（工程热物理专业论文）大空间内仓室火灾增长特性及烟气蔓延规律研究.pdf

摘要 摘要 在今天，对于大窄问建筑火灾的研究是火灾安全科学领域的一个重要的课 题。究其大空间建筑火灾的形式，基本可分为两类：自由火灾和仓室火灾。而其 中仓室火灾则为犬空间建筑火灾中极易发生且危害很大的一种火灾形式。在大空 间内部往往具有很多的仓室，这些场所无论在可燃物茼载密度、发生火灾的概率、 火灾蔓延速度和破坏性都很大，起火因素也很复杂。一旦发生火灾，火势很难控 制，燃烧和烟气扩散进入大空间内部，极易造成大范围的蔓延。因此研究大空间 内仓室火灾增长特性与烟气蔓延规律，找出有效的防治和控制方法，是大空问火 灾综合防治研究的个重要任务。 针对大空间内仓室火灾研究重点关心的问题，本文工作主要围绕五个方面系 统地展开：仓室溢流的流动特性及动力学描述模型；仓室火灾烟气向大空间内的 蔓延规律；仓室火灾的烟气管理方法：高荷载仓室火灾的增长特性，及有毒气体 的产生规律；仓室内有效的消防控制措施。 本文首先珲论分析了仓室溢流的分段流动和卷吸特点，针对现有的溢流描述 方法存在不完善之处，全面分析并发展了多方程双段溢流m e d p 模型，给出了 二维线形羽流和轴对称羽流区域的虚源位置、双段过渡的临界转换高度的求解公 式，得到了仓室自由发展溢流在近域和远域的质量卷吸速率、特征半径、中心线 温度等溢流特征量的基奉数学描述方程。通过全尺寸实验和数值模拟，验证了自 发展溢流模璎的准确性和合理性。 火空蚓内的烟气层形成时间较长，而壬见有的烟气形成时1 1 日j 模犁无法计算任意 增长功率曲线的大空间火灾的烟气传输延迟时间。本文结合前人的实验数掘，发 展了适用于任意火灾热释放速率曲线的统一烟气层形成时间模型，并提出用时间 递增迭代的方法对烟气传输时i 训进行计算。陔部分工作解决了现有的玖类t l t 模型难以被区域模拟程序所采用的问题。 通过嵌入自发展的仓室溢流模型和炯气层形成时问模型，进步发展了大空 间仓室烟气蔓延区域程序。该程序对烟气层的边界热损失过程计算、仓室内羽 流模型、溢流质量流量预测、大空矧内烟气传输延迟都做了综合的考虑，弥补了 同前多室区域模拟程序汁算大窄问仓室火灾过程只有的缺陷。通过与实验和场模 拟结果的比较表明，自发展区域模型预测结果令人满意，对仓室内火灾环境特别 是大空间内的烟气沉降过程的预测结果都比c f a s t 好，充分验证了白发展区域 模型的精确性和可靠忡。 本文分别对仓室分布烟控和大空问集中烟控两种仓室火灾的媸1 控方法展 研究。在仓享分靠烟控方面，通过嵌入四种羽流公式，利用自发展的区域模型埘 博l 学位论文：人窀问内仓室火灾增k 特性及烟气蔓延规律研究 仓室分布排烟实验进行计算，通过比较得到了四种羽流模型对烟气产生量预测的 适用范围，为工程计算中合理选择羽流公式提供了参考。并针对仓室内机械排烟 情况下导致的烟层界面抖动和羽流倾斜会增加烟气的产生量，本文提出以系数修 正羽流卷吸量的方法，并实验给出了系数的取值范围。在大空问集中烟控方面， 通过全尺寸实验和自发展区域程序模拟探讨了大空问集中机械排烟对仓室火灾 烟气的控制效果，表明采用固定换气率设计存在着不妥之处，建议以性能化的思 想，综合考虑火灾形式和火灾功率设计大空间排烟量。分析提出了对危险性较大 的仓室采用辅助的分布式仓室排烟，可以有效减少大空间换气率的设计需求值。 此结论对于大空间建筑性能化工程设计具有重要实用意义。 大空间内小室安全设计是个新的概念，本文较为全面地通过全尺寸实验的 方法对小室安全设计方面的问题进行了研究分析，并获得了大量有效的实验数 据。实验研究了b a r ec a b i n s 中的火灾增长特性和有毒气体产生规律。通过理论 分析指出，当小室火灾增长至通风起作用时，燃烧速率不仅仅是通风因子的函数， 而且与火源燃烧直径与开口宽度的比值、燃烧化学当量比儿及空气的实际与理 论供给比痧有关；实验说明小室火灾的增长过程与通风因子、烟气层的热反馈和 火源尺寸问存在着耦合关系：当燃烧达到通风控制的临界状态时，实际与理论空 气需求比矿要大于1 ，指出确定是否发生通风控制时，应该考虑到y 共同的影响。 同时本文通过全尺寸实验研究了f u l lc a b i i l s 中的消防控制有效性的问题，说明 按照规范设计小室排烟量和喷水条件仍有不妥之处，并进一步通过增加机械排烟 量和改变喷头类型与工作压力而开展了实验，获得了更好的灭火和控烟效果。 