消防燃燒學(xué)課件47

1、第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延 火災(zāi)蔓延的本質(zhì)是熱量在建筑物內(nèi)傳播的結(jié)果。火災(zāi)中熱量主要以熱對流、熱輻射、熱傳導(dǎo)和飛火等形式傳播。在實際火災(zāi)中各種熱傳播形式常常同時出現(xiàn)，但又以某一種或某幾種傳播形式為主?；馂?zāi)在室內(nèi)和室外、在起火房間內(nèi)部和在起火房間外部（如走廊等）及在不同建筑群之間的蔓延情況大不相同。一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延1 (一) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式 火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式與起火位置、可燃物數(shù)量和分布及建筑材料燃燒性能有很大關(guān)系。常見的蔓延形式主要有以下幾類： 1、延燒 即

2、可燃物表面起火后，由于導(dǎo)熱作用使燃燒沿表面連續(xù)不斷地向外發(fā)展下去的火災(zāi)蔓延形式。延燒是初期火災(zāi)蔓延的主要形式。 2、火焰直接點燃 即起火點的火焰直接點燃周圍可燃物。這種火災(zāi)蔓延形式多在可燃物相距較近的情況下出現(xiàn)。 3、導(dǎo)熱 主要是指由于金屬管道或其他金屬容器的導(dǎo)熱作用，將熱量由墻、樓板、管壁的一側(cè)傳到另一側(cè)引燃可燃物，使火災(zāi)在建筑物內(nèi)部迅速蔓延的現(xiàn)象。 4、熱輻射一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑*二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延2 當(dāng)起火點距離可燃物較遠，火焰無法直接接觸可燃物，中間又沒有

3、導(dǎo)熱媒介時，火焰的熱輻射作用是引起火災(zāi)蔓延的主要形式?；鹧娴臒彷椛浜涂梢姽饩€、X射線和無線電波樣，可以看作是各種波長的電磁波，其中處于紅外區(qū)110m波段的電磁輻射與火災(zāi)的關(guān)系最為密切。 5、熱對流 房間內(nèi)的高溫?zé)釤煔饷芏缺壤淇諝饷芏刃。捎诟×ψ饔脽釤煔鈱⑾蝽敳苛鲃?，?jīng)窗口上部流出，而室外的新鮮冷空氣將由窗口下部流入室內(nèi)燃燒區(qū)，形成熱對流。熱對流不但可以源源不斷地供給新鮮氧氣，使燃燒得以維持，而且熱煙氣的高溫作用使火災(zāi)在建筑物內(nèi)能夠迅速蔓延。 (二) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的途徑 研究火災(zāi)蔓延途徑對開展滅火戰(zhàn)斗具有很強的指導(dǎo)作用，從實際的滅火經(jīng)驗來看建筑物內(nèi)的火災(zāi)蔓延主要包括以下幾個途徑：一、火災(zāi)

4、在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑*二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延3 1、樓板孔洞 因為火勢易于向上蔓延，所以樓板上的開口（如廠房內(nèi)設(shè)備吊裝孔、樓梯間、電梯井、管道井等）都是火災(zāi)蔓延的良好通道。通常條件下，熱煙氣垂直流速約為23m/s。因此火災(zāi)向上蔓延的速度很快。 2、內(nèi)墻門 盡管最初火災(zāi)只發(fā)生在一個房間內(nèi)，但是當(dāng)內(nèi)墻門被燒穿之后，火災(zāi)將最終蔓延到整個建筑物。即使建筑物的走廊內(nèi)沒有任何可燃物，強大的熱對流和高溫?zé)釤煔馊钥墒谷紵印?3、悶頂 建筑物的悶頂空間一般都很大，普遍采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，加上不設(shè)

5、防火分隔，通風(fēng)良好，熱煙氣很容易通過悶頂迅速蔓延，而且熱煙氣在悶頂中的蔓延一般又不容易被及時發(fā)現(xiàn)，危害更大。 4、通風(fēng)管道 可燃材料制作的管道，在起火時能把燃燒擴散到通風(fēng)管的任何一點，它是使火災(zāi)蔓延擴大的重要途徑，也火災(zāi)蔓延最為便利的條件。一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑*二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延4 (一) 熱煙氣對火災(zāi)蔓延的作用 室內(nèi)起火點熱煙氣的溫度很高，木屋火災(zāi)溫度一般為11001300，最高可達1340。即使在不燃建筑室內(nèi)，火災(zāi)溫度也在800以上。高溫?zé)釤煔庋刈呃?、樓梯蔓?/p>

