火灾中烟气毒性成分向远距离房间传播的实验研究_图文

1、 第38卷第12期Vol.38,No.122008年12月JOU RNAL OF U NIVERSITY OF SCIENCE AND TECH NOLOGY OF CH I NADec.2008文章编号:0253-2778(200812-1451-04收稿日期:2006-07-16;修回日期:2007-03-08基金项目:国家自然科学基金(50576095,中国科技大学国家杰出青年基金后备人选培养计划资助.作者简介:冯文兴,男,1979年生,工程师.研究方向:风险评价.E -m ail:w xfengm ail.u 通讯作者:杨立中,博士/教授.E -mail:yanglz火灾中烟气毒性成分

2、向远距离房间传播的实验研究冯文兴1,2,杨立中1,叶俊麒1(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥230026;2.中国石油管道研究中心,河北廊坊065000摘要:烟气的影响是火灾中人员死亡的最主要原因,为此利用 房间-走廊-房间 结构的模拟实验台进行了大量的实验,研究了火灾中烟气有毒成分向远距离非火源房间传播的特点.结果表明,门的作用非常显著,温差和一氧化碳浓度都随着门高度的增加而有规律地增加,一氧化碳浓度峰值的出现会随着门高度值变小而显著延迟;温度与一氧化碳浓度在垂直方向的分布差别很大,这说明烟气温度和毒性成分在远距离房间垂直方向上分布相互不一致.关键词:火灾;烟气;有毒成分

3、;远距离房间;峰值中图分类号:TK121 文献标识码:AExperimental study on the transport of toxicant speciesof fire smoke to the remote roomFENG Wen -x ing 1,2,YANG L-i zhong 1,YE Jun -qi 1(1.S tate K ey L abor atory of Fire S cience ,UST C ,H ef ei 230026,Ch ina;2.Petro China P ipe line R&D Cen ter ,L ang f ang 065000,

4、ChinaAbstract:Lethality of victims in fir es mainly r esults from sm oke.A set of reduced -scale fire tests w ere co nducted in a room -hallw ay -ro om str ucture appar atus to study the character istics o f tox icant species of fire sm oke travelling to the remote room.Results indicate the obvious

5、influence o f the r oom door on the smo kemo vem ent,that is,the values of temperature and CO concentr ation increase as the doo r height increases and the arrival o f the CO co ncentratio n peak is delayed noticeably as the door height decreases.A nalysis of the data indicates that vertical distr i

6、bution is of great difference between the sm oke temperature and the CO concentratio n,w hich demonstrates that the temperature distribution is not consistent w ith the tox icant species in the upper space o f the r em ote room.Key words:fire;smoke;to xicant species;remote ro om;peak0 引言统计表明,火灾中80%以

7、上的遇难者是因吸入了有毒气体(主要是一氧化碳气体昏迷后而致死的,美国的有关统计还表明,大约有2/3的烟气中毒遇难者的死亡地点是在离起火点很远处的走廊或者房间1.近二十多年来,国内外对于火灾烟气危害性的研究主要以实验研究为主,集中在两个方面:一是生物实验研究,在各种各样的测试装置内将不同浓度的有毒成分施于动物来研究其毒性;二是研究材料的燃烧与热解,分析其中特殊成分或有害气体的释放机理及过程25.在已经进行的研究中,报道烟气毒性成分向远距离处特别是远距离房间传播规律的并不多见,国内在此方面的研究工作也刚起步68.本文设计了一个模拟实验台,模拟了典型建筑结构中的火灾烟气毒性成分向远距离房间的传播过程

8、,并进行了初步的研究.1 实验介绍实验在一个模拟典型建筑物中 房间-走廊-房间 结构的装置上进行,如图1所示.火源腔体内的尺寸为0 70m 0 90m 0 70m,由0 15m 厚的钢板制成,板内填有石棉隔热层.走廊腔体的尺寸为4 30m 0 40m 0 80m,靠近火源腔体的一端封闭,另一端从上到下设置面积为0 40 0 20mm 2图1 实验装置示意图Fig.1 Sketch of the apparatus图2 测量数据,采样高度0 50 7m,门高度0 2m(0 4m0 7m,燃料100gFig.2 Data measured at height f rom 0 5m to 0 7m,

9、door height from 0 2m (0 4mto 0 7m ,fuel 100g的出口D .远距离房间箱体的尺寸为0 60m 0 60m 0 80m,它和走廊腔体都是由3mm 的钢板制成的.火源腔体与外界有一个直径为0 13m 的圆形通风口A .火源腔体到走廊腔体的出口B 的尺寸为0 23m 0 45m.走廊腔体到远距离腔体的门C 宽度为0 18m ,可以调节高度模拟不同的门,实验中设置为0 20 7m.燃料为100g 或者50g 90#柴油(胜利油田,置于面积为0 15m 0 15m 的燃烧盘中,燃料盘放在火源腔体的中央,表面高度为0 08m.实验中,在火源腔体内用SL -8000

10、电子天平测量燃料质量的变化.在远距离腔体内设置了气体成分分析的测量点(见图1,分别在腔体中心垂线高度为0 20 7m 进行取样.实验采用M 9000型燃烧分析仪,在线测量温度、一氧化碳(CO浓度等,燃烧分析仪每2s 进行一次数据测量,测量误差为5%9.实验时,用燃烧的小纸片(0 08m 0 1m 引燃柴油,并开始计时;当测量点上主要考察对象(CO的浓度降到其峰值的10%以下时,停止实验.2 实验结果及分析2.1 远距离房间腔体门C 的高度的影响火灾模拟实验中,在测量点位置高度一定的条件下,远距离腔体门的高度每变化0 1m 作为一种工况,所得的代表性数据如图2所示.用这些数据可以研究门的高度对烟