关键词：大空间、仓室火灾、溢流、烟气传输延迟时间、机械排烟、羽流、小室 安全设计。 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，l a r g es p a c eb l l i l d i n gf i r ep r o t e c t i o nh a sb e e naf o c u s e di s s u ei n f i r e s a f 毫t ys c i e n c er e s e a r c ha r e a f i r eo r i g i n a t e d 在d ma ne n c l o s u r ei nl a r g es p a c e si sa m o r e1 i k e l yi l l i s h a pa 1 1 dm a yb ev e r yd a n g e m l l s ，m a l l yc o m p a m l l e n t sc a nb ef o u n d c o n s m j c t e di no ra d j a c e n tt om el a r g es p a c e st o d a y ，w i t h1 1 i g hf i r el o a dd e n s i t y ，h i g h l i r ep r o b a b i l i 饥g r e a tf i r es p r e a ds p e e da i l dh i 曲h a z a r d s s u c hf i r e sw i l lg e n e m t e l a r g em o u n to fs m o k ed i s p e r s i n gi n t ot h el a r g es p a c e sa 1 1 ds p r e a d i n gt oo t l l e rz o n e s r a p j d j yd u et o h eo p e nd e s i g nf e a t u r e h e n c e ，t l l eu i l d e r s t a n d i n go fg r o 州ba i l d s p r e a di n d u c e db ye n c l o s u r ef i r e si nl a r g es p a c e ss h o u l d b ep e r f o 玎n e d ，e v e n t u a l l yt o f i n do u ta ne 腑c t i v ee n g i n e e r i n gf i r ep m t e c t i o nm e t h o d s ，w h i c hi sa ni m p o n a n ti s s u e f o r l a r g es p a c eb u i l d i n g 矗r ep r o t e c t i o n t bm e e th i g hd e m a n do fs t u d y i n gs u c hf i r e s ，t l l et l l e s i sm a i n l yp r o c e e d si n 也e f o l l o w i n ga s p e c t s ：s p i l lp l u m ec h a r a c t e r i z i n ga n dm o d e l i n g ，s m o k em o v e m e n t m o d e l i n g ，s m o k em a n a g e m e n t ，f i r eg r o w mw i t hh i 曲l o a dd e n s i 吼p o i s o n o u sg a s c s p r o d u c t i o n ，a 1 1 de 仟e c t i v ee n c l o s u r e 矗r es u p p r e s sm e t l i o d s f i r s t l y t h et h e s i sf o c u s e so nt 1 1 en o wp a t t e ma l l de n t m i n m e n tp r o c e s so fs p m p l u m e a i m i n ga t 