第一章 火災基本知識 第4節(jié)

常州大學安全工程研究所邢志祥第一章火災基本知識

第三節(jié)化工與建筑火災特性3.1氣體燃燒特性常州大學安全工程研究所邢志祥（一）物理模型與雨果尼特方程1、物理模型

一

、預混燃燒圖4-1火焰在預混氣中的傳播

常州大學安全工程研究所邢志祥2.基本方程：連續(xù)方程：動量方程：能量方程：狀態(tài)方程：熱量方程：常州大學安全工程研究所邢志祥由方程（4-1）、（4-2）得：稱為瑞利方程

常州大學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：常州大學安全工程研究所邢志祥

利用狀態(tài)方程（3-4）及稱為雨果尼特方程常州大學安全工程研究所邢志祥3、雨果尼特曲線和瑞利曲線

常州大學安全工程研究所邢志祥二、正?；鹧?zhèn)鞑ヅc爆轟

燃燒后氣體的壓力增大燃燒后氣體的密度增大燃燒波以超音速傳播

2、爆轟的特點：1、爆轟：主要依靠沖擊波（激波）的高壓，使未燃氣受到近似絕熱壓縮的作用而升溫著火，從而使燃燒波在末燃區(qū)中傳播的現(xiàn)象。（一）爆轟常州大學安全工程研究所邢志祥（二）正?；鹧?zhèn)鞑?/p>

燃燒后氣體的壓力減小或接近不變?nèi)紵髿怏w的密度減小燃燒波以亞音速傳播2、正常火焰?zhèn)鞑サ奶攸c：1、正?；鹧?zhèn)鞑ィ褐饕揽繉岬淖饔脤⒒鹧嬷挟a(chǎn)生的熱量傳遞給未燃氣，使之升溫并著火，從而使燃燒波在未燃氣中傳播的現(xiàn)象。常州大學安全工程研究所邢志祥三、正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣?/p>

（一）傳播機理1、火焰前沿的概念

火焰前沿定義：火焰在預混氣中傳播時，區(qū)分已燃區(qū)和未燃區(qū)的一層薄薄的化學反應發(fā)光區(qū)。常州大學安全工程研究所邢志祥火焰前沿結構及其濃度分布示意圖常州大學安全工程研究所邢志祥2、特點（1）由預熱區(qū)和化學反應區(qū)兩部分組成；（2）其中存在強烈的導熱和物質擴散。研究對象對象特點研究機理常州大學安全工程研究所邢志祥

（1）

火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚摕崂碚撜J為：火焰能在混氣中傳播是由于火焰中化學反應放出的熱量傳播到新鮮冷混氣中，使冷混氣溫度升高，化學反應速度加快的結果。（2）火焰?zhèn)鞑サ臄U散理論擴散理論認為凡是燃燒都屬于連鎖反應?；鹧婺茉谛迈r混氣中傳播是由于火焰中的自由基向新鮮混氣中擴散，使新鮮混氣發(fā)生連鎖反應的結果。3、火焰?zhèn)鞑C理

常州大學安全工程研究所邢志祥研究對象對象特點研究機理傳播速度火焰前沿物質傳遞、能量傳遞熱理論、連鎖反應理論能量守恒常州大學安全工程研究所邢志祥二二、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?-----馬蘭特簡化分析1、

簡化模型2、反應區(qū)的溫度分布

3、熱平衡式

常州大學安全工程研究所邢志祥（二）、火焰?zhèn)鞑ニ俣纫驗?/p>

所以

或者

式中

又

得

常州大學安全工程研究所邢志祥（二）、火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忠?/p>

所以

據(jù)關系得討論：這一理論不完善。如未燃混氣初溫T∞如果等于著火溫度Ti，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹闊o窮大。

常州大學安全工程研究所邢志祥（三）物理化學參數(shù)對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

1、可燃氣與空氣比值的影響

常州大學安全工程研究所邢志祥2、可燃氣體的分子結構常州大學安全工程研究所邢志祥3、初始壓力

常州大學安全工程研究所邢志祥4、初始溫度

常州大學安全工程研究所邢志祥5、火焰溫度

常州大學安全工程研究所邢志祥6、惰性氣體的含量

常州大學安全工程研究所邢志祥混氣性質主要指混氣的熱容Cp和導熱系數(shù)K。因為：Sl∝a1/2，而a=K/ρ∞Cp結論：K增加，Sl增加；Cp增加，Sl下降。

