃料控制型火災(zāi)的開展幾乎不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)火災(zāi)由供養(yǎng)速率控制時(shí)，開口尺寸和形狀對(duì)火災(zāi)開展有重要的影響。Kawagoe通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可燃物質(zhì)的燃燒速率與“通風(fēng)因子〞有很大的關(guān)系。通風(fēng)因子的定義是，其中是開口面積，是開口的高度，可以通過對(duì)進(jìn)出火災(zāi)房間的氣體流量進(jìn)行理論分析來表示通風(fēng)因子的重要性。在第五章中，將會(huì)對(duì)其加以推導(dǎo)，并可以看到燃燒速率受進(jìn)出房間開口的氣體流動(dòng)所控制。當(dāng)增大時(shí)，燃燒速率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的增大。在燃燒速率變得與通風(fēng)因子無關(guān)之前，這種關(guān)系總是成立的，此后變成燃料控制的火災(zāi)，其燃燒速率與通風(fēng)狀況無關(guān)。約束界面的性質(zhì)：房間約束界面的性質(zhì)也可能對(duì)煙氣溫度產(chǎn)生很大的影響，因而對(duì)燃燒著的燃料或其他可燃物體的熱通量產(chǎn)生較大的影響。某些設(shè)計(jì)為能吸收能量的邊界約束材料，如礦棉等，會(huì)限制其外表對(duì)熱量的吸收，因而熱煙氣會(huì)存留大局部該熱量。控制熱量吸收多少的材料性質(zhì)其熱傳到系數(shù)〔〕、材料密度〔〕和比熱〔〕等。通常將這些參數(shù)組合成一個(gè)參數(shù)即，稱為材料的熱慣性。絕熱材料的熱慣性較低；熱慣性較高的材料，如磚和混凝土等，可以在其結(jié)構(gòu)內(nèi)傳入更多的熱量，因而降低了熱煙氣的溫度。小結(jié)前節(jié)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)開展過程進(jìn)行了定性描述，并引入了一些常見的術(shù)語和概念。室內(nèi)火災(zāi)開展的方式較多，這里只對(duì)最重要的幾個(gè)火災(zāi)開展階段進(jìn)行了一般性的描述。但火災(zāi)過程中的閃燃或回燃能造成巨大的破壞。因此通過實(shí)際的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)或者觀看火災(zāi)實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H錄像非常重要，例如美國消防協(xié)會(huì)NFPA制作的相關(guān)火災(zāi)錄像“CountdowntoDisaste〞，以及英國建筑研究中心錄制的“AnatomyofaFire〞等。最后值得指出的是，讀者有必要對(duì)火災(zāi)平安的相關(guān)術(shù)語加以理解，從而可以運(yùn)用這些術(shù)語對(duì)火災(zāi)開展過程進(jìn)行描述。熟悉這些術(shù)語或概念的含義非常重要，例如閃燃、閃燃前火災(zāi)、閃燃后火災(zāi)、燃料控制型火災(zāi)和通風(fēng)控制型火災(zāi)，以及充分開展的火災(zāi)等。3能量釋放速率在很大程度上，室內(nèi)火災(zāi)的能量釋放速率控制著火災(zāi)形成的環(huán)境變化，例如火災(zāi)羽流、熱煙氣溫度以及熱煙氣層向的沉降速度等。本章以后的其他各章會(huì)介紹預(yù)測火災(zāi)環(huán)境參數(shù)的各種計(jì)算方法。這些方法都要求讀者要有能量釋放速率方面的相關(guān)知識(shí)。本章介紹火災(zāi)情形下能量釋放速率的常用計(jì)算方法。3.1術(shù)語燃燒速率或質(zhì)量損失速率—固體或液體燃料蒸發(fā)和燃燒的質(zhì)量速率?？梢员磉_(dá)為單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量流率，典型地為kg/s或g/s，本教材以表示。也可以表示為質(zhì)量通量或單位面積上的質(zhì)量燃燒速率，典型地為，這種情況下用表示。需要注意的是燃燒速率和質(zhì)量損失速率〔燃料的供給速率〕之間的區(qū)別，因?yàn)樗┙o的燃料不一定全部燃燒。對(duì)于不受空氣供給限制的燃燒物體，那么兩者的含義相同。燃燒效率—指有效燃燒熱與完全燃燒熱之間的比值稱為燃燒效率，用表示。能量釋放速率或熱釋放速率—當(dāng)物體燃燒時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)會(huì)放出一定量的能量，單位為kW〔kJ/s〕，通常用表示。對(duì)大多數(shù)材料，其能量釋放速率隨時(shí)間變化，通常也稱為熱釋放速率〔有時(shí)用HRR表示〕。但是能量釋放速率更確切一些，因?yàn)閲?yán)格地說，熱量是由于存在溫差輸運(yùn)的能量。但在一般情況下，兩者具有相同的含義。燃燒熱—單位質(zhì)量的物質(zhì)燃燒時(shí)所釋放出來的能量多少，單位為kJ/kg或kJ/g。將完全燃燒熱〔〕和有效燃燒熱〔〕很重要。前者表示完全燃燒時(shí)〔不剩余燃料，燃料所有的化學(xué)能都得以釋放〕所釋放出的能量，而有效燃燒熱更適合于描述火災(zāi)過程中的燃燒現(xiàn)象，在火災(zāi)過程中可能有局部燃料未參與燃燒，或者燃燒不完全。有時(shí)也稱為化學(xué)燃燒熱。汽化熱—表示單位質(zhì)量的燃料汽化所需的能量，單位為kJ/kg，用表示。引言能量釋放速率的單位是瓦特，千瓦或兆瓦等。表3.1中給出了不同燃料燃燒情況下能量釋放速率的典型值，以及各種不同能量輸出強(qiáng)弱。對(duì)于火災(zāi)開展過程，一般采用能量釋放速率隨時(shí)間的變化來表示。針對(duì)特定的火災(zāi)情形，一旦得到該參數(shù)關(guān)系，就將其稱為設(shè)計(jì)火災(zāi)。表3.1說明，對(duì)于不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)火災(zāi)的能量輸出在100kW～50MW范圍。