浅析室内火灾中火焰的正常传播特性

1、研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科目:防火火与防爆技术教师：谢波姓名：张树文学号：20122002020专业：矿业工程类别：（学术）上课时间：2013年5月至2013 年6月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师（签名）重庆大学研究生院（联系电话）浅析室内火灾中火焰的正常传播特性摘要：本文简述了室内火灾的发展过程以及对其影响的主要因素，同时详细讲述了室内火灾中火焰传播的几种典型情况，并简要叙述了材料表面火焰传播的计算方法。关键词：室内火灾；火焰；正常传播1.刖言火灾是个复杂的现象，它的形成、发展和蔓延取决于许多相关的因素，它是一种失去控

2、 制的燃烧所造成的灾害。它可以无情地夺去许多人的宝贵生命，可以在顷刻之间将人类多 年创造的财富化为灰烬。有史以来，火灾给人类的生产和生活带来了沉重的损失和惨重 的教训。在人类与火灾斗争以及文明前进的过程中，人类对火灾的认识不断进步，从对 火灾的表面感性认识到探讨火灾的内部机理，火灾科学从无到有，已经基本得到了全面 的认识。近年来，随着我国经济建设的快速发展，火灾形势日趋严峻。据统计，1993年至2007 年，全国共发生火灾23万多次，死亡3.5万余人，火灾次数及其所造成的经济损失呈上 升趋势。表1-1为历年我国有关火灾的统计数据，由表可见，近年我国火灾发生的次数 居高不下，火灾形势依然严峻，但

3、随着国家对消防安全以及火灾科学研究的日益重视，“以人为本”的理念深入人心，近年火灾的伤亡人数得到了有效控制，群死群伤的火灾 案件不断减少，2006年和2007年，全国火灾死伤人数分别为 2935和2281人，与2005 年相比下降了了 50%左右。表1-1我国各年度火灾情况（不含森林、草原、军队、矿井地下部分火灾）年份火灾次数次死亡人数（人）受伤人数（人）直接经济损失（亿元）197766033517879702.9197867119381573182.2197961449346353232.2198054333304637101.8198150034264334802.319824154122

4、4929291.9198337026216127412198433618208526901.6198534996224135432.8198638764268543063.2198732053241140098.11993380732378593711.21994393372765424912.419953791522783838II1996368562225342810.319971402802722493015.419981423262389490514.419991799552744457214.320001891853021440415.220012167842334378114200

5、22583152393341415.420032539322482308715.920042527042558296916.7200513.9 万2481/2006222702151714187, 8200715.9 万14188639.92室内火灾危害的表现形式室内火灾的发生会造成惨重的直接财产损失，造成的间接财产损失更为严重，造成 大量的人员伤亡，造成生态平衡的破坏，造成不良的社会政治影响。室内火灾的危害主要体现在火灾烟气的危害，烟气是火灾中对人构成危胁最大的因 素，世界各国的火灾案例统计表明，火灾中人员的死亡有80%以上是由于烟气引起的，其中大部分是因为吸入烟尘和有毒气体昏迷后致死的。火

6、灾烟气是火灾燃烧产物与空气的混合物，其中包括可燃物热解、燃烧产生的气相产物（如未燃可燃气、水蒸气、二氧化碳以及一氧化碳、氯化氢、氰化氢、二氧化硫等窒息、有毒或腐蚀性的气体）、多种微小的固体颗粒（如炭烟）和液滴以及由于卷吸而进入的空气。烟气对人的危害性主要体 现在高温、毒性、窒息、遮光、心理恐慌作用等方面。高温。烟气是燃烧产物与周围空气的混和物，一般具有一定的温度，其温度与离火 源距离以及火源大小燃料种类有关。烟气主要通过辐射、对流等传热方式对暴露于其中 的人员造成伤害。研究表明，人体受到辐射强度超过2. 5kw/m2的热辐射时便可发生 危险。要达到这种状态，人员上方的烟气层温度一般高于180C

7、 :当人员暴露于烟气中时，烟气温度对人的危害体现在对表皮以及呼吸道的直接烧伤，这种危险状态可用人员 周围烟气的温度达到120C来判断。毒性。火灾烟气中往往含有 CO、SO2、HCN、NO等有毒成分，当人员暴露于烟气 中时，导致人员昏迷、这些有毒成分能使人呼吸系统、循环系统等身体机能受损，并达 到2500ppm部分或全部丧失行动能力甚至死亡。 有数据表明，当CO浓度就可对人构成 严重危害。窒息。烟气中的含氧量一般低于正常空气中的含氧量， 而且其中的COZ和烟尘对人 的呼吸系统也具有窒息作用，有数据表明，若仅仅考虑缺氧而不考虑其它气体影响，当 含氧量降至10%时就可对人构成危险。遮光。火灾一般都是

