1、第五章 典型火灾及烟气蔓延过程分析l5.1 建筑物火灾l5.2 森林火灾l5.3 矿井火灾Date15.1 建筑物火灾l室内可燃物的燃烧过程l室内火灾的发展过程l建筑火灾烟气流动与蔓延过程l火灾在全面发展阶段的性状Date2火源与火羽流室内可燃物着火之后，在可燃物上方形成气相火焰，这种火焰可分为三个区域，最下面的是连续火焰区，中间是间断火焰区，最上面的是无火焰热烟气区。形成的原因是火羽流与周围空气之间边界层的不稳定性造成的，这种不稳定性震动呈轴对称的涡旋结构。无火焰热烟气区由完全燃烧产物（如CO2和水）、不完全燃烧产物（如CO、气态及液态碳氢化合物、炭粒等）和卷吸的空气所组成。Date3火源与
2、火羽流Date4火源与火羽流Date5火源与火羽流Date6羽流速度与温度Date7羽流速度与温度Date8火焰长度平均火焰高度（L）即定义为火焰间歇性降至50%的高度。Date9火焰长度计算示例【例5-1】燃烧1.07m见方、排列紧密的木垛，其释热速率为2600kW。假设不存在内部燃烧情况，估算该木垛燃烧的平均火焰高度。【解】木垛的折算直径为取系数 mkW-2/5，由方程（5-4）可得：Date10几种常用的热释放速率模型t2模型CFAST软件中应用的模型*11几种常用的热释放速率模型t2模型CFAST软件中应用的模型*12几种常用的热释放速率模型t2模型CFAST软件中应用的模型*13几种
3、常用的热释放速率模型t2模型CFAST软件中应用的模型*14几种常用的热释放速率模型MRFC软件中应用的模型*15几种常用的热释放速率模型MRFC软件中应用的模型*16几种常用的热释放速率模型*17几种常用的热释放速率模型FFB应用的模型*18几种常用的热释放速率模型FFB应用的模型*19几种常用的羽流模型Zukoski模型（1）*20几种常用的羽流模型Zukoski模型（2）*21几种常用的羽流模型Thomas-Hinkley模型*22几种常用的羽流模型McCaffrey模型*23几种常用的羽流模型NFPA模型*24顶棚射流Date25顶棚射流顶棚射流：在火灾中火羽流上升撞击顶棚后，沿顶棚以
4、下水平运动的现象。可以回答为什么火灾自动报警探头和自动灭火喷头都安装在顶棚。在多数情况下顶棚射流的厚度为顶棚高度的5%12%，而在顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的1%处。这对于火灾探测器和灭火喷头的安装具有特殊意义，如果它们被安装在上述区域以外，则其实际感受到的烟气温度和速度就会低于预期值。Date26顶棚射流对应于撞击点附近烟气羽流转向的区域，在这一区域内，最大温度和流速与径向距离无关。Date27顶棚射流对应于烟气转向后水平流动的区域，在这一区域内，最大温度和流速与径向距离有关。Date28计算示例【例5-2】计算10m高顶棚下1.0MW火源正上方及与其相距5m处烟气顶棚射
5、流的最大温度。假设环境温度为20。【解】对于火源正上方对于r=5m处Date29热气层简化图Date30着火房间内人员安全逃生时间Date31室内火灾发展过程Date32室内火灾发展过程（1）初起阶段（2）全面发展阶段（3）熄灭阶段Date33初起阶段在火灾局部燃烧之后，可能会出现下列三种情况之一：（1）最初着火的可燃物燃烧完，而未蔓延至其它可燃物。尤其是初始着火的可燃物处在隔离的情况下。（2）如果通风不足，则火灾可能自行熄灭（如图中虚线所示），或受到供氧条件的支配，以很慢的燃烧速度继续燃烧。（3）如果存在足够的可燃物，而且具有良好的通风条件，则火灾迅速发展到整个房间，使房间中的所有可燃物（家