對(duì)于給定的火災(zāi)情形，主要有兩種方法來確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)火災(zāi)。其一是基于最初發(fā)生火災(zāi)的房間內(nèi)的可燃物質(zhì)數(shù)量和種類，其二是基于人員密度來加以確定〔這種情況下，通常是不知道火災(zāi)載荷的詳細(xì)情況而采用〕。在第一種情況下，假定物體被點(diǎn)燃，然后開始燃燒。在很多情況下，可以通過過去的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)〔試驗(yàn)中直接測定其能量釋放速率〕來估算其能量釋放速率隨時(shí)間的變化關(guān)系。許多文獻(xiàn)中對(duì)此有數(shù)據(jù)歸納和總結(jié)。但在許多設(shè)計(jì)情形下，很少有最初發(fā)生火災(zāi)的房間內(nèi)的可燃物數(shù)量方面的信息。此時(shí)，必須采用人員密度或其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和工程判斷來確定設(shè)計(jì)火災(zāi)。在3.3中，我們將討論室內(nèi)火災(zāi)能量釋放速率的控制因素。在3.4中給出如何利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)測燃料及其燃燒產(chǎn)物的實(shí)際例子。最后在3.5中，討論在給定的火災(zāi)情形下，如何利用這些信息來確定設(shè)計(jì)火災(zāi)。3.3室內(nèi)火災(zāi)中能量釋放速率的控制因素火災(zāi)過程中的能量釋放速率主要取決于燃料的種類、數(shù)量和布置方位，以及房間對(duì)火災(zāi)的影響。能量釋放速率會(huì)隨時(shí)間變化，圖3.1表示不同堆放高度下木垛燃燒時(shí)，能量釋放速率隨時(shí)間變化的示意圖。上述測定通常稱為自由燃燒實(shí)驗(yàn)，表示可燃物燃燒不受火災(zāi)發(fā)生房間的影響。燃燒速率與能量釋放速率燃燒速率是指固體或液體燃料蒸發(fā)和燃燒的質(zhì)量速率，可用單位時(shí)間的質(zhì)量流率來表示，單位為每秒千克或每秒克，也可以用單位面積上的質(zhì)量通量或質(zhì)量燃燒速率來表示，單位為每平方米每秒千克，用表示。對(duì)于穩(wěn)態(tài)燃燒質(zhì)量通量，一般的預(yù)測公式如下：〔3.1〕式中為汽化熱，是火焰向燃料傳遞的凈熱通量，用于釋放揮發(fā)份，單位為每平方米千瓦。汽化熱表示單位質(zhì)量燃料汽化所需的能量，單位為千焦每千克。對(duì)液體燃料，那么稱為蒸發(fā)熱即液體到達(dá)沸點(diǎn)后蒸發(fā)所需的能量。對(duì)固體而言，汽化熱并非常數(shù)，但對(duì)液體燃料，那么是液體燃料的根本參數(shù)。由于定量測定燃料得到的凈熱通量很難測定，所以實(shí)際很少采用方程〔3.1〕，一般需要利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來估算燃燒速率。房間的影響如果可燃物在室內(nèi)燃燒，有兩個(gè)因素會(huì)影響能量釋放速率和燃燒速率。第一：熾熱煙氣會(huì)聚集到頂棚附近，并加熱頂棚和墻面。這些外表和熱煙氣對(duì)燃料外表進(jìn)行熱輻射，因此增強(qiáng)了燃燒速率。第二，房間的開口〔如門窗、泄露區(qū)〕可能限制燃燒所需的氧氣輸送，這會(huì)導(dǎo)致局部燃料無法燃燒，從而使能量釋放速率降低，且室內(nèi)的未燃?xì)怏w濃度升高。圖3.2表某可燃物燃燒時(shí)的示意圖。其中一條曲線表示物體在敞開空間〔自由燃燒實(shí)驗(yàn)〕的燃燒速率，另一條曲線表示該物體在室內(nèi)燃燒時(shí)〔一面處于敞開狀態(tài)〕，房間對(duì)燃燒過程的影響，此時(shí)熾熱外表和熱氣體對(duì)燃料有傳熱作用，因此其燃燒速率增加〔與自由燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)的燃燒速率相比〕。但如果敞開的空間較小，由于供氧量受限，會(huì)造成燃燒不完全，從而降低了能量釋放速率，反過來又會(huì)使煙氣溫度更低，對(duì)燃料的傳熱量更少。燃料會(huì)持續(xù)地以稍低的速率釋放出揮發(fā)份。其中只有局部氣體發(fā)生燃燒并釋放出能量，而未燃燒的氣體那么會(huì)聚集到頂棚附近。未燃?xì)怏w在流出房間與空氣混合后，也會(huì)釋放能量，從而引起開口外部出現(xiàn)火焰。總之，室內(nèi)傳熱增強(qiáng)了燃料的質(zhì)量損失速率，而室內(nèi)空氣量的減少又會(huì)降低燃料的質(zhì)量損失速率。自由燃燒實(shí)驗(yàn)得到的能量釋放速率確定燃燒速率或能量釋放速率唯一實(shí)際可行方法是通過實(shí)驗(yàn)測定。這種測定稱為自由燃燒實(shí)驗(yàn)測定，表示房間的影響可以忽略；熾熱煙氣從燃料排放出，而對(duì)燃料的空氣供給沒有任何限制和影響。在工程實(shí)際中，可以利用這些實(shí)測數(shù)據(jù)來確定設(shè)計(jì)火災(zāi)。對(duì)于液體燃料，如果知道液池直徑，那么可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的能量釋放速率計(jì)算公式。下面簡要介紹最常用的測定技術(shù)，并討論液池火災(zāi)能量釋放速率的計(jì)算方法，同時(shí)給出實(shí)驗(yàn)確定的不同民用和工業(yè)可燃物的能量釋放曲線。3.4.1測定技術(shù)與參數(shù)測定能量釋放速率測定能量釋放速率的最常見的方法為耗氧熱量計(jì)。該測定方法的根底是，對(duì)大多數(shù)氣體、液體和固體，每消耗單位質(zhì)量的氧氣，其釋放出的能量幾乎為常數(shù)，即每消耗1kg的氧氣，其釋放的熱量約為13100kJ。對(duì)許多碳?xì)湮镔|(zhì)而言，由于可燃物質(zhì)不同，其變化在±5%以內(nèi)。圖3.3耗氧熱量計(jì)測定示意圖。耗氧熱量計(jì)測定示意圖如圖3.3所示。點(diǎn)燃后，將所有燃燒產(chǎn)物收集到煙罩內(nèi)，并通過排氣管排放。可以在排放管內(nèi)測定煙氣的質(zhì)量流率和組分，從而得到燃燒所消耗的氧氣量。利用前面給出的常數(shù)，即可計(jì)算得到能量釋放速率。