第一章 火灾基本知识 第4节

常州大学安全工程研究所邢志祥第一章火灾基本知识

第三节化工与建筑火灾特性3.1气体燃烧特性常州大学安全工程研究所邢志祥（一）物理模型与雨果尼特方程1、物理模型

一

、预混燃烧图4-1火焰在预混气中的传播

常州大学安全工程研究所邢志祥2.基本方程：连续方程：动量方程：能量方程：状态方程：热量方程：常州大学安全工程研究所邢志祥由方程（4-1）、（4-2）得：称为瑞利方程

常州大学安全工程研究所邢志祥由（4-3）、（4-5）得到：由（4-5）、（4-6）、（4-7）得到：常州大学安全工程研究所邢志祥

利用状态方程（3-4）及称为雨果尼特方程常州大学安全工程研究所邢志祥3、雨果尼特曲线和瑞利曲线

常州大学安全工程研究所邢志祥二、正常火焰传播与爆轰

燃烧后气体的压力增大燃烧后气体的密度增大燃烧波以超音速传播

2、爆轰的特点：1、爆轰：主要依靠冲击波（激波）的高压，使未燃气受到近似绝热压缩的作用而升温着火，从而使燃烧波在末燃区中传播的现象。（一）爆轰常州大学安全工程研究所邢志祥（二）正常火焰传播

燃烧后气体的压力减小或接近不变燃烧后气体的密度减小燃烧波以亚音速传播2、正常火焰传播的特点：1、正常火焰传播：主要依靠导热的作用将火焰中产生的热量传递给未燃气，使之升温并着火，从而使燃烧波在未燃气中传播的现象。常州大学安全工程研究所邢志祥三、正常火焰传播速度

（一）传播机理1、火焰前沿的概念

火焰前沿定义：火焰在预混气中传播时，区分已燃区和未燃区的一层薄薄的化学反应发光区。常州大学安全工程研究所邢志祥火焰前沿结构及其浓度分布示意图常州大学安全工程研究所邢志祥2、特点（1）由预热区和化学反应区两部分组成；（2）其中存在强烈的导热和物质扩散。研究对象对象特点研究机理常州大学安全工程研究所邢志祥

（1）

火焰传播的热理论热理论认为：火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应速度加快的结果。（2）火焰传播的扩散理论扩散理论认为凡是燃烧都属于连锁反应。火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜混气中扩散，使新鲜混气发生连锁反应的结果。3、火焰传播机理

常州大学安全工程研究所邢志祥研究对象对象特点研究机理传播速度火焰前沿物质传递、能量传递热理论、连锁反应理论能量守恒常州大学安全工程研究所邢志祥二二、层流火焰传播速度------马兰特简化分析1、

简化模型2、反应区的温度分布

3、热平衡式

常州大学安全工程研究所邢志祥（二）、火焰传播速度因为

所以

或者

式中

又

得

常州大学安全工程研究所邢志祥（二）、火焰传播速度又因

所以

据关系得讨论：这一理论不完善。如未燃混气初温T∞如果等于着火温度Ti，火焰传播速度为无穷大。

常州大学安全工程研究所邢志祥（三）物理化学参数对层流火焰传播速度的影响

1、可燃气与空气比值的影响

常州大学安全工程研究所邢志祥2、可燃气体的分子结构常州大学安全工程研究所邢志祥3、初始压力

常州大学安全工程研究所邢志祥4、初始温度

常州大学安全工程研究所邢志祥5、火焰温度

常州大学安全工程研究所邢志祥6、惰性气体的含量

常州大学安全工程研究所邢志祥混气性质主要指混气的热容Cp和导热系数K。因为：Sl∝a1/2，而a=K/ρ∞Cp结论：K增加，Sl增加；Cp增加，Sl下降。

7、可燃混气的性质。

常州大学安全工程研究所邢志祥四、爆轰

（一）爆轰的发生

爆轰：主要依靠冲击波（激波）的高压，使未燃气受到近似绝热压缩的作用而升温着火，从而使燃烧波在末燃区中传播的现象。激波：弱压缩波在传播过程中叠加形成的、使介质状态参数突跃变化的强压缩波。

1、激波的产生

（1）模型常州大学安全工程研究所邢志祥（1）模型常州大学安全工程研究所邢志祥（一）激波的产生2、激波的产生过程（1）活塞由静止向右运动；（2）活塞前气体被压缩，压力增高，产生拢动，向前传播；（3）第一道波的传播速度