6、具、衣物、可燃装修等）卷入燃烧之中，从而使室内火灾进入到全面发展的猛烈燃烧阶段。Date34初起阶段的特点特点：火灾燃烧范围不大，火灾仅限于初始起火点附近；室内温度差别大，在燃烧区域及其附近存在高温，室内平均温度低；火灾发展速度较慢，在发展过程中，火势不稳定；火灾发展时间因点火源、可燃物性质和分布、通风条件影响长短差别很大。由初起阶段的特点可见，该阶段是灭火的最有利时机，应设法争取尽早发现火灾，把火灾及时控制消灭在起火点。为此，在建筑物内安装和配备适当数量的灭火设备，设置及时发现火灾和报警的装置是很有必要的。也是疏散的最有利时机。Date35全面发展阶段在火灾初期阶段后期，火灾范围迅速扩大，当
7、房间火灾温度达到一定值时，由于受辐射热量的作用，房间内可燃物热解、气化，积聚在房间内的可燃气体突然起火，整个房间充满了火焰，房间内所有可燃物表面部分都卷入了火灾之中，燃烧很猛烈，温度升高很快。房间内局部燃烧向全室性燃烧过渡，这种现象通常称为轰然。轰然是室内火灾最显著的特征之一，它标志着火灾全面发展阶段的开始。对于安全疏散而言，人们若在轰然之前还没有从室内逃出，则很难幸存。Date36全面发展阶段轰然发生后房间所有可燃物都在猛烈燃烧，放热速度很大，因而房间内温度升高很快，并出现持续高温，最高温度可达1100。火焰、高温烟气从房间的开口大量喷出，把火灾蔓延到建筑物的其它部分。室内高温还对建筑物构件
8、产生热作用，使建筑物构件的承载能力下降，甚至造成建筑物局部或整体倒塌破坏。Date37熄灭阶段在火灾全面发展阶段的后期，随着室内可燃物的挥发物质不断减少，以及可燃物数量的减少，火灾燃烧速度递减，温度逐渐下降。当室内平均温度降到最高温度的80%时则认为火灾进入熄灭阶段。该阶段前期，燃烧仍十分猛烈，火灾温度仍很高。针对该阶段，应注意防止建筑构件因较长时间受高温作用和灭火射水的冷却作用而出现裂缝、下沉、倾斜或倒塌破坏，确保消防人员的人身安全；并应注意防止火灾向相邻建筑蔓延。Date38着火房间内外压力分布Date39着火房间内外压力分布室内：室外：地面上室内外压差：距地面高度h：顶棚处高度H：Dat
9、e40着火房间内外压力分布在垂直地面的某一高度位置上，必将出现室内外压力为零，即室内外压力相等的情况，通过该位置的水平面称为该着火房间的中性层，令中性层离地面的高度为h1，则火灾时：Date41着火房间内外压力分布火灾时：中性层以下：中性层以上：Date42着火房间内外压力分布在中性层以下，室外空气的压力总高于着火房间内气体的压力，空气将从室外流入室内；在中性层以上，着火房间内气体的压力总高于室外空气的压力，烟气将从室内排至室外。Date43着火房间门窗开启时的气流状况Date44着火房间门窗开启时的气流状况在中性层以上距中性层垂直距离h处，室内外压力差为：通过该微元面积 向外排出的气体质量流
10、量为： 为窗孔的流量系数，可取为薄壁开口的值Date45着火房间门窗开启时的气流状况从窗孔中性层至上缘之间的开口面积中排出的气体总质量流量为：Date46着火房间门窗开启时的气流状况假设着火房间除了开启的窗孔与大气相通外，其余各处密封均较好，则由于流量连续，可近似地认为：Date47着火房间门窗开启时的气流状况窗孔上下缘处的室内外压力差最大，其绝对值分别为：Date48计算示例【例5-3】着火房间与走廊之间的门洞尺寸为m2，若着火房间烟气平均温度为800，走廊内空气温度为30，当门敞开时，试求从着火房间流到走廊中的烟气量和由走廊流入房间中的空气量。Date49计算示例Date50计算示例Dat
11、e51Date52Date53Cross Section of Garley BuildingSupermarketDepartment StoreVarious trades and businessHoardingsLift ShaftsDate54Lift Lobbies and Shafts 2342/F1/FG/F1ScaffoldingDate55Renovation Works12342/F1/FG/FHoardingLift ShaftsDate56Cross Section of Garley BuildingWeldingWorksat 15/FHoardingDate57