燃燒速率測定能量釋放速率的另一種常見方法是通過測定燃燒速率或燃料質(zhì)量損失速率。在燃料燃燒過程中，稱重燃料的重量。估算能量釋放速率需要知道有效燃燒熱。然后，采用下述方程〔3.2〕計(jì)算能量釋放速率：〔3.2〕式中單位為kg/s或g/s，為有效燃燒熱，單位為kJ/kg或kJ/g。所得到的能量釋放速率單位那么為kJ/sec，即千瓦。需要注意的是，“燃燒速率〞實(shí)際上是質(zhì)量損失速率的不確切的叫法，因?yàn)楫?dāng)氧氣供給不充分時(shí)，并非所有蒸發(fā)后的燃料都會(huì)發(fā)生燃燒。但大多數(shù)情況下，可以將兩者等同，這里也將兩者等同。另外，還需注意的是在氧氣供給不充分的室內(nèi)火災(zāi)中，所有的燃料質(zhì)量損失都不會(huì)發(fā)生燃燒。對(duì)許多物質(zhì)，人們已在自由燃燒實(shí)驗(yàn)中測定了其平均燃燒速率，這種燃燒速率以水平方向單位燃燒面積的值來給定的，即每平方米每秒千克。如果知道燃料外表積，以及有效燃燒熱，那么方程〔3.2〕變?yōu)椋骸?.3〕式中是燃料的水平燃燒面積。注意當(dāng)以單位面積給出燃燒速率時(shí)，那么用表示。不同燃料單位面積的燃燒速率見表3.2。其他文獻(xiàn)也給出了更多物質(zhì)的類似結(jié)果。燃燒熱如果已按照上述方法測得能量釋放速率和質(zhì)量損失速率，那么可以利用方程〔3.2〕估算有效燃燒熱〔有時(shí)也稱化學(xué)燃燒熱〕。將有效燃燒熱和完全燃燒熱區(qū)分開是非常重要的。測定完全燃燒熱的裝置叫量熱彈，在測定過程中，測試樣品在較高的壓力的純氧環(huán)境中完全燃燒，燃盡后幾乎沒有余燼，并釋放出幾乎全部勢能。但這并不代表實(shí)際火災(zāi)的情形，在實(shí)際火災(zāi)過程中只有大約70～80%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為完全燃燒的揮發(fā)份，其他為碳或殘留物。另外，某些揮發(fā)份也不會(huì)發(fā)生燃燒，因此在燃燒產(chǎn)物中仍殘留有某些可燃組分，如CO、煙塵和未燃的碳?xì)湮镔|(zhì)。為更清楚地理解有效燃燒熱和完全燃燒熱，我們PMMA〔聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機(jī)玻璃，〕在氧氣量不是很充分的條件下燃燒為例來加以說明。當(dāng)PMMA完全燃燒時(shí)，其反響式為：完全燃燒熱為kJ/g。當(dāng)氧氣量較少時(shí)，會(huì)生成一些一氧化碳，局部碳會(huì)生成煙塵粒子。如果假設(shè)反響如下：那么其燃燒熱為18.2kJ/g。如果假設(shè)在某室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的反響為后者，那么可以說在這種火災(zāi)條件下，PMMA的有效燃燒熱為18.2kJ/g。這種情況下，燃燒效率＝0.73。圖3.4是上述含義的示意圖。圖3.4在兩種不同反響計(jì)量系數(shù)下PMMA的燃燒熱。對(duì)于室內(nèi)火災(zāi)，很難知道準(zhǔn)確的反響化學(xué)計(jì)量系數(shù)，因而人們通常用列表的形式給出的值。但應(yīng)注意的是有些值是依據(jù)自由燃燒實(shí)驗(yàn)給出的，因而只適用于通風(fēng)良好情況下的室內(nèi)火災(zāi)。許多不同物質(zhì)的值可以由相關(guān)文獻(xiàn)查得，如Tewarson的相關(guān)文獻(xiàn)。需要注意的是有些文獻(xiàn)的記號(hào)和概念稍有不同；有效燃燒熱有時(shí)也稱為化學(xué)燃燒熱，其符號(hào)用表示。完全反響熱有時(shí)也稱為完全燃燒凈熱，符號(hào)為，其中下標(biāo)T表示總熱量。在運(yùn)用不同文獻(xiàn)的結(jié)果時(shí)，必須對(duì)相應(yīng)的術(shù)語和符號(hào)加以注意。表3.2列出了一些常見物質(zhì)的燃燒速率、完全燃燒熱，這些數(shù)據(jù)取自Tewarson，其測試方法見原文。燃燒效率：有效燃燒熱和完全燃燒熱之比稱為燃燒效率，即：(3.4)如甲醇等醇類物質(zhì)燃燒時(shí)，肉眼幾乎觀察不到火焰的存在，這說明在燃燒過程中產(chǎn)生的煙塵很少；因此其燃燒效率接近為1.對(duì)許多氣體燃料如甲烷等也具有很高的燃燒效率。對(duì)產(chǎn)生大量煙塵的燃料，如石油，其燃燒效率大大降低，典型地約為60～70%之間。注意在上述討論中，我們已經(jīng)假設(shè)有足夠的氧氣供給燃燒；在小型房間通常氧氣供給量不能滿足要求，其燃燒效率會(huì)隨著氧濃度的降低而明顯減小?，F(xiàn)在，可以運(yùn)用表3.2中給出的燃燒速率值〔直徑較大〕和完全燃燒熱來計(jì)算不同燃料燃燒時(shí)的能量釋放速率。方程〔3.3〕變成為：(3.5)注意到測定值只對(duì)燃料直徑大于例3.2中燃料直徑的情況成立；可以設(shè)想，當(dāng)燃料直徑較小時(shí)，的值變小。下面將會(huì)對(duì)此加以介紹。池火災(zāi)在工業(yè)加工和電廠系統(tǒng)中，液體燃料的偶然泄露可能存在嚴(yán)重的火災(zāi)危險(xiǎn)。一些液體在環(huán)境溫度下就具有高揮發(fā)性；這些液體會(huì)發(fā)生蒸發(fā)并與空氣混合形成可燃混合物，并可能在封閉空間發(fā)生爆炸。其他閃點(diǎn)較高的液體那么需要受到局部加熱的情況下才可能發(fā)生點(diǎn)燃。但是一旦發(fā)生點(diǎn)燃，那么在溢出的液面上的火焰擴(kuò)展非常迅速。如果在自由燃燒條件下，其燃燒速率很快就能到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值，這與液池直徑有關(guān)。與直徑的相關(guān)性人們采用各種液體進(jìn)行了大量的池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液池直徑大于0.2m時(shí)，其燃燒速率隨直徑的正大而增大，并到達(dá)某一個(gè)恒定值，該值稱為漸進(jìn)直徑質(zhì)量損失速率，用表示，單位為kg/m2/s。表3.3中給出的燃燒速率一般適用于液池直徑較大的情況，但對(duì)于直徑較小的池火災(zāi)，其燃燒速率會(huì)降低。