8、不完全的燃烧，烟气中往往含有大量的烟尘，由于烟气的减光 作用，人们在有烟场合下的能见度必然有所下降，而这会对火灾中人员的安全疏散造成 严重影响。心理恐慌。由于以上火灾烟气的特性，特别是它的遮光性以及窒息和刺激作用，很 容易对暴露于其中的疏散人群造成心理恐慌，增加疏散的困难，容易形成相互挤踩的伤亡。室内火灾造成的危害损失巨大，而在室内火灾过程中，火焰的传播是火灾的控制和 发展中起着非常关键的关键因素，因此，详细描述室内火灾的发展过程以及对其影响的 主要因素，同时详细讲述了室内火灾中火焰传播的几种典型情况，并简要叙述了材料表 面火焰传播的计算方法很有必要。3室内火灾的发展过程房间发生的火灾通常要经

9、历几个发展阶段，即引燃、发展初期（轰燃前）、完全发展阶段（轰燃后）和衰减期四个发展阶段。在第一个阶段，点火成功后，由于可燃物刚刚被引燃，一般固体可燃物质发生燃烧，火 源面积不大，范围很小，火焰不高，烟和气体的流速不快，辐射热不强，火势向周围发 展的速度比较缓慢，整个房间空间相对于火源来说比较大，供氧充足，所以燃烧情况与 开敞空间的燃烧基本相同。这段时间的长短，随建筑物结构及空间大小的不同而不同， 周围的墙体对火灾基本没有影响，这时候火焰主要由燃烧物决定。在这种情况下，只需 少量的人力和简单的灭火工具就可以将火扑灭。在早期阶段，房间本身对火灾几乎没有影响，因此将此阶段的火灾称为燃料控制的 火灾。

10、除了释放能量，还会产生各种毒害气体和非毒害气体，以及固体燃烧产物。火焰 中的热烟气被周围冷空气包围着，热烟气温度越高，其密度越小，在密度差（或浮力） 的作用下向上运动。当热烟气向上升腾时，冷空气会被卷吸进入到火灾羽流中。这种燃 烧产物与空气的混合物向上升腾并接触到房间顶棚，从而形成炽热烟气层。与顶棚接触 的热烟气中只有很小部分质量来源于燃料本身，而大部分质量是当火灾羽流向顶棚持续 运动过程中在水平方向卷吸进入的空气。由于这种卷吸作用，羽流的总质量流率逐渐增 大，其平均温度和产物组分的浓度则随着高度的增加而降低。当羽流与顶棚接触后，热烟气以动量驱动的环形射流的方式沿顶棚蔓延，这种射流 的速度和温

11、度具有重要的实际意义，因为搞清楚这些参数有利于计算顶棚附近安设的烟 雾和温度探测器的响应情况。顶棚射流最终将会达到房间侧壁，受墙壁的限制作用，因 而其沿壁面向下运动。但顶棚射流中的气体仍然比较周围环境空气的温度高，因而这种 流动最终会由于浮力的作用转而向上运动。因此，在顶棚下面形成热烟气层。羽流持续从下层气体中卷吸进空气，并将其向顶棚输运。因此，热烟气层的体积逐 渐增大，热烟气层与下层的界面逐渐下降。随着热烟气层的下降，热烟气层的温度逐渐 升高，因而这种传热过程会增强。热烟气层通过热辐射和对流方式向与热烟气接触的顶 棚和墙壁传热。同时，热烟气层也通过热辐射向地板和下部墙壁传热，其中部分热量被

12、下部区域的空气吸收。另外，也有部分热量传递给燃料床，这些热量不仅来自于火焰， 而且随着火灾的不断增强，越来越多的热量来自于热烟气层与温度较高的墙壁对的辐射 作用。这种向燃料床的传热会导致燃料的燃烧速率增加，从而使室内的燃料块其他部位 也被加热。随着燃料的燃烧速率不断增加，或由于最初点燃的物体的火焰发生扩展，火灾逐渐 发展。热烟气的温度升高，其温度可能达到很高的值。因此热烟气层向对室内其他可燃 物进行辐射加热，在每一个阶段，室内所有的可燃物都发生点火燃烧，能量释放速率迅 速增加。因此火灾可能从发展相对缓慢的状态突然转变为极具能量和破坏的状态在局部 火焰高温和烟气层辐射的共同作用下，使得火源附近可