如ed e f e c t so ft 1 1 ep r 船e n t 山r e t i c a lm o d d sa n dm e l h o d s 撕s i n g f o rs p i l lp l 啪e ，am u h i e q u a t i o na i l dd o u b l e - p a r t ( m e d p ) s p mp l u m em o d e li s p m p o s e da n e ram o m u g h l ym e o r e t i c a le v o l v e m e n t ，w i t l lc a l c u l a t i o nf o 肌u l a so f v i n u a lo r i g i n sf o rt h el i n ep l u i i l ep a r ti nn e a rr e g i o na i l da x i s y m m e t r i cp l u m ep a nm f 缸r e g i o n ，a n dt l l ec r m c a lt r m s j t i o nh e i g h t ，p r e s e n t sk e ye q u a t i o n sf o re n t r a i m e n t r a t e ，h a l f 、v i d t h ，c e n t e r l i n et e m p e r a t u r eo ft h en e a rf i e l da n d 缸f i e l do ft h es p m p l 呲e b yc o m p a r i s o n 、 ，i t l lr e s u l t so ft | l e 血1 ls c a l ee x p e r i m e n t sa n dc f dm o d e l i n t h er e a s o n a b l e n e s sa n da c c u r a c yo f t h ep r o p o s e ds p i l lm o d e la r ev a l i d a t e d t h e 订a i l s p o r tl a g 如eo fs m o k ei nl a r g eh i 曲b u i l d i n g si su s u 址l yv e r yl o n g ， i l l l f o n i m a | e l y 廿1 e r ej s 蛳】l1 1 0t l l lm o d e ja tp r e s e n tt oc a l c u l a t e 昀n s p o nl a gt i m e f o ra nt h eh e a tr e l e a s er a t ec u r v e s t h u s ，a r e rat h e o 嘣i c a la n a l y s i sa i l dr e v i e wo f e x p e r i m e n td a t ar e p o r t e db yh e s k e s t a d ，w ep r o p o s e dau n i f i e dt i j rm o d e ls u i t a b i e f o rar a n d o mh r rc u r v e ，a i l da l s op 陀s e n tt h ep r a c t i c a lc a l c u l a t i o ns t e p so f 也e m o d e l ，t h e s ee 丘b n sf i g u r eo u tt h em a t t e rt h a tt h ee x i s t i n gm o d e l sc a l l ts t i l lb e a d o p t e db yz o n em o d e j s f u r t l l e 咖o r e ，b yi n v o l v i n gt h ep r o p o s e ds p i l lp l u m em o d e l a 1 1 du n i f i e dt i jm o d e l ，az o n em o d e l i sd e v e l o p e df o rs i m u la t i