由圖3.5可以看成這種典型的關(guān)系，圖中給出了不同直徑汽油池火災(zāi)時(shí)的質(zhì)量損失速率。自由池火災(zāi)的質(zhì)量損失速率不僅與液池直徑有關(guān)，而且還與兩個(gè)用于表征特定燃料的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)有關(guān)，這兩個(gè)常數(shù)是火焰對(duì)燃料外表輻射熱通量的函數(shù)。其中一個(gè)常數(shù)是火焰的消光－吸收系數(shù)，符號(hào)為k，另一個(gè)常數(shù)平均光程校正因子，符號(hào)為。為計(jì)算池火災(zāi)，無需單獨(dú)確定上述兩個(gè)常數(shù)，而只需得到兩個(gè)常數(shù)的乘積即可。根據(jù)大量不同液池直徑的自由燃燒實(shí)驗(yàn)，得到下面的經(jīng)驗(yàn)公式：(3.6)式中,為自由燃燒時(shí)的質(zhì)量損失速率，與那么與液體種類有關(guān)，見表3.3。假設(shè)液池為圓形，直徑為D。矩形或類似形狀的液池可以按具有當(dāng)量直徑的圓形液池處理。一些固體熱塑材料在燃燒時(shí)，其特性類似于液池燃燒；表3.3也給出了這種例子。注意表3.2和表3.3中所給出的值存在一些差異，之所以存在這種不同，是由于實(shí)驗(yàn)條件不同所致。注意到表3.3中所給出的燃燒熱是完全燃燒熱。為計(jì)算能量釋放速率，需采用方程〔3.5〕，該方程考慮了燃燒效率因素的作用。對(duì)乙醇而言，直徑的影響可以忽略不計(jì)。乙醇火焰的煙塵量很少，幾乎很難用肉眼觀察到，因此其對(duì)外表的輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于產(chǎn)生大量煙塵的火焰。因此，當(dāng)液池直徑大于0.2m時(shí)，質(zhì)量損失速率幾乎保持為常數(shù)。同時(shí)，由于上述原因，乙醇的燃燒效率接近等于1.圖3.5不同直徑下，汽油液池的質(zhì)量損失速率對(duì)于煙塵產(chǎn)生量較大的火焰，如變壓器油，那么與液池直徑的相關(guān)性較大，而燃燒效率也比擬低〔自由燃燒實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果約為60～70%〕。3.4.3其他物質(zhì)前一節(jié)中，我們主要考慮了燃燒速率大致恒定的物質(zhì)。然而，大局部固體材料的燃燒速率都會(huì)隨時(shí)間變化。起火后，燃燒速率會(huì)逐漸增大并到達(dá)一個(gè)最大值，然后在大局部材料燃燒完畢之前降低。對(duì)大局部燃料而言，其燃燒過程總是能分成起火、開展、衰減等三個(gè)階段。本節(jié)中，我們給出不同物品在自由燃燒實(shí)驗(yàn)中得到的典型的能量釋放速率值，這些能量釋放速率可以作為實(shí)際運(yùn)用過程中的參考數(shù)據(jù)，但不能作為精確計(jì)算用，因?yàn)樵诮o定的這些物品范圍內(nèi)，能量釋放速率仍然存在很大的變化。同時(shí)，每一種情況下的起火方式也對(duì)初始火災(zāi)的形成和開展有一些影響。這里給出的大局部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自SFPE手冊(cè)。木垛：××0.14m。圖3.6中的木垛由約9層木質(zhì)板材重疊堆放形成。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)說明，隨著木垛高度增大，其峰值能量釋放速率增大，在圖3.7中可以看到這種變化趨勢。圖3.1也給出了不同高度的木垛燃燒時(shí)的例子。圖3.6木垛燃燒時(shí)能量釋放速率的典型值圖3.7木垛高度對(duì)能量釋放速率峰值的影響軟家具和床墊：可以從相關(guān)文獻(xiàn)得到軟家具火災(zāi)時(shí)的能量釋放速率數(shù)據(jù)，圖3.8表示典型的軟式雙人沙發(fā)、軟式座椅的能量釋放速率。圖3.9也給出了典型的床墊的類似結(jié)果。其他物品：圖3.10給出的是不同重量的垃圾袋的能量釋放速率。圖3.11是用電視機(jī)進(jìn)行的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而圖3.12是圣誕樹進(jìn)行的三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。小結(jié):這里向讀者推薦兩本出版物，其中收集了大量的能量釋放速率數(shù)據(jù)，即：《SFPE防火工程手冊(cè)》(Babrauskas1)以及《初期火災(zāi)》(S?rdqvist2)。另外，各種公開發(fā)表的文獻(xiàn)中也給出了不同燃燒物的能量釋放數(shù)據(jù)，如Tewarson的文獻(xiàn)4,5就給出了各種化學(xué)物質(zhì)和化工品的燃燒熱和燃燒產(chǎn)物組分。再次提醒注意的是，這些能量釋放速率數(shù)據(jù)僅僅可以作為工程參考指南，不能作為精確計(jì)算值。這是因?yàn)榧词故峭活愇镔|(zhì)，其能量釋放速率也存在很大的差異。而且，每一種火災(zāi)情形的點(diǎn)燃方式也會(huì)對(duì)早期火災(zāi)的形成和開展產(chǎn)生一些影響。但實(shí)驗(yàn)測試說明，同種物質(zhì)在不同的點(diǎn)燃方式下〔例如香煙與廢紙簍〕，其峰值能量釋放速率大致相等，燃燒時(shí)間也大致相等。起火時(shí)間，或者說在火災(zāi)開始迅速蔓延之前的時(shí)間變化非常大。圖3.8典型的軟式家具的能量釋放速率圖3.9典型床墊的能量釋放速率圖3.10垃圾袋的能量釋放速率圖3.11能量釋放速率－用電視機(jī)進(jìn)行的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3.12能量釋放速率－用圣誕樹進(jìn)行的三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.4.4T-平方火災(zāi)對(duì)實(shí)際火災(zāi)而言，其初始開展階段幾乎總是處于加速過程。一種描述火災(zāi)這種加速開展過程的簡單方法就是假定能量釋放速率隨時(shí)間的平方增大。