7、可燃混氣的性質。

常州大學安全工程研究所邢志祥四、爆轟

（一）爆轟的發(fā)生

爆轟：主要依靠沖擊波（激波）的高壓，使未燃氣受到近似絕熱壓縮的作用而升溫著火，從而使燃燒波在末燃區(qū)中傳播的現(xiàn)象。激波：弱壓縮波在傳播過程中疊加形成的、使介質狀態(tài)參數(shù)突躍變化的強壓縮波。

1、激波的產(chǎn)生

（1）模型常州大學安全工程研究所邢志祥（1）模型常州大學安全工程研究所邢志祥（一）激波的產(chǎn)生2、激波的產(chǎn)生過程（1）活塞由靜止向右運動；（2）活塞前氣體被壓縮，壓力增高，產(chǎn)生攏動，向前傳播；（3）第一道波的傳播速度

（4）第二道波的傳播速度

（5）

，一段時間后，壓縮波疊加在一起，形成激波，激波前后的氣體參數(shù)P、、T發(fā)生的突躍。常州大學安全工程研究所邢志祥一、爆轟的發(fā)生

（二）、爆轟的發(fā)生

常州大學安全工程研究所邢志祥1、爆轟的形成過程：

形成“燃氣活塞”；產(chǎn)生系列壓縮波；形成激波；產(chǎn)生爆轟。常州大學安全工程研究所邢志祥

初始正?；鹧?zhèn)鞑ツ苄纬蓧嚎s擾動；管道足夠長或容器空間足夠大；

爆轟前期距離：管道中的可燃混氣從開始燃燒到發(fā)生爆轟之間的距離?？扇細鉂舛忍幱诒Z極限濃度范圍內(nèi)；管道直徑大于爆轟臨界直徑。

臨界直徑：管道中的可燃混氣能形成爆轟的管道的最小直徑。（二）爆轟形成條件（三）爆轟波波速和壓力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化學計量比的氫—氧混合物的爆轟波速表混合物P2(105Pa)T2(K)U1(m/s)計算值實驗值2H2+O218.05358328062819(2H2+O2)+5O214.13262017321700(2H2+O2)+5N214.39268518501822(2H2+O2)+5H215.97297536273527(2H2+O2)+5He16.32209736173160（2）計算（3）影響因素①混氣的密度②混氣比

（三）爆轟波波速和壓力2C2H2+5O2=4CO2+2H2O化學計量比=29%2C2H2+3O2=4CO+2H2O化學計量比=40%③氫—氧混氣系統(tǒng)，最大爆轟波波速在接近爆轟上限出現(xiàn)。常州大學安全工程研究所邢志祥2、壓力①壓力三、爆轟波波速和壓力化學計量比的氫—氧混合物的爆轟波速表混合物P2(105Pa)T2(K)U1(m/s)計算值實驗值2H2+O218.05358328062819(2H2+O2)+5O214.13262017321700(2H2+O2)+5N214.39268518501822(2H2+O2)+5H215.97297536273527(2H2+O2)+5He16.32209736173160常州大學安全工程研究所邢志祥（四）爆轟波的破壞特點：1、爆轟波波速快，可能使常用的防瀑泄壓裝置失去作用；2、爆轟波波壓大，碰到器壁時會產(chǎn)生反射增壓現(xiàn)象；3、爆轟波對生物具有殺傷作用；

4、爆轟波體現(xiàn)為動壓沖擊作用。沖擊波對磚墻建筑物的破壞超壓值（單位105Pa）建筑物損壞情況<0.020.02~0.120.12~0.30.3~0.50.5~0.76>0.76基本沒有破壞玻璃窗的部分或全部破壞門窗部分破壞，磚墻出現(xiàn)小裂紋門窗大部分破壞，磚墻出現(xiàn)嚴重裂紋門窗全部破壞，磚墻部分倒塌墻倒物塌。沖擊波對動物殺傷作用超壓值（單位105Pa）生物殺傷情況<0.1無損傷；0.1~0.25輕傷，出現(xiàn)1/4的肺氣腫，2—3個內(nèi)臟出血點；0.25~0.45中傷，出現(xiàn)1/3的肺氣腫，2—3片內(nèi)臟出血，一個大片內(nèi)臟出血；0.45~0.75重傷，出現(xiàn)1/2的肺氣腫，三個以上的片狀出血，兩個以上大片內(nèi)臟出血；>0.75傷勢嚴重，無法挽救，死亡。常州大學安全工程研究所邢志祥4.2液體的燃燒一、液體燃燒速度的表示方法

單位時間內(nèi)燒掉的液層厚度。

1、燃燒線速度(v)表達式：在單位時間內(nèi)、單位面積上燒掉的液體質量。

2、質量燃燒速度(G)