12、Fire Spread to TopDate58烟囱内外压力分布Date59仅顶部开口时Date60顶底部均有开口Date61Date62计算示例对于一栋60m高的建筑，中性层面高度居中，内外温度分别21和-18，则求得烟囱内外产生的最大压差约为54Pa，这意味着建筑物顶部竖井内部的压力比外界高54Pa，而底部比外界压力低54Pa。Date63正、反向烟囱效应作用下的气流状况Date64正向烟囱效应当建筑物内部气温高于室外空气温度时，由于浮力的作用，在建筑物的各种竖直通道中，如楼梯间、电梯间、管道井等，往往存在着一股上升气流，这种现象称为正向烟囱效应。当建筑物内外温差较大或者建筑物的高度较高时
13、，正向烟囱效应是较大的。当然，正向烟囱效应也存在于单层的建筑物中。Date65反向烟囱效应当建筑物内部的气温低于外界空气温度时，在建筑物的各种竖井通道中，则往往存在着一股下降气流，这种现象称为反向烟囱效应。一般反向烟囱效应发生在夏季，这时反向烟囱效应是较明显的。在一些特别严密的建筑物中，当竖井靠墙外布置，而外界气温又较低时，可能出现靠外墙布置的竖井中的气温低于建筑物内部其它部位的气温的情况，这时竖井中也会出现下降的气流。Date66正向烟囱效应对火灾烟气流动的影响Date67正向烟囱效应的作用如果火灾发生在中性层之下，烟气将随建筑物中的空气流入竖井。烟气进入竖井后使井内气温升高，产生的浮力作用
14、增大，竖井内上升气流加强。当烟气在竖井内上升到达中性层以上时，烟气流出竖井进入建筑物上部各楼层。如果楼层上下之间无渗漏状况时，在中性层以下楼层中，除着火房间外，将不存在烟气；如果楼层上下之间存在渗漏，着火房间产生的烟气将向上渗漏，在中性层以下楼层进烟后，烟气将随空气流入竖井向上流动；在中性层以上楼层进烟后，烟气将随空气排出室外。Date68正向烟囱效应的作用如果火灾发生在中性层之上，着火房间的烟气将随着建筑物的气流通过外墙开口排至室外。当楼层上下之间无渗漏状况时，除着火楼层之外，其余楼层将不存在烟气。但在楼层上下之间存在渗漏状况时，着火层产生的烟气将渗漏到其上部楼层中去，然后随气流通过各楼层的
15、外墙开口排至室外。Date69反向烟囱效应对火灾烟气流动的影响Date70反向烟囱效应的作用如果火灾发生在中性层之上，且烟气温度较低时，烟气将随建筑物中的空气流入竖井。烟气进入竖井后虽然使井内气温有所升高，但仍然低于外界空气温度，竖井中气流方向向下，烟气被带到中性层以下，然后随气流流入各楼层中。如果建筑物楼层上下无渗漏时，除着火层之外，中性层以上各楼层均无烟气侵入；但如果楼层上下之间存在有渗漏时，着火层中所产生的烟气将向上部楼层渗漏，然后随空气流入竖井。Date71反向烟囱效应的作用如果火灾产生的烟气温度较高，烟气进入竖井后导致井内气温高于室外气温，这时，一般条件下的反向烟囱效应转变为火灾条件
16、下的正向烟囱效应，烟气在竖井内反向向上流动。Date72反向烟囱效应的作用如果火灾发生在中性层以下，且烟气温度较低时，着火层中的烟气将随空气排至室外。当楼层上下之间无渗漏时，除着火层外，其余楼层均无烟气侵入；而当楼层上下之间存在渗漏时，着火层中产生的烟气可能渗透到其上部楼层中，并随空气排至室外。同样，如果火灾产生的烟气温度较高时，也可能导致转变为正向烟囱效应。Date73火灾的蔓延方式l火焰接触l延烧l导热l热辐射l热对流Date74火灾蔓延的途径l内墙门l楼板的孔洞和各种竖井管道l房间隔墙l穿越楼板、墙壁的管线和缝隙l闷顶l外墙窗口Date75火灾房间窗口冒出的火焰高度窗高1.5m1.54.