在時(shí)間的平方前面再乘一個(gè)因子，就可以模擬得到不同的增長速度，而作為時(shí)間函數(shù)的能量釋放速率可以表達(dá)為：(3.7)其中，是增長因子〔單位kW/s2),t是起火后的時(shí)間，單位sec。研究發(fā)現(xiàn)，上述關(guān)系式與各種不同物品所表現(xiàn)出來的增長速率吻合良好，但僅僅是與起火后火災(zāi)開始開展的時(shí)間內(nèi)才比擬一致?；馂?zāi)開展開始的時(shí)間記為，該時(shí)間與所研究的物體和點(diǎn)燃方式有關(guān)，通常取為點(diǎn)火到開始出現(xiàn)明火的時(shí)間，出現(xiàn)明火說明釋放的能量開始增大。。同時(shí)還給出了每次實(shí)驗(yàn)中火災(zāi)開始增強(qiáng)的時(shí)間。圖3.13是這些實(shí)驗(yàn)的案例之一，說明了如何用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到增長速率因子。在美國，已大量將T－平方火災(zāi)用于火災(zāi)探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且NFPA204M還給出了選擇不同材料的增長時(shí)間值的相關(guān)指南。這些指南中包括了火災(zāi)開展“極快〞、“快〞、“中等〞、“慢〞等情形下的典型的值。在這些值，以及到達(dá)1055kW時(shí)的時(shí)間。Nelson收集整理了各種不同物體和材料的能量釋放速率，粗略地表示了增長速率和峰值能量釋放速率，具體數(shù)據(jù)見表3.6。3.5設(shè)計(jì)火災(zāi)3.5.1背景知識(shí)通常，建筑消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求滿足兩個(gè)目標(biāo)，即人員的生命平安和建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)采用的設(shè)計(jì)程序也不相同。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其目的是保護(hù)財(cái)產(chǎn)，確保消防員能夠平安地進(jìn)入到建筑物內(nèi)部〔建筑物不會(huì)發(fā)生垮塌〕。這里，延續(xù)的時(shí)間相當(dāng)長，通常為0.5～3小時(shí)，假定火災(zāi)已發(fā)生轟然，設(shè)計(jì)火災(zāi)通常用溫度－時(shí)間曲線來表征。這里我們不討論這種設(shè)計(jì)案例。但在第六章中，將會(huì)強(qiáng)調(diào)室內(nèi)火災(zāi)轟然后的溫度問題。如果設(shè)計(jì)目的是為了使建筑物內(nèi)的人員可以疏散逃生，那么對(duì)應(yīng)的時(shí)間相對(duì)較短，通常不超過30分鐘，這種情況下，用能量釋放速率－時(shí)間曲線來表征，此種情況是本書的關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)一個(gè)梁時(shí)，必須選擇合理的設(shè)計(jì)載荷。梁的設(shè)計(jì)載荷不可能就建筑物在其生命期內(nèi)的各種可能的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。類似地，在進(jìn)行火災(zāi)平安設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先必須確定火災(zāi)中可能燃燒的物質(zhì)的量，以及這些材料燃燒的快慢，從而得到明確的設(shè)計(jì)火災(zāi)。設(shè)計(jì)工作的目的主要是幫助工程技術(shù)人員對(duì)可能的后果有一定的了解，并建立起該建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。然后，設(shè)計(jì)人員可以比擬各種不同平安措施的有效性，例如，可以通過屋頂排放煙氣，也可以安設(shè)早期報(bào)警裝置以使室內(nèi)人員有逃生的方法，設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)這兩種措施進(jìn)行比擬。在定義設(shè)計(jì)火災(zāi)時(shí)，目前尚無確切的方法或程序。設(shè)計(jì)人員必須獲得建筑物內(nèi)部的配置情況、建筑類型等全部可能的信息，并運(yùn)用工程判斷，從而定義出設(shè)計(jì)火災(zāi)。然后，設(shè)計(jì)人員通過改變?cè)O(shè)計(jì)火災(zāi)，從而進(jìn)行敏感性分析，以檢查設(shè)計(jì)方案的可靠性。圖3.15給出的例子是構(gòu)建設(shè)計(jì)火災(zāi)曲線的最簡單的方式。該曲線劃分為火災(zāi)形成和開展階段、穩(wěn)定階段和衰減階段。下面，我們考察設(shè)計(jì)人員粗略估算上述階段的持續(xù)時(shí)間的方法。3.5.2形成和開展階段在實(shí)際火災(zāi)中，初始火災(zāi)的形成幾乎總是處于加速狀態(tài)。在數(shù)學(xué)上描述該過程的合理方法是利用3.4節(jié)中的t平方火災(zāi)。開展速率的選擇〔即因子的選擇〕，與建筑物內(nèi)部的配置情況和建筑類型有關(guān)。如果獲得建筑物內(nèi)部的配置情況比擬清楚、詳細(xì)，那么可以假設(shè)合理的起火方式，并利用這些材料的時(shí)間數(shù)據(jù)〔如表3.4所給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)〕來確定增長速率因子。在很多情況下，人們很難詳細(xì)知道建筑物內(nèi)部的配置情況，那么設(shè)計(jì)人員必須利用建筑類型和建筑物用途等信息。目前，有大量的國際合作研究課題都對(duì)不同建筑類型下的火災(zāi)增長因子給出了相應(yīng)的建議取值。作為例子，表3.7中給出了瑞典提出的增長速率〔尚未被相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)可〕。