：表達式：常州大學安全工程研究所邢志祥一、液體的燃燒速度3、液體燃燒質量速度與線速度關系常州大學安全工程研究所邢志祥1989年8月黃島油庫5號罐由于雷擊爆炸起火,導致1、2、3、4號罐相繼爆炸，18人犧牲，93人受傷，12輛消防車被燒毀，直接經(jīng)濟損失3540萬元。二、油罐火災常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥1993年10月21日南京煉油廠油罐區(qū)310號萬噸級汽油罐爆炸起火,江蘇省和上海、安徽等省市相繼又調出88輛消防車增援，三省市共12個城市的187輛消防車，軍警民6000余人聯(lián)合作戰(zhàn)，17個小時后火被撲滅。這次火災直接經(jīng)濟損失38萬余元。2023/2/4常州大學安全工程研究所邢志祥2023/2/4常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥（一）油罐火災的發(fā)生及發(fā)展過程火焰區(qū)加熱油層中間層：火焰底部與油面之間存在的區(qū)域常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥油罐火災的三個階段：（1）油灌火災的初期：油表面被加熱層厚度h2很?。挥偷恼舭l(fā)速度增加；油的被加熱層向深部擴展；中間層厚度h1較薄且接近“透明體”；中間層的“熱屏蔽”作用很小，火勢發(fā)展迅速。

常州大學安全工程研究所邢志祥（2）油灌火災的中期：油面被加熱層以接近恒定速度向深部緩慢擴展；中間層厚度增加，煙及燃燒產(chǎn)物進入中間層越來越多，使中間層成為灰色氣體層，并對油面有明顯的熱屏蔽作用。是油罐火災中燃燒的相對穩(wěn)定期。

油罐火災的三個階段：常州大學安全工程研究所邢志祥油罐火災的三個階段：（3）油罐火災晚期：中間層的厚度及“灰度”均相當大；燃燒速度明顯下降；火焰溫度及高度均下降；輻射熱反饋亦減小，是油罐火災的衰落期。

常州大學安全工程研究所邢志祥（二）

原油和重質油品燃燒時的沸溢和噴濺

1、基本概念輕組分：原油中比重最小、沸點最低的一部分烴類組分。重組分：原油中比重最大、沸點最高的一部分烴類組分。

初沸點：原油中最輕的烴類沸騰時的溫度。終沸點：原油中最重的烴類沸騰時的溫度。沸程：不同沸點的所有餾分轉變?yōu)檎魵獾淖畹秃妥罡叻悬c范圍。常州大學安全工程研究所邢志祥2、單組分液體燃燒時熱量在液層的傳播特點

（1）液面溫度接近但稍低于液體的沸點（2）液面加熱層很薄

常州大學安全工程研究所邢志祥(1)丁醇和汽油燃燒時的溫度分布

常州大學安全工程研究所邢志祥(2)液面下溫度分布

常州大學安全工程研究所邢志祥(1)熱波：沸程較寬的混合液體在燃燒時，熱量逐漸向液體深層傳播時熱的鋒面。(2)熱波特性：原油和重質石油產(chǎn)品在燃燒時熱量在油層中不斷傳播，使油品的被加熱層不斷增厚的特性。(3)熱波的傳播速度：熱波在液層中向下移動的速度稱為熱波的傳播速度。

3、原油和重質油品燃燒時熱量在液層的傳播特點

常州大學安全工程研究所邢志祥熱波傳播速度與線燃燒速度的比較油品種類熱波傳播速度

(mm/min)

線燃燒速度

(mm/min)輕質油品含水<0.3%7~151.7~7.5含水>0.3%7.5~201.7~7.5重質燃油及燃料油含水<0.3%~81.3~2.2含水>0.3%3~201.3~2.3初鎦分（原油輕鎦分）4.2~5.82.5~4.2常州大學安全工程研究所邢志祥(4)熱波傳播速度的影響因素液面接受的熱量粘度重組分常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥①沸溢：熱波在油品中傳播時，乳化水或自由水蒸發(fā)，形成大量油包氣氣泡，最后發(fā)生向外溢出的現(xiàn)象。②沸溢的發(fā)生條件：原油具有形成熱波的特性；原油中含有乳化水或自由水；原油的粘度較大。

4.重質油品的沸溢和噴濺（1）沸溢常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥

③沸溢發(fā)生的時間發(fā)生沸溢的時間與原油的種類、水分含量有關。根據(jù)實驗，含有1%水分的石油，經(jīng)45～60分鐘燃燒就會發(fā)生沸溢。