（4）第二道波的传播速度

（5）

，一段时间后，压缩波叠加在一起，形成激波，激波前后的气体参数P、、T发生的突跃。常州大学安全工程研究所邢志祥一、爆轰的发生

（二）、爆轰的发生

常州大学安全工程研究所邢志祥1、爆轰的形成过程：

形成“燃气活塞”；产生系列压缩波；形成激波；产生爆轰。常州大学安全工程研究所邢志祥

初始正常火焰传播能形成压缩扰动；管道足够长或容器空间足够大；

爆轰前期距离：管道中的可燃混气从开始燃烧到发生爆轰之间的距离。可燃气浓度处于爆轰极限浓度范围内；管道直径大于爆轰临界直径。

临界直径：管道中的可燃混气能形成爆轰的管道的最小直径。（二）爆轰形成条件（三）爆轰波波速和压力1、波速混合物U0(m/s)2H2+O22CO+O2CH4+2O2CH4+1.5O2+2.5N2C2H6+3.5O2C2H4+3O2C2H4+2O2+8N2C2H2+1.5O2C2H2+1.5O2+N2C3H8+3O2C3H8+6O21-C4H10+4O21-C4H10+8O2C5H12+8O2C5H12+8O2+24N2C6H6+22.5O2C2H5OH+3O2C2H5OH+3O2+12N2282112642146188023632209174327162414260022802613227023711680165823561690化学计量比的氢—氧混合物的爆轰波速表混合物P2(105Pa)T2(K)U1(m/s)计算值实验值2H2+O218.05358328062819(2H2+O2)+5O214.13262017321700(2H2+O2)+5N214.39268518501822(2H2+O2)+5H215.97297536273527(2H2+O2)+5He16.32209736173160（2）计算（3）影响因素①混气的密度②混气比

（三）爆轰波波速和压力2C2H2+5O2=4CO2+2H2O化学计量比=29%2C2H2+3O2=4CO+2H2O化学计量比=40%③氢—氧混气系统，最大爆轰波波速在接近爆轰上限出现。常州大学安全工程研究所邢志祥2、压力①压力三、爆轰波波速和压力化学计量比的氢—氧混合物的爆轰波速表混合物P2(105Pa)T2(K)U1(m/s)计算值实验值2H2+O218.05358328062819(2H2+O2)+5O214.13262017321700(2H2+O2)+5N214.39268518501822(2H2+O2)+5H215.97297536273527(2H2+O2)+5He16.32209736173160常州大学安全工程研究所邢志祥（四）爆轰波的破坏特点：1、爆轰波波速快，可能使常用的防瀑泄压装置失去作用；2、爆轰波波压大，碰到器壁时会产生反射增压现象；3、爆轰波对生物具有杀伤作用；

4、爆轰波体现为动压冲击作用。冲击波对砖墙建筑物的破坏超压值（单位105Pa）建筑物损坏情况<0.020.02~0.120.12~0.30.3~0.50.5~0.76>0.76基本没有破坏玻璃窗的部分或全部破坏门窗部分破坏，砖墙出现小裂纹门窗大部分破坏，砖墙出现严重裂纹门窗全部破坏，砖墙部分倒塌墙倒物塌。冲击波对动物杀伤作用超压值（单位105Pa）生物杀伤情况<0.1无损伤；0.1~0.25轻伤，出现1/4的肺气肿，2—3个内脏出血点；0.25~0.45中伤，出现1/3的肺气肿，2—3片内脏出血，一个大片内脏出血；0.45~0.75重伤，出现1/2的肺气肿，三个以上的片状出血，两个以上大片内脏出血；>0.75伤势严重，无法挽救，死亡。常州大学安全工程研究所邢志祥4.2液体的燃烧一、液体燃烧速度的表示方法

单位时间内烧掉的液层厚度。

1、燃烧线速度(v)表达式：在单位时间内、单位面积上烧掉的液体质量。

2、质量燃烧速度(G)

：表达式：常州大学安全工程研究所邢志祥一、液体的燃烧速度3、液体燃烧质量速度与线速度关系常州大学安全工程研究所邢志祥1989年8月黄岛油库5号罐由于雷击爆炸起火,导致1、2、3、4号罐相继爆炸，18人牺牲，93人受伤，12辆消防车被烧毁，直接经济损失3540万元。二、油罐火灾常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥1993年10月21日南京炼油厂油罐区310号万吨级汽油罐爆炸起火,江苏省和上海、安徽等省市相继又调出88辆消防车增援，三省市共12个城市的187辆消防车，军警民6000余人联合作战，17个小时后火被扑灭。这次火灾直接经济损失38万余元。2023/2/4常州大学安全工程研究所邢志祥2023/2/4常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥（一）油罐火灾的发生及发展过程火焰区加热油层中间层：火焰底部与油面之间存在的区域常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥油罐火灾的三个阶段：（1）油灌火灾的初期：油表面被加热层厚度h2很薄；油的蒸发速度增加；油的被加热层向深部扩展；中间层厚度h1较薄且接近“透明体”；中间层的“热屏蔽”作用很小，火势发展迅速。

