热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延.ppt

1、第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,建筑物起火燃烧后，热量向四周传递，如果临近建筑物获得的热量达到某一个临界值，就可以点燃可燃物，引起火灾在建筑物间蔓延。由于热烟气具有向上蔓延的特点，所以因热对流造成临近建筑物起火的可能性较小，引起建筑间火灾蔓延的主要途径是火灾产生的热辐射。 实验发现当木屋之间的距离小于1m时，很容易蔓延；而当木屋间距大于起火建筑物高度的2.53.0倍时，蔓延的可能性很小。实验测定木屋建筑物的安全距离如表4-5所列；表面涂抹16.5mm厚砂浆建筑物的安全距离如表4-6所列。 表4-5 木屋因辐射起火的安全距离,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火

2、 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,表4-6 起火建筑物状况对安全距离的影响,火灾能否在建筑物间蔓延与起火建筑通过窗口向外的辐射热量有很大关系。木屋燃烧过程产生的热量等于已烧掉可燃物质量与木材低热值的乘积，烧掉可燃物质量等于可燃物总质量与火灾熄灭后残渣质量之差。为便于比较，通常采用单位面积释放的热量来表示木屋燃烧过程产生热量的多少。木屋单位面积释放的热量约为340500kcal/m2。需要指出的是，在起火燃烧的过程中始终存在热辐射，且燃烧越猛烈，热辐射越强。 在起火建筑物对面设置竖向墙板可测得通过窗口向外的热辐射强度。经计算，测得的总辐射热

3、量大约仅占燃烧总热量的2.93.7%；砖混结构建筑起火，由窗口向外辐射的热量，远小于木屋火灾，大约为总发热量的1.8%左右。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量* 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,木材表面受辐射热作用，温度逐渐升高，直到发火自燃。 (一) 木材受辐射热作用起火的经过 实验发现，当建筑物起火之后，其对面带屋檐的木墙板接受到辐射热，表面放出白烟，从木墙板的屋檐下呈旋涡状流出。随木墙板接受的热量增多，热解产生的烟气量逐渐增多。大部分热量被试件的上部接受，

4、随后在某一位置出现一些受辐射热最大的点，称为M点。此后，白烟减少（可能是水分蒸发完了），炭化加快，发出劈啪的爆裂声。当M点的温度超过200oC以后，板上出现赤热点，并迅速进入无焰燃烧，且无焰燃烧多数先在木节的周围及板的锯口等处发生。 在无焰燃烧的情况下，若用明火（如用烧着的引火纸），只要接触0.30.5s，墙板便可被点燃。如果无明火，无焰燃烧仍将继续下去，不会很快发火，燃烧面积在表面逐渐扩大，且向纵深发展致使木板内部也呈无焰燃烧状态。当表面的温度达到400500oC时，即使没有明火引燃，试件也可起火自燃。试件一旦起火燃烧，整个墙面在13s内将完全起火燃烧，并导致内部也发生燃烧。,一、起火建筑物

5、由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,实验发现，当有微风（风速小于2m/s）时，墙面的升温速度明显减小。试件从无焰燃烧到起火自燃所经历的时间也明显延长。 实验还发现，相对于材料断面的大小而言，建筑材料表面所接受的热辐射强度对材料起火难易的作用更显著。材料表面接受的辐射强度越大，起火所需时间就越短。例如，当木板一面受到热辐射时，受热区域的温度与木板的厚度无关。材料是否能被点燃主要取决于材料性质、辐射强度和辐射持续时间。 木材表面热解可燃气的释放速度

6、与热辐射强度有关。若辐射强度达到某一临界值，热解可燃气与空气混合后的浓度足够大，气体温度足够高，气体将被点燃。 (二) 木材表面温升与辐射强度的关系 不同热辐射强度条件下可燃材料表面温度与时间的关系如图4-35所示。图中、 和分别表示实验结果、材料处于无焰燃烧状态和材料起火自燃。在曲线A中，木材表面受的辐射强度约为1423104J/m2s；在曲线B和曲线C中，这一辐射强度分别约为1012104J/m2s和510104J/m2s。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节

7、 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,实验发现，同一辐射强度下，木材新旧程度对起火时间有很大影响。旧木材比新木材更易起火。旧木材到达无焰燃烧温度时间仅为同类型新木材1/21/3，而旧木材无焰燃烧温度比新木材约低20oC。 图4-35 不同辐射强度下木材表面温升与时间 (三) 点燃材料的临界辐射强度 当材料接受辐射后，其表面温度升高，同时热量也将以热传导的形式由表面向内部传导。辐射强度越高，材料升温速度和材料起火速度越快。木材点燃时间和热辐射强度的关系曲线如图4-36所示。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐

8、射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,图4-36 木材点燃时间与热辐射强度关系曲线 实验所用惰性材料纤维板表面起火的自燃温度是525oC，表面的点燃温度是350oC。当辐射强度确定之后，就可估计表面温度升到燃点所需要的时间。显然表面温度是热辐射强度、照射时间、材料表面热量损失以及材料热性能参数的函数。 当辐射热低于某一入射强度，材料表面温度则不可能达到燃点，因而不可能被点燃。在一定条件下，若某种材料经某一热辐射强度照射无限长时间后刚好能被点燃，这一热辐射强度值就定义为此材料在此条件下的临界辐射强度。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热

9、 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,临界辐射强度可根据实测若干辐射强度下的点燃时间，通过作图求得。实际上，点燃材料所需的最小强度总是稍高于临界强度，原因在于材料热解可燃气的释放是不连续的。常见材料的临界辐射强度如表4-7所列。 表4-7 常见材料的临界辐射强度,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,注：引燃意指除明火外的小