注意到這些值只是建議取值；設(shè)計(jì)人員必須對(duì)此進(jìn)行工程判斷并進(jìn)行敏感性分析，以核查該設(shè)計(jì)方案的可靠性。應(yīng)指出的是，這里并沒有考慮在火災(zāi)到達(dá)形成和開展階段之前的初始點(diǎn)火時(shí)間，即是在給定點(diǎn)火方式下這段時(shí)間的實(shí)際測定值。3.5.3穩(wěn)定階段火災(zāi)通過開展階段可能到達(dá)燃料的最大燃燒速率〔此時(shí)的火災(zāi)稱為燃料床控制〕或者由于沒有充足的氧氣進(jìn)行持續(xù)燃燒〔此時(shí)稱為通風(fēng)控制〕。對(duì)后者，可能發(fā)生回燃，即過量的燃料在鄰近的房間發(fā)生燃燒或通過開口擴(kuò)散到室外。對(duì)于上述兩種情況，為了確定穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的量值和持續(xù)時(shí)間，需對(duì)燃料本身做出一定的假設(shè)。如果詳細(xì)知道建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與配置情況，那么可以直接運(yùn)用3.4節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；否那么，就必需對(duì)所研究的火災(zāi)情形進(jìn)行相應(yīng)假設(shè)，從而得到與的值。對(duì)于不與其他房間相連或僅有開口與室外空氣相通這種最簡單的情況，可以通過考慮可供燃燒的空氣量來確定。過量的燃料會(huì)在室外空氣中燃燒，不會(huì)對(duì)火災(zāi)房間的條件產(chǎn)生影響。第五章討論進(jìn)入房間的空氣量的計(jì)算方法。但是在大多數(shù)情況下，火災(zāi)房間都與相鄰的房間聯(lián)通，因而過量的燃料可能在這些鄰近房間發(fā)生燃燒，從而影響建筑物內(nèi)的環(huán)境條件。這樣，就需要根據(jù)燃料類型〔而非僅僅根據(jù)供氧量〕來確定設(shè)計(jì)火災(zāi)的穩(wěn)定期。3.5.4衰減熄滅階段在大多數(shù)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，如果設(shè)計(jì)目的是確保建筑物內(nèi)人員的平安和逃生，最為關(guān)心的是火災(zāi)的前10～30分鐘期間，因?yàn)閺陌l(fā)生火災(zāi)到開始進(jìn)行消防撲救往往需要10～30分鐘的時(shí)間。因此，通常假設(shè)火災(zāi)一直持續(xù)這種穩(wěn)定階段，而沒有衰減熄滅。但如果已經(jīng)知道建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)和配置情況，且可供燃燒的燃料量有限，那么需對(duì)火災(zāi)的衰減階段做出一定的假設(shè)。設(shè)計(jì)人員必需通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)〔如3.4節(jié)中的討論〕來計(jì)算和評(píng)價(jià)能量釋放速率降低的速度。3.5.5更復(fù)雜的設(shè)計(jì)火災(zāi)如果更詳細(xì)地了解火災(zāi)房間的材料情況，那么可以得到更接近實(shí)際情況的火災(zāi)曲線。這要求知道各種燃料塊的材料參數(shù)及其在室內(nèi)的相對(duì)位置關(guān)系，以及點(diǎn)火的方式等。圖3.16給出了這種設(shè)計(jì)火災(zāi)的例如圖，即其中一個(gè)燃料塊發(fā)生點(diǎn)燃后，發(fā)生燃燒，并引起其他燃料塊發(fā)生點(diǎn)燃?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來計(jì)算第一個(gè)燃料塊的能量釋放速率，一旦得到該燃料快的能量釋放速率值，就可以利用第四章中介紹的方法計(jì)算其火焰高度。利用第八章介紹的方法就可以計(jì)算該火焰對(duì)第二個(gè)燃料快的傳熱情況，利用傳熱學(xué)理論可以計(jì)算其點(diǎn)燃所需的時(shí)間。因此，如果第一個(gè)燃料快在時(shí)刻發(fā)生點(diǎn)燃，并在時(shí)刻到達(dá)穩(wěn)定。第二個(gè)燃料塊在時(shí)刻發(fā)生點(diǎn)燃，在在時(shí)刻到達(dá)穩(wěn)定。在時(shí)刻，第一個(gè)燃料快進(jìn)入衰竭階段，在時(shí)刻只有第二個(gè)燃料快在燃燒。需要注意的是，這種方法的計(jì)算非常粗略，因此需要詳細(xì)知道燃料快的相關(guān)信息以及房間的幾何信息。3.5.6本書所用的能量釋放速率在3.5節(jié)中，我們概要介紹了設(shè)計(jì)人員得到設(shè)計(jì)火災(zāi)的幾種最簡單的處理方法。設(shè)計(jì)火災(zāi)通常作為計(jì)算機(jī)火災(zāi)模擬的輸入?yún)?shù)，以預(yù)測建筑物內(nèi)的某些環(huán)境條件的變化，例如溫度和煙氣層的高度等。然后利用這些火災(zāi)參數(shù)評(píng)價(jià)人員逃生的可能性。如果不能平安逃生，那么應(yīng)采取相應(yīng)的防火措施，例如安裝火災(zāi)早期報(bào)警裝置或進(jìn)行煙氣排放等，這種火災(zāi)參數(shù)的計(jì)算機(jī)模擬過程可以在輸入新參數(shù)的情況下重復(fù)進(jìn)行，從而考察室內(nèi)人員可能面臨的危險(xiǎn)。圖3.16較復(fù)雜的設(shè)計(jì)火災(zāi)但是在本書中，我們將研究室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境參數(shù)計(jì)算和評(píng)價(jià)的相對(duì)較簡單的方法。給出火災(zāi)主要物理控制過程的根本原理，并由此給出可用于手工計(jì)算的形式簡單的分析表達(dá)式。其目的是增強(qiáng)讀者對(duì)這些過程的理解而不是給出整個(gè)火災(zāi)設(shè)計(jì)方法。為得到相關(guān)物理過程的分析解，需要進(jìn)行某些簡化假設(shè)。在很多情況下，這些假設(shè)要求能量釋放速率取常數(shù)值，在另外的情況下，也可以假設(shè)能量釋放速率為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)〔即階梯型穩(wěn)定〕。