o no fe n c l o s u r ef i r e s i nl a r g es p a c eb 试l d i n g s ，i n 、h i c h 山et r a n s i e n th e a tl o s sp r o c e s st ob o u n d a r y ，p l u m e m o d e lc h o i c ei ne n c l o s u r e ，s p i l lp l u m ei nl a r g es p a c e ，t r a i l s p o r t1 a gt i m eo fs m o k e a r ea 】jc o n s j d e r e dt h i sp r o p o s e dz o n em o d e lf e l c h e su pl h ed e f e d sb e n e fj n s i m u l a t i o n sc o m p a r e dt oc u r r e n tm u l t i c o m p a n i i l e mz o n em o d e l s b yv a l i d a t i o nw i t h t h ee x p e r 妇n e n ta n dc f d m o d e l i n g ，t h ep r o p o s e dz o n em o d e li sd e m o n s t r a t e dt ob e s u i t a b l ee n o u 曲f o rc a l c u l a t i o no fe n c l o s u r ef i r e i nl a r g es p a c e s ，a n dt h ea c c u m c y a n dr e l i a b m t ya r eb o t hv e f i 6 e d a l s o ，f o c u s i n go nt w ok i n d so fm e t h o d sr e s p e c t i v e l y ：d i s t r i b u t e ds m o k ec o n t r 0 1 x v l 博t 学位论文：太空间内仓室火灾增长特性及烟气蔓延规律研究 i ne n c l o s u r e 柚dc e n t r a l i z e ds m o k ec o n n o li n l a r g es p a c e ，t 1 1 et h e s i sh a s s y s t e m a t i c a l l yj n v e s t i g a t e ds m o k em a n a g e m e mf o re n c l o s u r ef i i e s ，1 os t u d yt l l e s m o k ec o n 的1i ne n c l o s u r e ，as i m p l 墒e dr n e c h a i l i c a le x h a u s tz o n em o d e l i sp r o p o s e d ， 诵t 1 1f b l l rc l a s s i c a lp i u m em o d e li n c l u d e d c a 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y a n dr o u n d l ys t u d yc d b i nf i r es a f e t y ，a n da l s op f o d u c e da 1 儿m d a mu s e 矗ne x p e r i m c n t a l d a t a f i r s t l y t h ef i r eg r o w t l lb e h a v i o u fa n dp o i s o n o l l sg a s e sp r o d u c t i o n 挪e i n v e s t i 卫a t e de x p 甜m e n t a u yi nb a r ec a b i n s b a s e do nt l l ed a t a 趾da f k rat l l o r o u g h t l l