13、燃物不断分解、燃烧，并最终导 致整个房间的全面燃烧（轰燃），从而进人火灾完全发展阶段。当房间轰燃后，房间内所 有可燃物都开始燃烧，并且火焰充满整个房间，火灾温度随时间持续上升，甚至达到 1000C以上，极具破坏力并且难于扑救，对建筑结构危害也很大。火灾衰减期，猛烈燃烧过后，火势衰退，室内温度下降，烟雾消散，火灾渐渐平息。4室内火灾的影响因素影响室内火灾的因素很多，根据资料文献总结出影响室内火灾的因素主要是以下几 方面：1点火源大小和位置点火源能量越大，在此点火源下发生的火灾增长就越快。点燃源出现在墙角，发生 的火焰传播和火灾增长就快，同样的火源如果出现在房间墙壁的上方，相对来说火灾发 展就比较

14、缓慢，如果火源在地面，火焰的传播就更慢，但是如果火源周围有大量可燃物 如沙发，那火灾发展就会非常迅速。下图是一组Im高的木垛燃烧时在火焰上方随高度变化的温度曲线。A代表的是无限 大的房间，即燃烧情况不受墙体的影响；B表示将木垛放在足够大的房间的一面墙附近， 基本不用考虑其它墙体的影响；C是将木垛放在墙体角落处。从中可以看出房间墙体对火距堆百妁畜峨（mj图1.木垛燃烧时所高度变化的温度曲线2可燃物类型、数量和表面积。火灾发展的快慢还跟可燃物自身的性能有关，有些易燃材料如泡沫、布料、纸等， 它们会导致火焰快速传播，但燃烧的持续时间很短，而另外一些材料如木质家具虽然燃 烧缓慢，但燃烧持续时间很长。由

15、于不同的材料燃烧过程有着显著的差异，这直接影响 着材料的燃烧速率。比如木材的燃烧分解可以简单的写成 ：木材烧焦碳化分解吒弊焦油分解气休紀織北图2.木材分解但是如果是泡沫塑料如聚苯乙烯，受热过程中会随着温度的升高发生状态的转变， 从最初的固态转变成玻璃态，然后变软到橡胶态，随着温度的进一步升高聚苯乙烯熔化 成为粘流态，如果温度升高到150C又会收缩近乎固态，但是如果继续加热那么它就会 熔化并分解成气体，并被点燃。可燃物表面积越大，火灾发展越快，一堆木垛产生的火焰比同样重量的原木燃烧更 剧烈。所以在火灾发展的初期阶段，火灾荷载并不是影响火灾增长快慢的主要原因。 3房间的几何结构房间的结构、空间大小

16、和吊顶高度直接影响着火灾的发展。在房间火灾发展的初期 阶段，热烟气层的温度和厚度、房间上部墙体的温度以及它们的增长速度对火灾发展速 率有显著的影响。如果房间的吊顶高、空间大，材料燃烧在屋顶下形成热烟气层所花的 时间就长，热量损失也更大，热烟气层温度增长较缓慢。同时如果空间比较大，由于各 种热交换带来的热量损失，可燃物的热反馈量也相对较小，所以火焰就不会出现急剧的 传播；反之，如果房间吊顶很低，地面面积很小，那么很快便形成热烟层，而且热烟气 层厚度不断增加，高度越来越低，房间上部墙壁的温度也不断升高，它们对地面及低处 的可燃材料的辐射作用便大大加强。4房间的通风条件如果房间有开口如门洞、窗户，那

17、么燃烧的火焰及燃烧产生的烟气受通风的影响， 从开口流出，同时冷空气不断涌人，整个房间的热量损失较大，但是同时也带来足够多的 燃烧所需的氧气。Kawago发现，燃烧速率很大程度由通风因子决定，即 A、百（A为开 口面积，H为开口高度），A.H越大，可燃物的燃烧速率就越大。很多研究表明，一个 房间发生轰燃有一个最低热释放速率， 评价房间是否发生轰燃通常是以吊顶下高温烟气 层的温度是否超过某一特定值来判定。 而通风因子决定了特定房间轰燃所需的最低热释 放速率。5室内火灾火焰传播的几种类型和火焰蔓延的几种情况5.1室内火灾火焰传播的几种类型1）不稳定的火焰传播：振荡传播2）稳定的火焰传播：正常火焰传播

