消防燃烧学课件47

1、第七节 火灾在建筑物内的蔓延 火灾蔓延的本质是热量在建筑物内传播的结果。火灾中热量主要以热对流、热辐射、热传导和飞火等形式传播。在实际火灾中各种热传播形式常常同时出现，但又以某一种或某几种传播形式为主。火灾在室内和室外、在起火房间内部和在起火房间外部（如走廊等）及在不同建筑群之间的蔓延情况大不相同。一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延1 (一) 火灾在建筑物内蔓延的形式 火灾在建筑物内蔓延的形式与起火位置、可燃物数量和分布及建筑材料燃烧性能有很大关系。常见的蔓延形式主要有以下几类： 1、延烧 即

2、可燃物表面起火后，由于导热作用使燃烧沿表面连续不断地向外发展下去的火灾蔓延形式。延烧是初期火灾蔓延的主要形式。 2、火焰直接点燃 即起火点的火焰直接点燃周围可燃物。这种火灾蔓延形式多在可燃物相距较近的情况下出现。 3、导热 主要是指由于金属管道或其他金属容器的导热作用，将热量由墙、楼板、管壁的一侧传到另一侧引燃可燃物，使火灾在建筑物内部迅速蔓延的现象。 4、热辐射一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径*二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延2 当起火点距离可燃物较远，火焰无法直接接触可燃物，中间又没有

3、导热媒介时，火焰的热辐射作用是引起火灾蔓延的主要形式。火焰的热辐射和可见光线、X射线和无线电波样，可以看作是各种波长的电磁波，其中处于红外区110m波段的电磁辐射与火灾的关系最为密切。 5、热对流 房间内的高温热烟气密度比冷空气密度小，由于浮力作用热烟气将向顶部流动，经窗口上部流出，而室外的新鲜冷空气将由窗口下部流入室内燃烧区，形成热对流。热对流不但可以源源不断地供给新鲜氧气，使燃烧得以维持，而且热烟气的高温作用使火灾在建筑物内能够迅速蔓延。 (二) 火灾在建筑物内蔓延的途径 研究火灾蔓延途径对开展灭火战斗具有很强的指导作用，从实际的灭火经验来看建筑物内的火灾蔓延主要包括以下几个途径：一、火灾

4、在建筑物内蔓延的形式和途径*二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延3 1、楼板孔洞 因为火势易于向上蔓延，所以楼板上的开口（如厂房内设备吊装孔、楼梯间、电梯井、管道井等）都是火灾蔓延的良好通道。通常条件下，热烟气垂直流速约为23m/s。因此火灾向上蔓延的速度很快。 2、内墙门 尽管最初火灾只发生在一个房间内，但是当内墙门被烧穿之后，火灾将最终蔓延到整个建筑物。即使建筑物的走廊内没有任何可燃物，强大的热对流和高温热烟气仍可使燃烧蔓延。 3、闷顶 建筑物的闷顶空间一般都很大，普遍采用木质结构，加上不设

5、防火分隔，通风良好，热烟气很容易通过闷顶迅速蔓延，而且热烟气在闷顶中的蔓延一般又不容易被及时发现，危害更大。 4、通风管道 可燃材料制作的管道，在起火时能把燃烧扩散到通风管的任何一点，它是使火灾蔓延扩大的重要途径，也火灾蔓延最为便利的条件。一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径*二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延4 (一) 热烟气对火灾蔓延的作用 室内起火点热烟气的温度很高，木屋火灾温度一般为11001300，最高可达1340。即使在不燃建筑室内，火灾温度也在800以上。高温热烟气沿走廊、楼梯蔓延

6、过程中不断向环境散热，使可燃物升温自燃。因为木材的自燃点在400500之间，所以温度在500以上热烟气的所到之处，可燃物都有被引燃的危险。特别在密闭建筑物内，高温热烟气中含有大量CO等不完全燃烧的产物，当蔓延到走廊尽头和的新鲜空气相遇时，还会产生爆燃，从而使建筑物内的可燃物全面起火。对室内火灾而言，人们比较关心的是热烟气可能蔓延的危险距离。 热烟气在由起火房间通过走廊向外蔓延的过程中，热量将不断被四壁吸收，温度逐渐下降。假设起火房间门口处的温升为To，距房间X处走廊的壁面温升为T，走廊断面的周长为p，则单位时间内距离dx上壁面吸收的热量dQ为： (4-61)一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二