10、型点火源等引燃材料表面的着火方式。,根据斯蒂芬波尔兹曼定律，绝对温度为T的物体单位时间发射的能量为： (4-80) 式中，为辐射率，起火建筑物可接近黑体，计算过程中可视为常数；F为发射表面积。 从辐射体表面微元dF1到被辐射物体表面微元dF2的热通量为： (4-81) 式中，r为dF1和dF2的间距；1和2为射线与微元面法线的夹角。 若发射面为垂直的矩形平面，将上式对F1上积分，则求得dF2接受的发射表面F1的热通量。 (4-82),一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第

11、八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,式中， 上式中x、y、z为坐标；、为被辐射微元法线与x、y、z坐标轴间的夹角。 式（4-82）也可以写成： (4-83),一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,或 (4-84) 式中，就是相对位置系数；Q12/dF2是受辐射体接受的辐射强度；T4是从辐射物体表面发射出来的辐射强度。由此可见，相对位置系数是接受体获得热辐射强度和发射表面发射强度之比。因此，如果起火建筑物的辐射强度和被照射建筑物允

12、许最大的辐射强度，就可依据上式求出最大的允许相对位置系数。 通常的热辐射总是由建筑物的窗口射出来，故而被照射体接收到的辐射强度也随建筑物窗口面积而变化。窗口面积的辐射强度通常用起火建筑物发出的热通量乘以系数P的形式来表示。而系数P，等于窗口面积与建筑物相对立面面积之比。这样，被照射物体获得的热通量可写成： (4-85) 相对位置系数的近似公式推导如下：,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,当被照射物体的单元dF2平行于发射面，且位

13、于发射面中心线上时，依据以上公式，微元面dF2获得的热通量Q12可简化为： (4-86) 式中，h为辐射平面高度；b为辐射平面宽度；d为受辐射微元体与辐射表面间距离。 由式（4-84）得： (4-87) 式中，B=d/(hb)1/2，S=h/b或b/h中较大的数值。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,实际上，当B接近0时，式（4-87）可简化为： (4-88) 其中，q=R/P；R=(S+1/S)/2，当q小于0.15时，与精确

14、的方程式一致。 当S趋于无限大时，方程式也可进一步简化为： (4-89) 当q值大于3.6时，与精确的方程式一致。 当q大于0.75，但小于3.6时，相应的经验公式为： (4-90) 公式表明，当/P0.4时，计算所得间距与精确解偏差很小。例如一起火建筑b=60m，h=3m，间距d=10m，利用式（4-84）可得=0.1464。如果利用近似公式反求安全间距d=10.23m，偏差很小。主要原因在于，当/P0.4时，计算得到的间距本身较小，与精确数值相比，仅仅相差很小的距离，一般在1.5m以下。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置

15、系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,计算火灾中受辐射物体的安全距离，必须知道受辐射物体被点燃的临界辐射强度和起火建筑物的最大辐射强度。各种材料受热被点燃的临界辐射强度差别较大，在建筑物中，经常采用木质或类似木质的可燃构件、装修材料和家具等，因此木材是建筑物中的主要火灾荷灾。世界各国都特别注意对木材火灾的研究。工业发达国家把12.6Kw/m2作为木材点燃的临界辐射强度。在这一辐射强度下烘烤20min，无论是在室内还是在室外，火场飞散的火星足以引起新的起火点。 起火建筑物发射的最大辐射强度取决于火灾的最高温度，而火灾的最高温度是随火灾

16、荷重、建筑面积、墙体材料热性能和窗口大小而不断变化。 建筑物内的可燃物不仅种类繁多，而且燃烧发热量也不同。为了研究方便，一般将实际存在的可燃物重量换算成等同发热量的木材重量，定义为等效可燃物量。单位面积上的等效可燃物量称为火灾荷载。 (4-91),一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定*,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,式中q为火灾荷载，kg/m2；Gl为各可燃物重量，kg；Hl为可燃物燃烧热，kJ/kg；Ho为木材单位发热量，一般取1.8837104，kJ/kg；Q

17、l为火灾分区内可燃物总发热量，kJ。 利用公式（4-91）可计算室内火灾荷载，在此基础上可计算出火灾持续时间，即： (4-92) 式中，AF为火灾分区地板面积，m2； 需要指出的是，火灾持续时间一般是指在所研究的燃烧区域内从火灾形成到火灾衰减所持续的总时间。而从建筑耐火性能研究的角度看，火灾持续时间是指火灾区间轰燃后经历的时间。求出火灾持续时间后，可根据标准火灾升温曲线公式计算火灾最高温度，进而求出最大辐射强度。 有了被照射的表面临界强度和起火建筑物正立面最大的辐射强度，便可用下式推导出最大安全位置系数或临界相对位置系数。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐

18、射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定*,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,(4-93) 式中，crit为整个正立面都产生辐射时临界相对位置系数；crit为正立面的一部分产生辐射时临界相对位置系数；Icrit为受辐射物体表面相对临界辐射强度；Imax为正立面最大辐射强度。 求得临界相对位置系数以后，便可得到受照射物体相对的安全位置。 由火场发射的最大辐射强度可根据下式计算得到： (4-94) 式中，Tmax为火场最高温度。 临界相对位置系数可根据如下公式求得： (4-95) 确定了临界相对位置系数以后，被照射物体的安全位置可用以下几种方法确定。,一、起火建筑物由窗 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定*,小节名,第八节 热辐射造成的火灾在建筑物间的蔓延,(一) 利用近似公式确定安全位置 若被辐射物体的受辐射面与起火建筑物的立面平行，其安全距离可用前面给出的近似公式得到。这时，需要首先先计算R和q。 (4-96) 式中，h为起火建筑辐射