6、過程中不斷向環(huán)境散熱，使可燃物升溫自燃。因為木材的自燃點在400500之間，所以溫度在500以上熱煙氣的所到之處，可燃物都有被引燃的危險。特別在密閉建筑物內(nèi)，高溫?zé)釤煔庵泻写罅緾O等不完全燃燒的產(chǎn)物，當(dāng)蔓延到走廊盡頭和的新鮮空氣相遇時，還會產(chǎn)生爆燃，從而使建筑物內(nèi)的可燃物全面起火。對室內(nèi)火災(zāi)而言，人們比較關(guān)心的是熱煙氣可能蔓延的危險距離。 熱煙氣在由起火房間通過走廊向外蔓延的過程中，熱量將不斷被四壁吸收，溫度逐漸下降。假設(shè)起火房間門口處的溫升為To，距房間X處走廊的壁面溫升為T，走廊斷面的周長為p，則單位時間內(nèi)距離dx上壁面吸收的熱量dQ為： (4-61)一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二

7、、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用*三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延5式中，K為傳熱系數(shù)，可按下式計算： (4-62)式中，V為熱煙氣流速，m/s；K為常數(shù)，通常取1.73kcal/(m2h)。 假設(shè)壁面吸收的熱量等于熱煙氣帶出的熱量，即：(4-63)式中，G為熱煙氣流量，kg/s；dT為dX距離內(nèi)溫降，oC；CP為空氣比熱，一般取0.24kcal/(kg)。 由此(4-64) 積分可得：(4-65)(4-66)一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用*三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通

8、過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延6 熱煙氣溫度降低到500以下，火災(zāi)蔓延的危險已經(jīng)很小，所以熱對流可能蔓延的最遠距離為：(4-67) 由上式可知，熱煙氣流量G越大，熱對流造成的火災(zāi)蔓延距離就越遠。對于特定建筑來講，煙流量的大小取決于煙流速的高低。理論計算和實驗結(jié)果表明，在高3m、寬2m的走廊內(nèi)，起火房間門口溫度為1000，當(dāng)熱煙氣流速為0.8m/s時，它由起火房間流出后，經(jīng)過81m以后溫度將降到500oC以下，蔓延的最遠距離為81m；當(dāng)熱煙氣流速為0.3m/s時，可能蔓延的最遠距離降低為37m左右。可見熱煙氣流速越大，蔓延距離越遠。 因此，控制火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延，首先是

9、要控制火災(zāi)熱煙氣的流速，特別是在高層建筑物內(nèi)，應(yīng)盡可能減少進入走廊或樓梯間內(nèi)的煙量。 (二) 火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用 一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用*三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延7 熱是產(chǎn)生空氣對流的根本原因?？諝馐軣嵋院螅诮ㄖ飪?nèi)能夠形成兩種壓力，一種是在起火房間內(nèi)，由于溫度上升，氣體迅速膨脹，對樓板和四壁形成的壓力，叫火風(fēng)壓；另一種，則是建筑物內(nèi)始終存在的煙囪效應(yīng)的作用。 1、火風(fēng)壓 室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，產(chǎn)生的火風(fēng)壓可能使屋頂發(fā)生位移，或在墻體上產(chǎn)生裂縫。在實際滅火過程中

10、，總會出現(xiàn)水槍手很難推開起火房間門的情況，這就是由于火風(fēng)壓產(chǎn)生的壓力將房門頂上的緣故。火風(fēng)壓的大小與火災(zāi)溫度和室內(nèi)通風(fēng)條件有關(guān)。假定起火前室內(nèi)溫度為27oC，起火后上升到1000oC，由查理定律可知，在體積不變時，氣體的壓力與熱力學(xué)溫度成正比，計算可知室內(nèi)氣體將產(chǎn)生約為4.57atm的壓力。這個壓力會對房間四壁、樓板及吊頂?shù)犬a(chǎn)生很大的作用力，甚至使屋頂上移或使墻體產(chǎn)生裂縫。 火風(fēng)壓對火災(zāi)蔓延的作用主要表現(xiàn)在使起火房間內(nèi)部壓力升高，加快熱煙氣的蔓延速度。一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用*三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名