7、、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用*三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延5式中，K为传热系数，可按下式计算： (4-62)式中，V为热烟气流速，m/s；K为常数，通常取1.73kcal/(m2h)。 假设壁面吸收的热量等于热烟气带出的热量，即：(4-63)式中，G为热烟气流量，kg/s；dT为dX距离内温降，oC；CP为空气比热，一般取0.24kcal/(kg)。 由此(4-64) 积分可得：(4-65)(4-66)一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用*三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通

8、过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延6 热烟气温度降低到500以下，火灾蔓延的危险已经很小，所以热对流可能蔓延的最远距离为：(4-67) 由上式可知，热烟气流量G越大，热对流造成的火灾蔓延距离就越远。对于特定建筑来讲，烟流量的大小取决于烟流速的高低。理论计算和实验结果表明，在高3m、宽2m的走廊内，起火房间门口温度为1000，当热烟气流速为0.8m/s时，它由起火房间流出后，经过81m以后温度将降到500oC以下，蔓延的最远距离为81m；当热烟气流速为0.3m/s时，可能蔓延的最远距离降低为37m左右。可见热烟气流速越大，蔓延距离越远。 因此，控制火灾在建筑物内蔓延，首先是

9、要控制火灾热烟气的流速，特别是在高层建筑物内，应尽可能减少进入走廊或楼梯间内的烟量。 (二) 火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用 一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用*三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延7 热是产生空气对流的根本原因。空气受热以后，在建筑物内能够形成两种压力，一种是在起火房间内，由于温度上升，气体迅速膨胀，对楼板和四壁形成的压力，叫火风压；另一种，则是建筑物内始终存在的烟囱效应的作用。 1、火风压 室内发生火灾后，产生的火风压可能使屋顶发生位移，或在墙体上产生裂缝。在实际灭火过程中

10、，总会出现水枪手很难推开起火房间门的情况，这就是由于火风压产生的压力将房门顶上的缘故。火风压的大小与火灾温度和室内通风条件有关。假定起火前室内温度为27oC，起火后上升到1000oC，由查理定律可知，在体积不变时，气体的压力与热力学温度成正比，计算可知室内气体将产生约为4.57atm的压力。这个压力会对房间四壁、楼板及吊顶等产生很大的作用力，甚至使屋顶上移或使墙体产生裂缝。 火风压对火灾蔓延的作用主要表现在使起火房间内部压力升高，加快热烟气的蔓延速度。一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用*三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名

11、第七节 火灾在建筑物内的蔓延8 2、烟囱效应 所谓烟囱效应是指在垂直的围护物中，由于气体对流，促使烟尘和热气流向上流动的效应。在第二章已经详细讨论了烟囱效应形成的原因、建筑物高度和内外温差对烟囱效应的影响等。 建筑物发生火灾后，热烟气在烟囱效应作用下很容易通过电梯井、楼梯等通道向上蔓延。实测数据表明，在一般建筑物内，火灾烟气的垂直流动速度约为24m/s。近年来新建的中庭建筑，火灾中热烟气向上蔓延的速度更快，因此针对中庭建筑火灾烟气流动规律及烟气控制的研究已引起了人们的普遍关注。一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用*三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过

12、外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延9 (一) 烟的上升和下降速度 热烟气上升是因其密度比冷空气轻。建筑物内热烟气浮力产生的速度压可近似计算为： (4-68) 由上式可求得建筑物上部的气流速度约为： (4-69) 而在实际防火设计中，人们更关心靠近燃烧区热烟气的上升速度。研究发现，在一定条件下，上升热气流中心的流速符合以下公式：(4-70)式中，为燃烧区中心处气流上升速度；g为重力加速度；Q为燃烧热；f为热气流密度；Cf为热气流比热；T0为环境温度；r0为燃烧区半径；n为燃烧区长宽比。 因此，燃烧区上升气流的质量速度可表示为：(4-71)一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、

13、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律*四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延10式中，为气流速度平均化系数，f为热气流密度；为燃烧区中心处气流上升速度；r为上升气流半径。 若起火房间面积为A，室内高度为H，烟层与地面的距离为Z，则烟气层的下降速度可表示为：(4-72)式中，s为烟密度。 (二) 烟在建筑物内的流动和扩散 烟在单层或多层建筑物内蔓延时，首先冲上屋顶，逐渐充满门窗以上的空间。然后越过门窗过梁或屋架梁，流到走廊，进入其他敞开屋门的房间，或呈水平方向漫流。此时，烟气的流动方向和速度在很大程度上受外界风力的影响。如图4-31所示。