e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ti ss h o w nt h a tu n d e rv e 觚l a t i o n c o n t m lc o n d i t i o n ，t l l eb 哪i n g r a t ei sn o to i l l ya 胁c t i o no fv e n t i l a 吐o np a m m e t e r b u ta l s or e i a t e dt oo m c rf a c t o r s ， s u c ha sr a t i oo f 如e ld i a m g c e rt ov e n tw i d t h ，s t o i c h i o 】n 喊cr a i o ，a n dt l l er a ：t i oo f u n b u m e dt oa i rb 啪e d a n da l s o ，t h ee x p e r i m e m ss h o wt 1 1 a tf i l - cg r o w mp r o c e s s i nb a r ec a b i n sh a sac o u p l e dr e l a t i o nw i t hv e n t i l a t i o np a m m e t e r ，h e a tf e e d b a c ko f s m o k ej a v 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u p p r e s sf k i l i t i e s ，b e t t e r 矗r es u p 争l 部se 仃i c i e n c yi so b t a i n e db y s e v e m le l s ee x d e r i m e n t s k e ) 7 w o r d ：l a r g es p a c e ，e n c l o s u r ef i r e ，s p i l lp l 啪e ，t 艘l s p o n 】a gt i m e ，m e c h a n i c a l e x h a u s t ，p l u m e ，c a b i n s6 r es a f e t yc o n c 印t 致谢 v 致谢 在本论文完成之际，首先要感谢我的导师范维澄院士和霍然教授。范老师是 火灾及安全领域的学术带头人，对本领域的深刻理解和把握、严谨求是的治学态 度、开拓创新的精神令学生钦佩不已。范老师不仅在学术研究上为人师表，而且 在生活上关心爱护学生，在此表示衷心的感谢并致以崇高的敬意。霍然教授对建 筑火灾领域有着很深的造诣，几年来一直对我的论文进行着精心的指导，不断给 我鼓励和支持。他对科学的认真态度、对问题的周密考虑、忘我的工作态度和敬 业精神，是我学习的目标，将使我终生受益。 衷心感谢香港理工大学的周允基教授在本文的研究过程中给予的指导。周教 授经常从香港赶来和本人一起开展实验，并给予了很多的建设性意见。周教授渊 博的知识让我敬佩，本人在香港学习期间和他的深入交流解决了本文工作的很多 难点。 同样也要感谢香港城市大学的卢伟真教授，在卢教授那里学习的半年的时间 使我对数值模拟技术的掌握有了很大的进步，同时在理论模型研究方面也得到她 许多悉心的指导。 本文的完成也离不开实验室其他老师的支持和帮助。感谢李元洲和王浩波两 位老师在实验过程中提供的帮助，和这两位师兄的亲密愉悦的合作让我难忘。感 谢实验室廖光煊、王清安等多位教授的关心和鼓励。感谢万玉田老师、姚斌博士、 刘乃安博士、宋卫国博士、邓志华等老师的帮助，向他们的请教使我获益匪浅。 同时也感谢建筑火灾教研室的易亮同学和多位师弟的诸多协助和配合。没有 他们辛苦的工作，是不可能完成论文中的实验工作的。 感谢父母多年来的养育之恩和谆谆教导，是他们的无私奉献和默默支持激励 着我不断克服匿难，完成学业。他们对我的爱是我毕生的财富。 深深感谢女友张申小姐和她的家人，本文的完成得益于她们给予我的持续不 断的支持和鼓励，这些都是我不断进取的动力。 感谢所有在我学习生活中给予我关心和帮助的老师、同学和朋友! 本文得到国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目( 2 0 0 l c b 4 0 9 6 0 4 ) 、国家 十五科技攻关项目( 2 0 0 l b a 8 0 3 8 0 2 一0 6 ) 的资助，在此表示感谢。 