因此，值。4火災(zāi)羽流和羽流高度當(dāng)熱煙氣被冷氣體包圍時(shí)，熱煙氣的密度小于冷氣體的密度，因此在密度差或者浮力的作用下熱煙氣會(huì)向上升，此即發(fā)生在燃料上方的浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，這種流動(dòng)包括了火焰，稱為火災(zāi)羽流。隨著熱煙氣的上升，冷空氣會(huì)被卷吸進(jìn)入羽流，從而形成一層熱煙氣層?；馂?zāi)平安工程中的許多運(yùn)用都關(guān)系到這種熱煙氣層的性質(zhì)及其沉降速率的估算問題，該問題與羽流將質(zhì)量和能量輸送到上部熱煙氣層的實(shí)際過程有關(guān)。本章講解火災(zāi)羽流最根本的性質(zhì)，并對(duì)其相關(guān)性質(zhì)給出分析表達(dá)式。進(jìn)一步，對(duì)物體燃燒形成的火焰，其尺寸和幾何形狀也是火災(zāi)平安工程中所關(guān)心的問題。估算出火焰高度可以計(jì)算火焰對(duì)遠(yuǎn)處物體的傳熱量、二次燃料和火災(zāi)探測以及火災(zāi)抑制設(shè)施等相關(guān)問題。本章對(duì)火焰高度進(jìn)行了一般性的討論，并給出了某些火災(zāi)條件下火焰高度的計(jì)算公式。4.1術(shù)語軸對(duì)稱羽流—由燃料上方的擴(kuò)散火焰引起的浮力驅(qū)動(dòng)的軸對(duì)稱羽流是火災(zāi)平安工程中最常用的羽流形式。假設(shè)沿羽流的垂直中線存在一個(gè)對(duì)稱軸，由水平方向卷吸進(jìn)入空氣。其他還包括在狹長燃燒器上方形成的線狀羽流，空氣從羽流兩側(cè)進(jìn)入。羽流—當(dāng)大量熾熱煙氣被冷氣體包圍時(shí)，熱煙氣由于密度差或浮力驅(qū)動(dòng)向上流動(dòng)，此即發(fā)生在燃料上方的浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，這種流動(dòng)包括了火焰，稱為火災(zāi)羽流。羽流質(zhì)量流率—在燃料上方某一高度，在羽流邊界范圍內(nèi)向上流動(dòng)的總的質(zhì)量流量。羽流質(zhì)量流率的單位為kg/s，用表示。羽流半徑—在燃料上方某一高度處，軸對(duì)稱羽流的半徑。羽流半徑單位為m，符號(hào)為b。羽流溫度—在燃料上方某一高度處羽流邊界內(nèi)熾熱煙氣的溫度。在任一給定的高度，羽流內(nèi)的最高溫度位于中心線位置〔對(duì)軸對(duì)稱羽流而言〕，向羽流邊沿方向逐漸降低。中心線處的溫度隨高度而變化，單位°C或K，符號(hào)，其中下標(biāo)“0〞表示中心線。羽流速度—在燃料上方某一高度處羽流邊界內(nèi)的氣體向上運(yùn)動(dòng)的速度。對(duì)軸對(duì)稱羽流，在給定高度處的最大速度在羽流中心線處，單位為m/s，符號(hào)為，其中下標(biāo)“0〞表示中心線。引言在本節(jié)中討論最常見的建筑物內(nèi)火災(zāi)過程中的火災(zāi)羽流與火焰的一般特征。并給出下節(jié)所需的相關(guān)概念的定義。本節(jié)討論分為兩個(gè)局部，其一是針對(duì)火焰，其一針對(duì)火災(zāi)羽流?；鹧嫣匦栽诖蠖鄶?shù)火災(zāi)工程平安運(yùn)用中，我們關(guān)注所謂的浮力湍流擴(kuò)散火焰。這里，我們討論表征這種火焰的一些根本過程，并給出一些火焰高度的測定結(jié)果，同時(shí)還給了可以用于估算火焰高度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。擴(kuò)散：擴(kuò)散火焰是指在燃燒之前燃料和氧化劑是別離的，通過擴(kuò)散過程進(jìn)行混合。燃燒與火焰區(qū)位于適于燃燒的區(qū)域。盡管燃料與氧化劑可通過湍流擴(kuò)散得以混合，但其根本的擴(kuò)散機(jī)制仍是分子擴(kuò)散。也即分子從高濃度區(qū)輸運(yùn)到低濃度區(qū)。與此相對(duì)的是預(yù)混火焰，如焊接火焰，其在燃燒之前，燃料和氧化劑已經(jīng)進(jìn)行了混合?；馂?zāi)事故中的火焰幾乎總是擴(kuò)散火焰。浮力：當(dāng)熾熱煙氣被冷氣體包圍時(shí)，熾熱煙氣的密度較低，受密度差或浮力的作用上升。如果燃料射流的速度不是很高的情況下，火焰區(qū)域向上流動(dòng)的速度受浮力的控制。與浮力控制的火焰相對(duì)的是高壓氣體燃料源上方形成的流動(dòng)〔如高壓管道的破裂〕，這種情況下的流動(dòng)不是浮力控制，而是由動(dòng)量控制的流動(dòng)，這種火焰稱為射流火焰。湍流：尺度很小的擴(kuò)散火焰可以是層流的，如蠟燭火焰。尺度較大的擴(kuò)散火焰是湍流火焰，在火焰邊沿處附著有周期性脈動(dòng)的大渦〔見圖4.1〕。在湍流羽流中可以肉眼觀察到這些渦團(tuán)〔在動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的羽流中能更清晰地觀察到此類渦團(tuán)〕，這些渦團(tuán)在羽流外側(cè)向上翻滾，這是由于熾熱火焰與冷空氣之間存在著流動(dòng)不穩(wěn)定性所致。這些隨機(jī)脈動(dòng)過程是湍流的根本特征，會(huì)導(dǎo)致火焰高度和形狀發(fā)生周期性的脈動(dòng)。通常，這種脈動(dòng)具有一定的周期性，其頻率在1～3Hz左右；一般地，渦團(tuán)在羽流邊沿的附著狀態(tài)與火焰直徑有關(guān)。圖4.2是這種現(xiàn)象的示意圖，圖中的Lf是觀察到的火焰高度〔是時(shí)間的函數(shù)〕。在本書的處理中，我們僅考慮平均值，即平均火焰高度，符號(hào)為L，單位m。平均火焰高度的定義為建立可以計(jì)算火焰高度的工程計(jì)算式，首先必須定義平均火焰高度。最簡便的處理方法就是將一段時(shí)間內(nèi)觀察到的火焰高度進(jìn)行平均。火焰下部的發(fā)光區(qū)域一般較為穩(wěn)定，而火焰上部區(qū)域那么發(fā)生脈動(dòng)，或者說該局部處于間隙性變化過程中。因此，可采用圖4.3中的圖形來定義平均火焰高度。