常州大学安全工程研究所邢志祥（2）油灌火灾的中期：油面被加热层以接近恒定速度向深部缓慢扩展；中间层厚度增加，烟及燃烧产物进入中间层越来越多，使中间层成为灰色气体层，并对油面有明显的热屏蔽作用。是油罐火灾中燃烧的相对稳定期。

油罐火灾的三个阶段：常州大学安全工程研究所邢志祥油罐火灾的三个阶段：（3）油罐火灾晚期：中间层的厚度及“灰度”均相当大；燃烧速度明显下降；火焰温度及高度均下降；辐射热反馈亦减小，是油罐火灾的衰落期。

常州大学安全工程研究所邢志祥（二）

原油和重质油品燃烧时的沸溢和喷溅

1、基本概念轻组分：原油中比重最小、沸点最低的一部分烃类组分。重组分：原油中比重最大、沸点最高的一部分烃类组分。

初沸点：原油中最轻的烃类沸腾时的温度。终沸点：原油中最重的烃类沸腾时的温度。沸程：不同沸点的所有馏分转变为蒸气的最低和最高沸点范围。常州大学安全工程研究所邢志祥2、单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点

（1）液面温度接近但稍低于液体的沸点（2）液面加热层很薄

常州大学安全工程研究所邢志祥(1)丁醇和汽油燃烧时的温度分布

常州大学安全工程研究所邢志祥(2)液面下温度分布

常州大学安全工程研究所邢志祥(1)热波：沸程较宽的混合液体在燃烧时，热量逐渐向液体深层传播时热的锋面。(2)热波特性：原油和重质石油产品在燃烧时热量在油层中不断传播，使油品的被加热层不断增厚的特性。(3)热波的传播速度：热波在液层中向下移动的速度称为热波的传播速度。

3、原油和重质油品燃烧时热量在液层的传播特点

常州大学安全工程研究所邢志祥热波传播速度与线燃烧速度的比较油品种类热波传播速度

(mm/min)

线燃烧速度

(mm/min)轻质油品含水<0.3%7~151.7~7.5含水>0.3%7.5~201.7~7.5重质燃油及燃料油含水<0.3%~81.3~2.2含水>0.3%3~201.3~2.3初镏分（原油轻镏分）4.2~5.82.5~4.2常州大学安全工程研究所邢志祥(4)热波传播速度的影响因素液面接受的热量粘度重组分常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥①沸溢：热波在油品中传播时，乳化水或自由水蒸发，形成大量油包气气泡，最后发生向外溢出的现象。②沸溢的发生条件：原油具有形成热波的特性；原油中含有乳化水或自由水；原油的粘度较大。

4.重质油品的沸溢和喷溅（1）沸溢常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥

③沸溢发生的时间发生沸溢的时间与原油的种类、水分含量有关。根据实验，含有1%水分的石油，经45～60分钟燃烧就会发生沸溢。

④发生沸溢的征兆：火焰由红变白变亮，高度突然增加；烟气由浓黑变稀白；油面蠕动，有轻微呼隆和嘶嘶声响。常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥（2）喷溅①喷溅：热波下降到水垫层，使其中的水大量蒸发，蒸气压迅速升高，把上部的油品抛出罐外的现象。②喷溅的发生条件：原油具有热波特性；原油底部存在水垫层；高温层与水垫层接触。4.重质油品的沸溢和喷溅常州大学安全工程研究所邢志祥③喷溅发生时间喷溅发生的时间与油层厚度、热波传播速度以及油品燃烧线速度有关。可近似用下式表示。常州大学安全工程研究所邢志祥黄岛油库5号油罐贮存原油16000T，油温39℃，着火后抽出原油为4100T。罐内有69根立柱，每根立柱横截面积0.25平万米；罐长72m宽48m。原油比重0.89，含水量0.5％，原油燃烧线速度0.1025m／h，热波传播速度0.785m／h。试预计该油罐着火后可能发生喷溅的时间。解：（1）实例：常州大学安全工程研究所邢志祥（2）（3）

实例：常州大学安全工程研究所邢志祥④喷溅发生的征兆：火焰由红变白变亮，高度突然增加；罐体发生轻微的振动沸溢，热波在油品中传播时，乳化水或自由水蒸发，形成大量油包气气泡，最后发生向外溢出的现象。4.重质油品的沸溢和喷溅常州大学安全工程研究所邢志祥5.沸溢、喷溅的预防措施减少油品中的含水量；减小油品的粘度；设置冷却系统降温。常州大学安全工程研究所邢志祥作业1、说明气体火焰正常传播的机理。2、解释爆轰本质和形成过程。形成爆轰要具备哪些条件?3、解释油罐火灾沸溢、喷溅的机理。4、某油罐储存原油20000吨，罐直径为50m，原油密度为890kg/m3，含水量为0.5%，原油燃烧速度为0.15m/h，热波传播速度为0.85m/h。试估计该油罐着火后可能发生喷溅的时间。4.3建筑火灾的发展和蔓延常州大学安全工程研究所邢志祥一、室内火灾特性（一）烟气羽流1、组成：三个区域（连续火焰区、间断火焰区、热烟区）