17、8m1.52.5m1.51.5mDate76火灾房间窗口冒出的火焰高度窗高2m24.6m23.4m22mDate77火灾负荷定义：把火灾范围内单位地板面积的等效可燃物的数量定义为火灾负荷，单位为kg/m2。Date78火灾负荷密度定义：把房间内所有可燃物完全燃烧时所产生的总热量与房间特征参考面积之比定义为火灾负荷密度。房间的特征参考面积可采用地板面积或室内总面积。采用地板面积表示的火灾负荷密度表达式为： （MJ/ m2）Date79通风因子与燃烧方式通风因子指 的是组合参数，其中 为通风口的面积， 为通风口的自身高度。通风因子较小时，火灾室内与室外的通风不好，对燃烧来讲表现为供氧不足，因此燃烧
18、方式为通风控制。当通风因子足够大时，火灾室内与室外通风自由，室内燃烧与开放空间已无本质差别，此时燃烧方式为燃料表面积控制。Date80通风因子与燃烧方式通风控制的燃烧方式燃料表面控制的燃烧方式Date81室内燃烧速率与燃烧方式的关系Date82通风位置高度对室内燃烧的影响Date83通风因子与通风口位置高度对燃烧状态的影响Date845.2 森林火灾l火灾环境 可燃物、地形条件、气象因数l火灾蔓延Date85可燃物森林火灾的可燃物通常分为活可燃物和死可燃物两种。活可燃物包括草和林木可燃物，其中林木可燃物只计算直径6mm以下的枝条和树枝。死可燃物按最初含水量减去平衡含水量之差的63%所需的时间分
19、成三级：第一级（1小时的时滞）包括直径6mm以下的枝条和表层地被物；第二级（10小时的时滞）包括直径625mm的以下的枝条和直径20mm以下的死地被物；第三级（100小时的时滞）包括直径2575mm的林木和20100mm的死地被物。Date86可燃物可燃物从空间位置来看，可分为三层：下层为草和地被物等，地表火灾在森林火灾中占有很大的比重，也是形成森林火灾的主要起因。实际中的地表火又有草原地表火和森林地表火之分，森林地表火的空间受树和树冠的限制，燃烧时可认为是在半开放空间内进行的。中层树的燃烧具有木杆的燃烧特点。上层是树冠的燃烧，它相当于一个燃料总量很大，堆积密度较小的大型燃料床。由于此时燃烧完
20、全处于开放空间，所以与其它火灾环境因素的关系更加密切。Date87地形地形的问题主要涉及到坡度、含水量、水流与水塘等因素。其中坡度的影响可简化为下端着火向上方蔓延，或上端着火向下方蔓延等各种情况。含水量主要影响燃烧速度。Date88地形水流和水塘的影响是独特的，由于水量很大时，热容很大，而水的导热系数比土壤大很多，所以在火灾区的水面上方温度较低，相应的空气密度较大。由于空气密度的差别必然引起空气的流动，而流动的方向必然是从高密度处流向低密度处，高密度处的空气是新鲜空气，流向低密度处的效果等于向火灾区加强了供氧，因此导致火灾强度的增加。所以火灾区的水面，特别是大型水面，都相当于一条供氧通道，对火
21、灾的发展十分有利。Date89气象因素气象因素主要涉及到风的大小和方向，风刮到火灾区的时间，有无降水现象，以及降水量的多少。风主要涉及燃烧过程的供氧，降水主要涉及燃烧过程的散热。Date90火灾蔓延森林呈花斑状蔓延；形成火旋风和飞火；无飞火时火灾的蔓延速度一般不超过10m/min，有飞火时火灾的蔓延速度可超过10m/min，甚至达到100m/min或更大。Date91地表森林火灾的火区形状Date925.3 矿井火灾l矿井火灾燃烧与蔓延 富氧燃烧和富燃料燃烧 巷道火灾火源分带 富燃料火灾的危险性 矿井火灾的燃烧产物l矿井火灾对风流流动状态的影响 矿井火灾产生的风流紊乱现象 风流紊乱现象的危害