史聪灵 2 0 0 5 年4 月于中国科大 符号表 v i i 符号表 项棚面积( m 2 )厅， 火源面积( m 2 )曩， 烟气层表面积( m 2 ) 开口面积( m 2 )女。 环境常量因子吒 溢流或羽流半宽度( m )t ， 常数七， 开口有效流动系数t ， 卷吸常数j j 。 界面质量交换修正因子 急：瓮 羽流质量卷吸系数上 速度系数一 虚点源位置常量系数k 常量l 修正系数， 水的比热( j l ( g k ) m g 水蒸汽的比热( j k g k )瘌。 空气定压比热( j l 【gk ) 廊。 火源直径( m )川， 水的蒸发潜热( j ，l ( g )”g 烟气层和可燃物表酝的角系数疏， 格拉晓夫数南。 重力加速度( m s 2 )廊州 人空间高度( m )州。 阳台高度( m )捕。 仓室高度( m )疏。 排烟口高度大小( m ) ” 机械排烟口中心距地高度( m )p 中性面高度( m )p 溢流开口处厚度( m )p 开口高度( m )r 中性面以上高度( m ) p 壁面j 的对流换热系数( w m 。k )q 总有效对流换热系数( w ，m 2 k )q 壁面i 的总换热系数( w m 2 k ) 墙壁外表面总换热系数 ( w ，m 2 k ) 导热系数( w m k ) 烟气的发射系数( m f ) 质量溢出流量修正系数 能量溢出流量修正系数 热辐射通量计转换系数( w ) 比例系数( k g ，v ) 壁面导热系数( 、m k ) 常量 辐射通量计距火源中心距离( m ) 顶棚特征艮度( m ) 射线行程平均氏度( m ) 可燃物蒸发潜热或热解热( j m 曲 特征长度( m ) 烟气层质量( k 由 开口进入空气的质量流量( k 曲 排烟质量流量( k g ，s ) 火源燃烧质量损失速率( k g ，s ) 喷水流量的蒸发部分( w s ) 烟气界面间的质量交换( k g ，s ) 羽流质量流量( k 鲈) 溢流线形段质量流量( k 曲) 溢流轴对称段质量流量( k g ，s ) 开口质鼍溢出流量( k s ) 喷水流量的未蒸发部分( k g s ) 信号测点数，墙壁切片数 压力( p a ) 火源周长( k s ) 朗克数 标准大气压( p a ) 火源功率随时间增 乏指数 火源的热释放速宰( w 1 z 。处的能量流量( w ) 4 4 4 b o c q e c 0 e eg。气咚岛eq g也风皿以以饥峨玑。虬 v l l l 博士学位论文：大空间内仓室火灾增长特性及烟气蔓延规律研究 火源对流热释放速率( w )z 。 开口高度截面的能量流量( w )z o j 火焰对燃料表面的热通量( w ) 溢流远域轴对称羽流虚点源( m ) 溢流近域线形虚源位置( m ) 烟气层对燃料表面的热通量( w )希腊字母 边界能量损失( w ) 日燃料的燃烧热值( 非g ) 线形虚源的对流热释放速率( w ) 口 热扩散系数( m 2 ，s ) 开口能量溢出流量( w )以火源功率增长因子 辐射通量( w ) z 燃烧效率。 半径( m ) 占 墙壁厚度( m ) 火焰温度( k )， 火焰发射率 烟气层温度( k ) s 。 仓室烟气发射率 可燃物表面温度( k )。 壁面发射率 溢流或羽流中心线温度( k )妒实际与理论的空气供给比 鼙面i 的内表面温度( k ) 妒管道流速测量修正系数 水滴降到地面时的温度( k )y化学当量比( k 非g ) 水的蒸发温度( k )丑 对流热释放速率份额 环境初始温度( k )a ， 火源辐射能量份额 墙壁初始温度( k ) v 动力粘性系数( m 2 ，s ) 时间( s ) 万 圆周率 烟气传输延迟时间( s )p ，火焰空气密度( k 咖3 ) 烟气溢出时问( s ) p 密度( k 咖j ) ，9 增长火羽流传输无纲量时间 以 烟气层密度o 唔，m 3 ) 称重平台输出电压( v ) 风环境空气密度( k 咖3 ) 烟气流速( m ，s ) 口 斯蒂芬一玻耳兹曼常数( w ，m 2 k 4 ) 管道平均流速( m s )孝 竖直坐标高度( m ) 热辐射通量计输出电压( v )f ，叩 指数常量 仓室开口宽度( m ) 溢流或羽流中心线速度( m s ) 二次下标 羽流截面平均流速( m ，s ) c 仓室 高度( m ) 口 人空间 火源基面高度( m ) 有效火焰高度( m ) 烟气层高度( m ) 烟气界面高度( m ) 溢流双段临界转换高度( m ) 热电偶柬最高测点位置高度( m ) 虚源位置( m ) q色岛gc5j9gg，_砭巧巧气l k 瓦，k o 。