11、第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延8 2、煙囪效應(yīng) 所謂煙囪效應(yīng)是指在垂直的圍護物中，由于氣體對流，促使煙塵和熱氣流向上流動的效應(yīng)。在第二章已經(jīng)詳細討論了煙囪效應(yīng)形成的原因、建筑物高度和內(nèi)外溫差對煙囪效應(yīng)的影響等。 建筑物發(fā)生火災(zāi)后，熱煙氣在煙囪效應(yīng)作用下很容易通過電梯井、樓梯等通道向上蔓延。實測數(shù)據(jù)表明，在一般建筑物內(nèi)，火災(zāi)煙氣的垂直流動速度約為24m/s。近年來新建的中庭建筑，火災(zāi)中熱煙氣向上蔓延的速度更快，因此針對中庭建筑火災(zāi)煙氣流動規(guī)律及煙氣控制的研究已引起了人們的普遍關(guān)注。一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用*三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過

12、外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延9 (一) 煙的上升和下降速度 熱煙氣上升是因其密度比冷空氣輕。建筑物內(nèi)熱煙氣浮力產(chǎn)生的速度壓可近似計算為： (4-68) 由上式可求得建筑物上部的氣流速度約為： (4-69) 而在實際防火設(shè)計中，人們更關(guān)心靠近燃燒區(qū)熱煙氣的上升速度。研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，上升熱氣流中心的流速符合以下公式：(4-70)式中，為燃燒區(qū)中心處氣流上升速度；g為重力加速度；Q為燃燒熱；f為熱氣流密度；Cf為熱氣流比熱；T0為環(huán)境溫度；r0為燃燒區(qū)半徑；n為燃燒區(qū)長寬比。 因此，燃燒區(qū)上升氣流的質(zhì)量速度可表示為：(4-71)一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、

13、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律*四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延10式中，為氣流速度平均化系數(shù)，f為熱氣流密度；為燃燒區(qū)中心處氣流上升速度；r為上升氣流半徑。 若起火房間面積為A，室內(nèi)高度為H，煙層與地面的距離為Z，則煙氣層的下降速度可表示為：(4-72)式中，s為煙密度。 (二) 煙在建筑物內(nèi)的流動和擴散 煙在單層或多層建筑物內(nèi)蔓延時，首先沖上屋頂，逐漸充滿門窗以上的空間。然后越過門窗過梁或屋架梁，流到走廊，進入其他敞開屋門的房間，或呈水平方向漫流。此時，煙氣的流動方向和速度在很大程度上受外界風(fēng)力的影響。如圖4-31所示。

14、圖4-31 煙在單層建筑物內(nèi)蔓延的示意圖一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律*四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延11 煙在多層建筑物內(nèi)流動要受到兩側(cè)敞開樓梯間氣流的影響。如圖4-32所示，樓梯間的對流通風(fēng)將加速煙氣的蔓延。圖4-32 煙在樓梯間蔓延的示意圖 (三) 煙在高層建筑物內(nèi)的流動 理論推測和實際測定發(fā)現(xiàn)，與低層建筑不同的是，在高層建筑中，并非每個窗口都同時進氣和排氣。這是因為高層建筑的中性面不在窗口，而集中于建筑物的腰部。在風(fēng)力作用下，高層建筑內(nèi)中性面以下的上風(fēng)側(cè)的窗口為進氣口，中性面以

15、上的窗口則為排煙口。一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律*四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延12也就是說，低層建筑窗口上風(fēng)壓的中性層不見了，而整個高層建筑成了一個低層建筑的大窗口。 高層建筑物中煙氣的流動情況如圖4-33所示。在底層地面進風(fēng)的壓力最大，排煙的壓力幾乎等于零；相反，在頂部進風(fēng)的壓力等于零，而排氣的壓力達到最大。當(dāng)把各層進風(fēng)和排氣的作用相加，便可看出高層建筑中，下面各層窗口只進風(fēng)，而不排氣；上面各層的窗口只排氣，而不進風(fēng)。這并非意味著下層房間不排氣，上層房間不進風(fēng)，只不過排氣進風(fēng)都由