22、不同巷道发生火灾对风流状态的影响Date93富氧燃烧富氧燃烧具有与地面火灾相似的燃烧和蔓延机理，火源燃烧产生的挥发分气体在燃烧中已基本耗尽，无多余炽热挥发性气体与主风流汇合预热下风侧更大范围内的可燃物。燃烧产生的火焰以热对流和热辐射的形式加热临近可燃物至燃点，保持燃烧的持续和发展。其火源范围小，火势强度小，蔓延速度低，耗氧量少，致使相当数量的氧剩余。下风侧氧浓度一般保持在15%（体积浓度）以上。Date94富燃料燃烧富燃料燃烧火势大、温度高，火源产生大量挥发性气体，不仅供给燃烧带消耗，还能与高温火源加热的主风流汇合形成炽热烟流预热火源下风侧较大范围的可燃物，使其继续生成大量挥发性气体；另一方面
23、，燃烧位置的火焰通过热对流和热辐射加热紧邻可燃物使其升温至燃点。由于保持燃烧的两种因素持续存在和发展，此类燃烧在更大的范围内进行，并以更大的速度蔓延致使主风流中氧气几乎全部耗尽，剩余氧浓度低于2%。所以，此类火灾蔓延受限于主风流供氧量。Date95富燃料类火灾火源分带（1）冷却带。火源燃烧已掠过该带，火焰已熄灭。仅存在受迫对流传热，无氧化反应发生，巷道壁温度下降但仍高于风流温度，会使流经该带的风流温度缓慢上升，风流的氧浓度不变且不含碳化物。（2）焦化带。可燃物的高温焦化残余产物焦炭与风流中的氧发生氧化反应，继续燃烧，属表面燃烧形式。流经该带的风温上升，碳化物浓度增长，氧浓度开始减少。Date9
24、6富燃料类火灾火源分带（3）高温热解带。分为燃烧和剩余燃料两个分带。在燃烧分带，可燃物热解生成的挥发性可燃气体在风流中燃烧，烟流温度达到最高值，碳化物浓度继续增高，烟流中氧浓度几乎降到零。因氧气缺乏燃烧停止，部分炽热挥发分气体剩余，流向下风侧，该分带燃烧属于热解燃烧。在剩余燃料分带，高温挥发性气体与燃烧产生的热共同作用加热该分带可燃物，使其热解生成大量挥发性气体，并混合于烟流中顺风流动。在该分带热解过程吸热，氧化放热反应停止，温度开始下降，氧浓度接近零。Date97富燃料类火灾火源分带（4）预热带。含有挥发性气体的高温烟流向巷道壁和可燃物散热，温度继续下降，同时烘干、预热下风侧巷道壁和可燃物，
25、为火源蔓延创造条件。该带的传热过程以对流传热为主，在接近高温热解带的区域也存在热辐射现象。Date98富燃料类火灾火源分带示意图Date99富氧类火灾火源分带此类火灾在冷却带和焦化带与富燃料类火灾相似，只因为火势较小，焦化带氧浓度降低较少。在燃烧带，由于富氧燃烧时温度较低，分解的挥发性气体的量较少，故全部在该带燃烧中耗尽，无显著高温热解带，也不存在剩余燃料带。在燃烧带中风流氧浓度的减少远小于富燃料类火灾，风流温度和碳化物浓度也低于富燃料类火灾。Date100富氧类火灾火源分带示意图Date101富燃料类火灾火灾危险性示意图Date102矿井火灾引起的风流紊乱示意图Date103上行风流火灾时风量和风压变化Date104下行风流火灾时风量和风压变化Date105