0 u。一屹一矽w z乙匆乙互毛乙磊 第一章绪论 研究背景与意义 研究现状 。本文的章h 交排 1 1 研究背景与意义 第一章绪论身；一早三百下匕 1 1 1 大空间建筑发展概况及火灾防治的必要性 在今天，诸多类型的大空间建筑币在不断地涌现，在世界上不同国家都已普 遍可见。追寻大空间建筑的发展历程，其自出现以来一直是社会活动的中心。罗 马风时期的中世纪教堂、中国古代的宫殿等一些历史上著名的大空间建筑可为世 界建筑史上的灿烂明珠。进入1 9 世纪，被公认的大空间建筑的代表是1 8 5 1 年建 成的伦敦万国展览会中的水晶富( 后毁于火灾) 。随着社会的发展和和技术的进 步，2 0 世纪以来，世界各国都竞相建造了规模宏大的大空吲建筑，如柏林大剧 院( 1 9 1 5 ) 、罗马体育馆( 1 9 5 5 ) 、纽约t w a 航站楼( 1 9 6 0 ) 、亚特兰大奥运会 主体育馆( 1 9 9 6 ) 、中国国际展览中心( 2 0 0 6 ) 等。建筑物向着高层、大规模、 综合性方向发展已成为一个世界性的趋势。表1 1 列出了我们平常容易见到的一 些典型大空间建筑实体。 表1 1 大空间建筑类型举例 类别例 体育类建筑体育场馆、竞技场、拱项球场 交通枢纽建筑航站楼、交通大厅 会场大会章、大会议室、阱堂 文化休闲场所 大剧院、电影院、音乐厅、杂技馆 展示建筑会展中心、博览会场、展览厅、博物馆 宗教、古建筑教堂、寺院、宫殿 商用、经济建筑 大型金融中心、大型商场、大型商务写字楼 中庭式建筑教章、商场、会融中心等大型建筑的中庭 仓房车问、仓库 博l j 学位论文：大空问内仓室火灾增长特性及烟气蔓延规律研究 根据结构特点，大空间建筑大体可分为三类】：( 1 ) 占地面积较大但并不很 高的建筑，其典型代表是大型商场。面积经常有成千上万平米，而高度一般在 6 米以下。( 2 ) 占地面积相当大同时具有一定高度的建筑。如大会堂、展览馆、 体育馆、候机( 车) 厅、大型仓库、大型车间等。它们的面积往往有数百、上千平 米，高度约为1 0 一2 0 米。( 3 1 具有一定的平面面积但却有相当高度的建筑。其 代表为高层建筑的中庭，其平面面积为几十到上百平米，高度大多为几十米。 大空间公用建筑火灾是一类重要的火灾类型。与其它建筑火灾类型相比， 由于可燃物多，火灾发生位置及引燃源类型复杂；建筑物内部空间大，烟气蔓延 迅速、不易控制；早期探测和初期灭火较难实现；人员集聚多且集中，疏散困难。 使得一旦发生火灾，将可能导致惨重的人员伤亡，造成严重的经济损失。 火灾统计表明，近年我国发生的多起重大、特大火灾，大部分与大空间建 筑物有关。仅在1 9 9 3 1 9 9 4 年就连续发生了北京隆福大厦、唐山林西商场、南 昌万寿官商场、昆明东方夜总会、阜新艺苑歌舞厅、克拉玛依友谊宫等多起大空 间建筑火灾p l ，人员伤亡和财产损失均为建国以来所罕见。认真研究这类火灾问 题并提供相应的预防与控制技术，已是我国防灾减灾的一个重要方面。 1 1 2 大空间内仓室类型与仓室火灾的研究意义 大空间建筑火灾综合防治需要研究大空问建筑内的不同的火灾形式和蔓延 规律。根据火灾发生的位置，大空间建筑内的火灾形式基本可分为两类： ( 1 ) 大空间内自由火灾。这类火灾直接发生在大空间内，火灾产生烟气直 接进入大空间内部。其可燃物燃烧具有充足的氧气供应，火灾类似为室外环境下 的燃料控制型燃烧。如果可燃物分稚密集，很有可能发展成大面积火灾。 ( 2 ) 大空佰j 内仓室火灾。这类火灾发生在与大空| 日j 毗邻或者在大窄问内部 底层的仓室。由于仓室内的火灾荷载高，火灾功率较大，烟气温度偎高，极有可 能发生轰燃和结构倒塌等现象。仓室内的火灾为受限燃烧类型，通x l 不良导致可 燃物的不完全燃烧，会产生c o 等大量的对人员伤害很大的有毒有害气体。如果 仓室具备通向大空间的开口，且无排烟灭火消防控制措施的话，烟气会先在仓室 内充填，进而进入大空间内部，产生大范围的蔓延。 大空问建筑内一般具有较多的不同大小和类型的仓室，如： 第一章绪论 ( 1 ) 商场、候机厅中的零售商店。 ( 2 ) 大会堂、展览馆内的功能室。 ( 3 ) 金融中心、办公大楼、饭店内与中厅毗邻的工作间。 ( 4 ) 大型仓库中的货柜。 ( 5 ) 大型车间内的设备房。 ( 6 ) 大空间内采用小室( c a b i n s ) 或孤岛( i s l a n d ) 安全设计概念【4 l 的高 火灾荷载区域。 这些场所无论在可燃物荷载密度、发生火灾的概率、火灾蔓延速度和破坏性 都很大，起火因素也很复杂。旦发生火灾，火势很难控制，燃烧的扩展和由此 产生而有毒有害气体进入大空间内部，会造成大范围的蔓延。由于大空间内部人 员密集分布、疏散困难，势必造成很大的人员和财产的损失。如1 9 6 7 年5 月2 2 日，比利时布鲁塞尔伊诺巴施格百货商店发生火灾【5 】。火灾发生在二楼的商场， 火势没有及时得到控制。5 分钟后，火灾烟气进入中庭，并很快扩散到整个大楼。 共造成3 2 5 人死亡的悲剧，损失达7 0 亿丹。1 9 7 3 年4 月2 日，美国芝加哥海厄 特里今西奥黑宾馆二层的夜总会发生火灾【6 i 。该宾馆中庭从2 层到1 l 层，火 灾烟气很快从夜总会入口处向中庭扩散，烟气迅速下降，造成大约1 0 0 0 名客人 受烟所困，3 0 万美圆的损失。1 9 9 6 年4 月2 日，辽宁沈阳商业城发生火灾【3 1 。 起火位置位于商城一楼的办公室，并扩散到中庭，火和烟气在中庭内迅速从1 楼 窜到6 楼，导致整个商城内的柜台和物品燃烧起来。造成经济损失5 5 1 9 2 万元。 1 9 9 6 年4 月1 日，德国杜赛尔多夫机场候机楼发生大火1 7 j 。起火位置为航站楼内 一家花店，这家花店位置正好靠近楼梯口。当花店失火时，浓烟烈火很快封锁了 楼梯通道，有毒烟气充满了整个航站楼，消防人员试图疏散上层乘客脱险，但未 成功。造成1 6 人死亡，1 5 0 人受伤。2 0 0 1 年4 月8 目，荷兰阿姆斯特丹斯希波 尔国际机场同样发生火灾【8 l ，起火位置为机场内的一家快餐店，火势延燃波及到 七、八楼的办公室，烟气蔓延至整个大楼区域及毗连的办公区域，迫使机场当局 不得不把数千名旅客疏散。由于疏散及时，因此未造成多大的伤亡，只有一人受 到呛伤而不适。 可见，很多的大空间火灾都是首先从仓室内发生、发展并蔓延的，因此应该 对大空间内仓室火灾防治与控制方面进行深入地研究。目前该类火灾已经引起了 4 博士学位论文：太空两内仓室太灾增长特椎及烟气蔓延规律研究 毽赛火灾辩磷枫擒察茂籍部门瓣重视，在大空瓣建笺豹防灾安全设诗方面，各瓣 家都制定了若干规范朝标准，这对减少其火灾魑险起了很好的作用。但总的说来， 现在还很确乏这类建筑火灾特潮是萁内部仓室火灾特点豹基本资料和数摇，基确 数学模毅还不完善。基予此点，迫切需要我们对太空间内仓室火灾的增长特性及 烟气蔓延规律开展研究。逐步发展和完瞢大空阐建筑内仓室火灾的基零敷学插述 模型襄糖演技零，为游茨援莲的修订提供理论依据襄实验数攒，对控制她类建筑 火灾的发展，减少人民= 生命和财产损失，维护社会稳怒具有重骚意义。 1 1 3 大空间内仓窒火灾的研究内容 鹜1 1 给辩了大空闻雨仓嶷火灾发展与蔓延过程示意圈，黻及锌瓣改类火灾 所需的防治与控制技术。对于大空间成 仓室火灾形式，其主要的研究内容可包 括为以下足令方葱：( 1 ) 烟气激流斡滤 动特性及动力学描述模型；( 2 ) 仓室火 灾濯气在文空闯肉豹蔓延怒霉：( 3 ) 大 空问内仓室火灾的烟气管理方法；( 4 ) 高荷载仓室火灾豹增长特性，及有毒气 体的产生规律；( 5 ) 念室内有效的消防 。，图1 1 大空间内仓室火灾发展与荫治 控制措施； 本文黪磷寇工作便是锤对娃上尼点内容瓤逐步黢嚣戆。 1 2 研究现状 1 。2 ，l 烟流特性与动力学撼述 烟气是火灾中对人构成危协最大的因素。世界各国的火灾案例统计表明， 火灾中a 员静毵亡8 5 以上愁由于潮气弓l 起的，其串天都努蹩茜为啜入濯垒帮 有毒气体昏迷艨致死的m “。因此对于烟气产生量和煅气羽流模型的研究早在上 个世酃5 0 年代便已经逐步开黢。 m 矾，弧v l o r ，翔m e 一”】等人农1 9 5 6 对弱点源理流酶流动横 以牲进行理 论分析，假设羽流界灏物理量分布均匀，卷吸速率和瀚流中心速度成藏比，基于 第一章绪论 b o u s s i n e s q 假设和无纲量分析，提出了弱点源羽流的卷吸模型。l e e 和e m m o n s 等人( 1 9 6 1 ) | l2