18、，爆燃正常火焰传播（小于30m/s）:燃烧产物以自由膨胀的方式向管外逸出， 管内压力可认 为是常数。由于火焰传播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动的导热方式将热 量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃 料着火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。爆燃：其火焰的传播速度超过了声速，一般可达10004000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。爆轰：实质上属于一种激波，它因预混气体的燃烧而发生，并依靠燃烧释放的能量来维持5.2室内火灾火焰蔓延有以下五种典型方式（如图 3所示）：1）火焰在水平面上的蔓延2）火焰在边缘地带蔓延。3）火焰在竖直平面

19、蔓延。4）火焰在室内竖直角落处的蔓延。5）火焰在吊顶、天花板下的蔓延。竪宜图3室内火灾火焰蔓延的五种典型方式6.室内火灾火焰的特征在大多数火灾工程安全运用中，我们关注所谓的浮力湍流扩散火焰。这里，我们讨 论表征这种火焰的一些基本过程，并给出一些火焰高度的测定结果，同时还给了可以用 于估算火焰高度的经验关系式。6.1扩散扩散火焰是指在燃烧之前燃料和氧化剂是分离的，通过扩散过程进行混合。燃烧与 火焰区位于适于燃烧的区域。尽管燃料与氧化剂可通过湍流扩散得以混合，但其根本的 扩散机制仍是分子扩散。也即分子从高浓度区输运到低浓度区。与此相对的是预混火焰, 如焊接火焰，其在燃烧之前，燃料和氧化剂已经进行了

20、混合。火灾事故中的火焰几乎总 是扩散火焰。6.2浮力当炽热烟气被冷气体包围时，炽热烟气的密度较低，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况下，火焰区域向上流动的速度受浮力的控制。与浮 力控制的火焰相对的是高压气体燃料源上方形成的流动（如高压管道的破裂），这种情况下的流动不是浮力控制，而是由动量控制的流动，这种火焰称为射流火焰。6.3湍流尺度很小的扩散火焰可以是层流的，如蜡烛火焰。尺度较大的扩散火焰是湍流火焰， 在火焰边沿处附着有周期性脉动的大涡。在湍流羽流中可以肉眼观察到这些涡团，这些 涡团在羽流外侧向上翻滚，这是由于炽热火焰与冷空气之间存在着流动不稳定性所致。这些随机脉动

21、过程是湍流的基本特征，会导致火焰高度和形状发生周期性的脉动。 通常，这种脉动具有一定的周期性，其频率在13Hz左右；一般地，涡团在羽流边沿的附着状态与火焰直径有关。图4.2是这种现象的示意图，图中的Lf是观察到的火焰高度。 在本书的处理中，我们仅考虑平均值，即平均火焰高度，符号为L，单位m。6.4平均火焰高度为建立可以计算火焰高度的工程计算式，首先必须定义平均火焰高度。最简便的处 理方法就是将一段时间内观察到的火焰高度进行平均。火焰下部的发光区域一般较为稳 定，而火焰上部区域则发生脉动，或者说该部分处于间隙性变化过程中。Height from flame base图4平均火焰高度的定义因此，可

22、采用图4中的图形来定义平均火焰高度。图中的纵坐标表示火焰高度出现 的间隙度，用I表示，若I取值1,则表示在该高度位置每次都出现火焰。横轴表示距离燃 烧着的燃料的距离z。将间隙度等于0.5时火焰的高度定义为平均火焰高度 L,即火焰出 现在该高度占观察次数的一半。实验测定火焰高度通常需要用到高速录像等设备。实验 测得的火焰高度与肉眼观察到的平均高度相当吻合。6.5火焰高度经验公式由于火焰具有湍流特性，不能由基本原理推出火焰高度的工程计算公式。为此，需 要研究影响火焰高度的主要参数，并用实验数据来表达这些参数对火焰高度的影响，从 而得到火焰高度的经验计算公式。在水力学中，在描述液体流动时所常用的无量

23、纲Froude数Fr也近似适用于火焰中的高温气体流动。Fr2ugo式中u是流动速度，g是重力加速度，d是流体所流经通道的直径。上式中的分子与动 量成正比，而分母与重力加速度或浮力成正比。注意到c& r& Hc（其中乩是燃烧速率,Hc是燃烧热），则Froude数可以用能量释放速率来表达。进一步，燃烧速率可以表示为m u A，其中u是气体速度，是气体密度，A是燃料源的面积，其与D2成正比。因此，Froude数、能量释放速率和燃料直径之间的关系可以具有如下形式：Fr研究发现，湍流扩散火焰的几何特性与D5Froude数的平方根成正比。采用燃料直径将L/D ）来表征火焰的几何火焰高度进行归一化处理，可以