16、建筑物內(nèi)部通道（如樓梯間、電梯井等）實現(xiàn)而已。因此，高層建筑物一旦發(fā)生火災(zāi)，熱煙氣和火焰經(jīng)由建筑物內(nèi)部通道迅速向上蔓延，很快發(fā)展為立體火災(zāi)。圖4-33 高層建筑內(nèi)煙氣流動的示意圖一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律*四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延13 多數(shù)情況下建筑物內(nèi)的溫度大于室外溫度，由于煙囪效應(yīng)，室內(nèi)煙氣總的方向是自下而上。若起火層位于建筑物的下部，并且火風(fēng)壓大于進風(fēng)口處壓力時，大量的熱煙氣將竄出窗口向上蔓延（圖1-34a所示）。而當(dāng)火風(fēng)壓小于進風(fēng)口的壓力時，熱煙氣則只能從建筑物內(nèi)部的

17、通道向上蔓延。起火層的位置越低，受煙氣影響的層數(shù)越多（圖1-34b所示）。相反，當(dāng)起火層位于建筑物的上部時，火風(fēng)壓與煙囪效應(yīng)迭加的抽拔力將加速空氣從底部向上蔓延，使起火區(qū)的火勢更加猛烈（圖1-34c所示）。圖4-34 起火位置對煙氣流動的影響一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律*四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延14 室內(nèi)起火后，火焰經(jīng)常竄出窗口從而對周圍建筑物產(chǎn)生嚴重的威脅。高溫火焰可引燃墻體外飾可燃材料或通過上層開啟的窗口點燃室內(nèi)可燃物使火災(zāi)向上一層蔓延?；鹧婺芊裢ㄟ^外墻窗口向上蔓延主要取決

18、于從窗口釋放熱量的高低和噴出火焰的長短。 (一) 窗口的放熱速度 假設(shè)室內(nèi)可燃物的燃燒速度為R，1kg可燃物燃燒生成燃燒產(chǎn)物的體積為G0，則單位時間內(nèi)產(chǎn)生熱煙氣的體積為G0R。設(shè)煙氣比熱為Cp，煙氣與周圍環(huán)境溫差為Tr，則單位時間內(nèi)從窗口放出的熱量為：(4-73) 在完全燃燒條件下，煙氣在273K時比熱Cp為0.32kcal/(m3)，lkg木材燃燒產(chǎn)物的體積折合成0oC時的體積G04.85 m3/kg，則(4-74) 由前面的討論可知，室內(nèi)燃燒速度為：(kg/s) (4-75)一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過

19、外墻窗口向上層的蔓延*小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延15 因此，窗口的放熱速度為：(kg/s) (4-76) (二) 竄出火焰的長度 假設(shè)起火房間只有一個窗口，則窗口放熱速度為Q=143AH1/2Tr，當(dāng)量半徑ro可通過下式求得：(4-77)式中，a為窗口高度的1/2，n為窗口寬度B與高度之比。為了確定火焰從窗口竄出的長度，可以利用水平面火焰中心軸上的溫度方程式求出火焰在窗口上部的火焰溫度，即：(4-78)式中，是從窗口開始，沿火焰軌跡高度而變化的溫度；T為計算部位火焰溫度與周圍環(huán)境溫度的差；To為周圍環(huán)境絕對溫度；為計算部位煙氣密度。 一般取火焰溫度為500oC作為臨界來計算從窗口竄出的

20、火焰長度z。一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延*小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延16將已知數(shù)據(jù)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火焰竄出的位置距離窗口的長度z可利用表4-3中與z/r0的關(guān)系求得。表4-3 z/r0與的關(guān)系一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、火焰通過外墻窗口向上層的蔓延*小節(jié)名第七節(jié) 火災(zāi)在建筑物內(nèi)的蔓延17 實際上，火焰垂直高度的數(shù)值隨煙氣溫度和窗口的細長比而變化。利用表4-3求得500oC火焰竄出的長度z后，求出z/H（500oC火焰竄出的長度與窗口的高度之比）和n（熱氣流寬度與高度之比）；查表4-4得到z0/H值，進而求得火焰的危險長度z0。表4-4 z0/H隨z/H和n的變化關(guān)系一、火災(zāi)在建筑物內(nèi)蔓延的形式和途徑二、熱煙氣、火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對火災(zāi)蔓延的作用三、煙在建筑物內(nèi)的流動規(guī)律四、