14、图4-31 烟在单层建筑物内蔓延的示意图一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律*四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延11 烟在多层建筑物内流动要受到两侧敞开楼梯间气流的影响。如图4-32所示，楼梯间的对流通风将加速烟气的蔓延。图4-32 烟在楼梯间蔓延的示意图 (三) 烟在高层建筑物内的流动 理论推测和实际测定发现，与低层建筑不同的是，在高层建筑中，并非每个窗口都同时进气和排气。这是因为高层建筑的中性面不在窗口，而集中于建筑物的腰部。在风力作用下，高层建筑内中性面以下的上风侧的窗口为进气口，中性面以

15、上的窗口则为排烟口。一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律*四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延12也就是说，低层建筑窗口上风压的中性层不见了，而整个高层建筑成了一个低层建筑的大窗口。 高层建筑物中烟气的流动情况如图4-33所示。在底层地面进风的压力最大，排烟的压力几乎等于零；相反，在顶部进风的压力等于零，而排气的压力达到最大。当把各层进风和排气的作用相加，便可看出高层建筑中，下面各层窗口只进风，而不排气；上面各层的窗口只排气，而不进风。这并非意味着下层房间不排气，上层房间不进风，只不过排气进风都由

16、建筑物内部通道（如楼梯间、电梯井等）实现而已。因此，高层建筑物一旦发生火灾，热烟气和火焰经由建筑物内部通道迅速向上蔓延，很快发展为立体火灾。图4-33 高层建筑内烟气流动的示意图一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律*四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延13 多数情况下建筑物内的温度大于室外温度，由于烟囱效应，室内烟气总的方向是自下而上。若起火层位于建筑物的下部，并且火风压大于进风口处压力时，大量的热烟气将窜出窗口向上蔓延（图1-34a所示）。而当火风压小于进风口的压力时，热烟气则只能从建筑物内部的

17、通道向上蔓延。起火层的位置越低，受烟气影响的层数越多（图1-34b所示）。相反，当起火层位于建筑物的上部时，火风压与烟囱效应迭加的抽拔力将加速空气从底部向上蔓延，使起火区的火势更加猛烈（图1-34c所示）。图4-34 起火位置对烟气流动的影响一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律*四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延14 室内起火后，火焰经常窜出窗口从而对周围建筑物产生严重的威胁。高温火焰可引燃墙体外饰可燃材料或通过上层开启的窗口点燃室内可燃物使火灾向上一层蔓延。火焰能否通过外墙窗口向上蔓延主要取决

18、于从窗口释放热量的高低和喷出火焰的长短。 (一) 窗口的放热速度 假设室内可燃物的燃烧速度为R，1kg可燃物燃烧生成燃烧产物的体积为G0，则单位时间内产生热烟气的体积为G0R。设烟气比热为Cp，烟气与周围环境温差为Tr，则单位时间内从窗口放出的热量为：(4-73) 在完全燃烧条件下，烟气在273K时比热Cp为0.32kcal/(m3)，lkg木材燃烧产物的体积折合成0oC时的体积G04.85 m3/kg，则(4-74) 由前面的讨论可知，室内燃烧速度为：(kg/s) (4-75)一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过

19、外墙窗口向上层的蔓延*小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延15 因此，窗口的放热速度为：(kg/s) (4-76) (二) 窜出火焰的长度 假设起火房间只有一个窗口，则窗口放热速度为Q=143AH1/2Tr，当量半径ro可通过下式求得：(4-77)式中，a为窗口高度的1/2，n为窗口宽度B与高度之比。为了确定火焰从窗口窜出的长度，可以利用水平面火焰中心轴上的温度方程式求出火焰在窗口上部的火焰温度，即：(4-78)式中，是从窗口开始，沿火焰轨迹高度而变化的温度；T为计算部位火焰温度与周围环境温度的差；To为周围环境绝对温度；为计算部位烟气密度。 一般取火焰温度为500oC作为临界来计算从窗口窜出的

20、火焰长度z。一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延*小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延16将已知数据T=500oC，T0=293K，G=0.24kal/kg，=0.456g/L，g=980cm/s2代入公式（4-78）可得：(4-79) 500oC火焰窜出的位置距离窗口的长度z可利用表4-3中与z/r0的关系求得。表4-3 z/r0与的关系一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、火焰通过外墙窗口向上层的蔓延*小节名第七节 火灾在建筑物内的蔓延17 实际上，火焰垂直高度的数值随烟气温度和窗口的细长比而变化。利用表4-3求得500oC火焰窜出的长度z后，求出z/H（500oC火焰窜出的长度与窗口的高度之比）和n（热气流宽度与高度之比）；查表4-4得到z0/H值，进而求得火焰的危险长度z0。表4-4 z0/H随z/H和n的变化关系一、火灾在建筑物内蔓延的形式和途径二、热烟气、火风压和烟囱效应对火灾蔓延的作用三、烟在建筑物内的流动规律四、