11、气毒性成分向远距离房间内传播的情况.1452中国科学技术大学学报第38卷( 从腔体内温度(T 与环境温度(T 0的温差(T -T 0来看,是一个先增大后减少的波峰过程.当门的高度低于0 4m 时,会出现小幅度平稳的温差反弹现象.这是因为走廊腔体的上层烟气进入远距离腔体更难,需要经过烟气下沉过程,而早期进入烟气的热量通过传导、辐射等方式很快传播和散失,由此造成了部分热量到来的迟滞和相应的温度反弹.( 数据表明,CO 浓度和温差值随着门高度的增加逐步增大.这是因为不同高度的门只允许走廊腔体中相应高度的烟气进入房间腔体,高度越大,进入的高浓度气体成分越多.( 门高度值越小,烟气中CO 浓度峰值到达的

12、时间越迟,当门高度小于0 4m 时,CO 浓度峰值到达时间一般比大于0 4m 时长200s 之多.这是因为门高度的降低阻止或者延缓了烟气有毒成分从走廊腔体向房间腔体的传播迁移过程.由此可见,门的高度对于烟气有毒成分的传播迁移有重要的影响,尤其是对于远距离房间,高的敞开的门不仅极大地增加了烟气有毒成分浓度的峰值,而且峰值的到来也大为提前.2.2 远距离房间腔体内烟气的垂直分布100g 燃料时实验所得的数据如图3所示,50g 燃料时如图4(仅取0 5m 和0 7m 作为代表所示.由图可以发现烟气有毒成分向远距离房间腔体内传播迁移的特点,特别是其垂直分布有如下规律:1453第12期火灾中烟气毒性成分

13、向远距离房间传播的实验研究( 由温差值可知,门的高度为0 7m时,温差值随着采样点高度从0 70 5m比较均匀地逐渐减小.这说明,在房间腔体0 5m以上的垂直空间内温度分布是逐步递增的.当门高度为0 6m, 0 5m和0 4m时,则呈现另外一种情况,即0 7m 与0 6m处的温差值相比,0 6m处略低一些,两者都比0 5m(或者0 4m处高很多.因此,此时在房间腔体上层空间内温度是分层分布(层内近似均一的,然而当燃料少时(低于50g,则分层不明显.这是因为,门的高度影响火灾烟气的填充和沉积过程,门沿的降低,加剧了烟气在顶层的积聚,促进了分层的形成.( 烟气中CO浓度在垂直方向上变化不大,数值很

14、相近.与温差变化对比可以发现,CO浓度的垂直分布与温度的分布有很大差别,即它的浓度在0 5m(或者0 4m以上的垂直空间内可以近似认为是均一分布的,不像温度差那样随着高度增加而逐步升高.这表明,远距离房间腔体内烟气温度和有毒气体成分的垂直分布是不一致的.这可能是由于门高度的变化,CO气体与烟气中颗粒等其他携热成分在运动过程中迁移的不同步造成的.3 结论本文通过大量的实验模拟了 房间-走廊-房间 典型建筑结构中烟气有毒成分向远距离房间传播迁移的过程,研究了烟气顶棚射流扩散的现象,并且给出了初步的分析和解释.研究发现,火灾烟气在向远距离房间腔体传播过程中,门高度的变化对其有重要影响.温差和CO 浓

15、度随着门高度的增大而增大,门的高度越大,温度值和浓度值增加得越明显.门高度降低时,由于阻止或者延缓了烟气毒性成分的迁移过程,致使一氧化碳浓度峰值到达时间延迟200s左右.数据分析表明,远距离房间腔体上部烟气温度场可以形成比较均匀递增的分布,而CO浓度在腔体上层区域内的分布是趋近的.这说明烟气温度和有毒成分在远距离房间垂直方向上分布具有不一致性.本研究揭示了在建筑防火设计中,应当注重门高度的设计,区别对待向远距离房间传播的热的危害和烟气有毒成分的危害,并分别进行评估.由于火灾是非常复杂的燃烧,本文为了便于集中研究主要问题,采用柴油作为燃料.为了使得结果广泛应用,后续工作将开展更多燃料、不同燃烧方

16、式的实验研究和全尺寸实验研究,总结和分析其中的共性规律.参考文献(References1lattimer B Y,V andsbur ger U,Roby R J.T het ranspor t of hig h concentrat ions of car bo n mo no x ide t o locatio ns remo te the bur ning co mpar tmentEB/OL.http:/ww w.fire.nist.g ov/bfr lpubs/fire97/ar t025.html.2L ouise C S.T o xicity assessment of comb

17、ust ion gasesand development o f a sur viv al modelR.W ashing tonD C,F A A T echnical Center At lantic City Internatio nalA irport,1995:1-138.3K aplan H L,G rand A F,H art zell G E.Combust ionT ox icolog y Pr inciples and T est M ethodsM.P ennsylvania:T echnomic P ublishing Co.Inc,1983. 4P ur ser D

18、A.T o xicity A ssessment of Combust ionP ro ductsM.Bo ston:So ciety o f Fire P ro tect ion Engineer s,1988.5P auluhn J,K immerle G,M?rtins T.T ox icit y of thecombustion g ases f rom plastics:relev ance and limit ations o f results obtained in animal ex periments J.Jour nal of F ire Sciences,1994,12(1:63-104. 6Fang T Y,Y ang L Z,Huang R,et al.T he relationshipbetween smok