24、用得到的无量纲火焰高度（特征，因此可以写出下式：尸 L 隠 （&r D D5 D5/2人们已进行了大量的实验，试图将火焰高度与能量释放速率以及燃料直径联系起 来。实验研究发现，如果用无量纲能量释放速率来表示实验数据非常方便，无量纲能量 释放速率的符号为G&，其表达式为：(&CpT gDD2(1)式中中,Cp和T是针对周围空气的性质。该无量纲能量释放速率参数，可以用Fr数的平方根来表示，是控制火灾羽流几何性质的非常重要的参数，对此，后面还将深入讨论 此问题。从上述方程，我们看到可以将火焰高度表示为燃料直径和较宽Fr数范围内的能量释放速率的函数。实际上，图5给出了大量实验的典型结果，即火焰高度随无

25、量纲能量释 放速率Q的变化情况，图中的平均火焰高度已用燃料源直径进行了归一化处理（即 L/D）。图中每一条曲线代表了不同研究者独立得到的实验结果。图的左侧表示燃料源直径与火焰高度直径在相同量级时的火灾情形，其Fr数较小，表明这种火灾是浮力控制的火灾流动。当 Fr数为中等时，浮力也起主要控制作用。右上 角表示Fr数较大时的情形，即动量较高的射流火焰区。图5归一化的火焰高度与无量纲能量释放速率之间的关系在大多数火灾情形下，Q小于10,大多数大型火灾的Q则小于2。因此，我们主要 对图4.4的左侧感兴趣。实验研究发现归一化的平均火焰高度（L/D ）在较宽的（&值范围 内，与&2/5有很好的线性对应关系

26、（大致在1 Q 1000，见图5中的直线）。目前大量 的文献中都给出了不同的火焰高度经验计算公式，这些公式代表了图 5中的不同区域。这些公式中最有用的是Heskestad合出的公式，该公式对图5中除射流火焰区以外的 其他区域都给出了较好的结果。该公式用火焰高度与燃料源直径之比（L/D ）来表达火焰高度，即：-3.7&2/5 1.02（2）D如图5所示，该公式在较宽的范围内保留了 &2/5项，而在Q较小时斜率增长较快的 特征。平均火焰高度可以用比公式（2）更方便的形式给出，即以能量释放速率和燃料源直径 的函数的形式给出如下：L 0.235（&2/51.02D（ 3）式中的能量释放速率单位为千瓦

27、（kW），燃料源直径为m，因而平均火焰高度直径为m 上述结果只给出了平均火焰高度。由于湍流扩散火焰的脉动性，我们根据实验结果给出了用于工程实际的火焰高度表达式。这些实验大多是利用简单的气体燃料进行的， 如甲烷、天然气或丙烷等，这些燃料无法模拟我们感兴趣的实际燃料的全部性质。而且,这些实验没有考虑更为复杂的几何条件，如布置有家具时，固体燃料往往是在水平方向 和垂直方向上分布式的布置的。尽管如此，方程（3）仍然给出了实际燃料火焰高度的 近似计算方法，但应注意到其不足点。7室内火灾火焰正常传播理论，速率及其测试方法7.1室内火灾火焰正常传播理论 用于简化近似分析的热理论 认为火焰中反应区在空间的运动

28、，取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。 泽利多维奇等的分区近似解法一一认为火焰分为两个区域：预热区和反应区。并 且对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。 火焰传播的精确解法一一利用数值计算方法直接对层流火焰基本方程进行迭代 求解。 坦福特（Tan ford）等的扩散理论认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。对于层流火焰中的某些反应， 活性物质向未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的大小。7.2火焰传播速度火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度为火焰传播速度对火焰快速传播危险性的认识以及可燃的内部材料研究是近几年才开始的。很多相 关研究都始自1940年，当时美国发生了几场大型火灾，很多人丧生。从那以后对建筑 材料的表层燃烧性质进行了大量的测验。 包括加拿大的国家建筑方式在内的很多已经意 识到火焰传播的危险性，设定了相关要求来对其进行限制。7.3火焰传播测试方法火焰传播的理论只能是提供火焰传播速度的定性的结果，而火焰传播速度必须通过实 验来确定。测量火焰传播速度的基本方法，包括： 本生灯法 圆柱管法 定容球法 肥皂泡法 粒子示踪法 平面火焰燃烧器法等。而目前激光测试技术开始被