常州大学安全工程研究所邢志祥2、火焰高度：火焰平均高度：火焰间断性达到50%的高度式中D为火源直径（m）,或可燃物的表面积折算直径（）Q为火源的热释放速率（kW）为系数，对于大部分气体、液体和固体，一般为0.235左右；对于乙炔和氢气为0.211；对于汽油为0.2。部分燃料的热释放率一根燃烧的香烟一个发光的电灯泡一个正常状态下的人一个燃烧的纸篓一个1m2燃烧的汽油池摞放2m高的燃烧的木垛一个2m2，高4.9m的盛装聚苯乙烯的塑料盒核电厂的一个反应器释放的能量常州大学安全工程研究所邢志祥例：1.07×1.07×1.07的正方形木垛，其热释放速率为2.6MW，估算该木垛燃烧的平均火焰高度。解：常州大学安全工程研究所邢志祥3、羽流的质量流率和体积流率式中为羽流在高度Z处的质量流率（kg/s）;

火源热释放速率Q的对流部分（kW）;一般火灾条件下，可以认为（1）质量流率

（2）体积流率（m3/s）：常州大学安全工程研究所邢志祥4、羽流的平均温度常州大学安全工程研究所邢志祥（二）顶棚射流火灾中烟气羽流上升到顶棚后，沿顶棚以下水平运动，形成顶棚射流。顶棚高度为H，顶棚射流的厚度为顶棚高度的5%~12%。最高温度和速度出现在顶棚下顶棚高度的1%。常州大学安全工程研究所邢志祥1、顶棚射流的最高温度：常州大学安全工程研究所邢志祥2、顶棚射流的最高速度：常州大学安全工程研究所邢志祥3、烟气下降速度式中为烟气的体积流率（m3/s）A为天花板的面积，m2

为上升热烟气的密度，kg/m3

为顶棚热烟气的密度，kg/m3常州大学安全工程研究所邢志祥（三）火灾荷载1、火灾负荷定义：火灾范围内单位地板面积的等效可燃物的数量（kg/m2）式中

Gi某种可燃物的质量，kgHi为该可燃物单位质量的发热量，MJ/kgH0为单位质量木材的发热量，18.4MJ/kg∑Qi所有可燃物的发热量，MJA为火灾范围的地板面积，m2常州大学安全工程研究所邢志祥火灾负荷密度:火灾范围内单位地板面积的可燃物释放的热量(MJ/m2)住宅1100办公室750教室550图书室4600常州大学安全工程研究所邢志祥二、建筑火灾和烟气的蔓延

（一）建筑火灾发展过程常州大学安全工程研究所邢志祥（二）室内各发展阶段的特点

火灾初期阶段（OA）1、特点

（1）室内温度不均衡；

（2）燃烧发展不稳定；

（3）燃烧面积不大；

（4）火灾持续时间长短不定。

2、火灾初起阶段的持续时间

（1）点火源的类型

（2）起火点周围燃烧条件的影响

（3）通风条件的影响常州大学安全工程研究所邢志祥3、火灾初期阶段对防火和灭火的重要意义.

（1）最好不用或少采用可燃的建筑材料；

（2）火灾初期是人员疏散和灭火的有利时机。常州大学安全工程研究所邢志祥火灾发展阶段（AC）轰然：房间内可燃气体突然起火，房间局部燃烧转为全室燃烧。1、特点

（1）室内可燃物都在猛烈燃烧；

（2）温度直线上升，并达到最高点1100℃

（3）燃烧稳定，烧掉大量可燃物。2、火灾发展阶段对防火和灭火的重要意义

（1）注意选用耐火性能好的结构；

（2）采用控制火灾的防火分区等分隔措施；

（3）组织强大的灭火力量围追阻截。常州大学安全工程研究所邢志祥常州大学安全工程研究所邢志祥火灾熄灭阶段（C点以后）1、特点

（1）室内可燃物减少，温度开始下降；

（2）温度下降速度与火灾持续时间有关；

（3）阶段开始的温度仍为火灾最高温度，热辐射很强，对周围建筑物仍有很大威胁。

2、火灾熄灭阶段对防火和灭火的重要意义

（1）火灾熄灭阶段之初，在灭火时仍要注意堵截包围；

（2）注意建筑物发生倒塌破坏的可能，保障灭火人员的安全。

常州大学安全工程研究所邢志祥（三）烟气流动和蔓延1、着火房间内外的压力分布常州大学安全工程研究所邢志祥离地面h处压力：室内：室外：地面上室内外压差：高度h处室内外压差：顶棚上室内外压差：常州大学