圖中的縱坐標(biāo)表示火焰高度出現(xiàn)的間隙度，用I表示，假設(shè)I取值1，那么表示在該高度位置每次都出現(xiàn)火焰。橫軸表示距離燃燒著的燃料的距離z。將間隙度等于0.5時(shí)火焰的高度定義為平均火焰高度L，即火焰出現(xiàn)在該高度占觀察次數(shù)的一半。實(shí)驗(yàn)測定火焰高度通常需要用到高速錄像等設(shè)備。實(shí)驗(yàn)測得的火焰高度與肉眼觀察到的平均高度相當(dāng)吻合。火焰高度經(jīng)驗(yàn)公式由于火焰具有湍流特性，不能由根本原理推出火焰高度的工程計(jì)算公式。為此，需要研究影響火焰高度的主要參數(shù)，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來表達(dá)這些參數(shù)對(duì)火焰高度的影響，從而得到火焰高度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。在水力學(xué)中，在描述液體流動(dòng)時(shí)所常用的無量綱Froude數(shù)Fr也近似適用于火焰中的高溫氣體流動(dòng)。式中是流動(dòng)速度，是重力加速度，是流體所流經(jīng)通道的直徑。上式中的分子與動(dòng)量成正比，而分母與重力加速度或浮力成正比。注意到〔其中是燃燒速率，是燃燒熱〕，那么Froude數(shù)可以用能量釋放速率來表達(dá)。進(jìn)一步，燃燒速率可以表示為，其中是氣體速度，是氣體密度，A是燃料源的面積，其與成正比。因此，F(xiàn)roude數(shù)、能量釋放速率和燃料直徑之間的關(guān)系可以具有如下形式：研究發(fā)現(xiàn)，湍流擴(kuò)散火焰的幾何特性與Froude數(shù)的平方根成正比。采用燃料直徑將火焰高度進(jìn)行歸一化處理，可以用得到的無量綱火焰高度〔〕來表征火焰的幾何特征，因此可以寫出下式：人們已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，試圖將火焰高度與能量釋放速率以及燃料直徑聯(lián)系起來。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，如果用無量綱能量釋放速率來表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常方便，無量綱能量釋放速率的符號(hào)為，其表達(dá)式為：〔4.1〕式中中和是針對(duì)周圍空氣的性質(zhì)。該無量綱能量釋放速率參數(shù)，可以用Fr數(shù)的平方根來表示，是控制火災(zāi)羽流幾何性質(zhì)的非常重要的參數(shù)，對(duì)此，后面還將深入討論此問題。從上述方程，我們看到可以將火焰高度表示為燃料直徑和較寬Fr數(shù)范圍內(nèi)的能量釋放速率的函數(shù)。實(shí)際上，圖4.4給出了大量實(shí)驗(yàn)的典型結(jié)果，即火焰高度隨無量綱能量釋放速率的變化情況，圖中的平均火焰高度已用燃料源直徑進(jìn)行了歸一化處理〔即L/D〕。圖中每一條曲線代表了不同研究者獨(dú)立得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4.4歸一化的火焰高度與無量綱能量釋放速率之間的關(guān)系圖的左側(cè)表示燃料源直徑與火焰高度直徑在相同量級(jí)時(shí)的火災(zāi)情形，其Fr數(shù)較小，說明這種火災(zāi)是浮力控制的火災(zāi)流動(dòng)。當(dāng)Fr數(shù)為中等時(shí)，浮力也起主要控制作用。右上角表示Fr數(shù)較大時(shí)的情形，即動(dòng)量較高的射流火焰區(qū)。在大多數(shù)火災(zāi)情形下，小于10，大多數(shù)大型火災(zāi)的那么小于2。因此，我們主要對(duì)圖4.4的左側(cè)感興趣。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)歸一化的平均火焰高度〔L/D〕在較寬的值范圍內(nèi)，與有很好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系〔大致在，見圖4.4中的直線〕。目前大量的文獻(xiàn)中都給出了不同的火焰高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，這些公式代表了圖4.4中的不同區(qū)域。這些公式中最有用的是Heskestad給出的公式，該公式對(duì)圖4.4中除射流火焰區(qū)以外的其他區(qū)域都給出了較好的結(jié)果。該公式用火焰高度與燃料源直徑之比〔L/D〕來表達(dá)火焰高度，即：〔4.2〕如圖4.4所示，該公式在較寬的范圍內(nèi)保存了項(xiàng)，而在較小時(shí)斜率增長較快的特征。平均火焰高度可以用比公式〔4.2〕更方便的形式給出，即以能量釋放速率和燃料源直徑的函數(shù)的形式給出如下：〔4.3〕式中的能量釋放速率單位為千瓦〔kW〕，燃料源直徑為m，因而平均火焰高度直徑為m。結(jié)語：上述結(jié)果只給出了平均火焰高度。由于湍流擴(kuò)散火焰的脈動(dòng)性，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了用于工程實(shí)際的火焰高度表達(dá)式。這些實(shí)驗(yàn)大多是利用簡單的氣體燃料進(jìn)行的，如甲烷、天然氣或丙烷等，這些燃料無法模擬我們感興趣的實(shí)際燃料的全部性質(zhì)。而且，這些實(shí)驗(yàn)沒有考慮更為復(fù)雜的幾何條件，如布置有家具時(shí)，固體燃料往往是在水平方向和垂直方向上分布式的布置的。盡管如此，方程〔4.3〕仍然給出了實(shí)際燃料火焰高度的近似計(jì)算方法，但應(yīng)注意到其缺乏點(diǎn)。本節(jié)中，我們僅討論了無約束的火焰，也即火焰沒有受到附近墻壁、頂棚或開口等的影響，也沒有討論如風(fēng)速等環(huán)境因素對(duì)火焰高度可能造成的影響。這些問題在4.5節(jié)中加以詳細(xì)討論。4.2.2湍流火災(zāi)羽流的特性根據(jù)人們對(duì)火災(zāi)情形的研究情況，可以將火災(zāi)羽流分為不同種類。本節(jié)中，我們主要討論火災(zāi)平安工程中最常見的羽流，即所謂的浮力軸對(duì)稱羽流，這種羽流是有