④發(fā)生沸溢的征兆：火焰由紅變白變亮，高度突然增加；煙氣由濃黑變稀白；油面蠕動，有輕微呼隆和嘶嘶聲響。常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥（2）噴濺①噴濺：熱波下降到水墊層，使其中的水大量蒸發(fā)，蒸氣壓迅速升高，把上部的油品拋出罐外的現(xiàn)象。②噴濺的發(fā)生條件：原油具有熱波特性；原油底部存在水墊層；高溫層與水墊層接觸。4.重質油品的沸溢和噴濺常州大學安全工程研究所邢志祥③噴濺發(fā)生時間噴濺發(fā)生的時間與油層厚度、熱波傳播速度以及油品燃燒線速度有關。可近似用下式表示。常州大學安全工程研究所邢志祥黃島油庫5號油罐貯存原油16000T，油溫39℃，著火后抽出原油為4100T。罐內(nèi)有69根立柱，每根立柱橫截面積0.25平萬米；罐長72m寬48m。原油比重0.89，含水量0.5％，原油燃燒線速度0.1025m／h，熱波傳播速度0.785m／h。試預計該油罐著火后可能發(fā)生噴濺的時間。解：（1）實例：常州大學安全工程研究所邢志祥（2）（3）

實例：常州大學安全工程研究所邢志祥④噴濺發(fā)生的征兆：火焰由紅變白變亮，高度突然增加；罐體發(fā)生輕微的振動沸溢，熱波在油品中傳播時，乳化水或自由水蒸發(fā)，形成大量油包氣氣泡，最后發(fā)生向外溢出的現(xiàn)象。4.重質油品的沸溢和噴濺常州大學安全工程研究所邢志祥5.沸溢、噴濺的預防措施減少油品中的含水量；減小油品的粘度；設置冷卻系統(tǒng)降溫。常州大學安全工程研究所邢志祥作業(yè)1、說明氣體火焰正常傳播的機理。2、解釋爆轟本質和形成過程。形成爆轟要具備哪些條件?3、解釋油罐火災沸溢、噴濺的機理。4、某油罐儲存原油20000噸，罐直徑為50m，原油密度為890kg/m3，含水量為0.5%，原油燃燒速度為0.15m/h，熱波傳播速度為0.85m/h。試估計該油罐著火后可能發(fā)生噴濺的時間。4.3建筑火災的發(fā)展和蔓延常州大學安全工程研究所邢志祥一、室內(nèi)火災特性（一）煙氣羽流1、組成：三個區(qū)域（連續(xù)火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)、熱煙區(qū)）

常州大學安全工程研究所邢志祥2、火焰高度：火焰平均高度：火焰間斷性達到50%的高度式中D為火源直徑（m）,或可燃物的表面積折算直徑（）Q為火源的熱釋放速率（kW）為系數(shù)，對于大部分氣體、液體和固體，一般為0.235左右；對于乙炔和氫氣為0.211；對于汽油為0.2。部分燃料的熱釋放率一根燃燒的香煙一個發(fā)光的電燈泡一個正常狀態(tài)下的人一個燃燒的紙簍一個1m2燃燒的汽油池摞放2m高的燃燒的木垛一個2m2，高4.9m的盛裝聚苯乙烯的塑料盒核電廠的一個反應器釋放的能量常州大學安全工程研究所邢志祥例：1.07×1.07×1.07的正方形木垛，其熱釋放速率為2.6MW，估算該木垛燃燒的平均火焰高度。解：常州大學安全工程研究所邢志祥3、羽流的質量流率和體積流率式中為羽流在高度Z處的質量流率（kg/s）;

火源熱釋放速率Q的對流部分（kW）;一般火災條件下，可以認為（1）質量流率

（2）體積流率（m3/s）：常州大學安全工程研究所邢志祥4、羽流的平均溫度常州大學安全工程研究所邢志祥（二）頂棚射流火災中煙氣羽流上升到頂棚后，沿頂棚以下水平運動，形成頂棚射流。頂棚高度為H，頂棚射流的厚度為頂棚高度的5%~12%。最高溫度和速度出現(xiàn)在頂棚下頂棚高度的1%。常州大學安全工程研究所邢志祥1、頂棚射流的最高溫度：常州大學安全工程研究所邢志祥2、頂棚射流的最高速度：常州大學安全工程研究所邢志祥3、煙氣下降速度式中為煙氣的體積流率（m3/s）A為天花板的面積，m2

為上升熱煙氣的密度，kg/m3

為頂棚熱煙氣的密度，kg/m3常州大學安全工程研究所邢志祥（三）火災荷載1、火災負荷定義：火災范圍內(nèi)單位地板面積的等效可燃物的數(shù)量（kg/m2）式中

Gi某種可燃物的質量，kgHi為該可燃物單位質量的發(fā)熱量，MJ/kgH0為單位質量木材的發(fā)熱量，18.4MJ/kg∑Qi所有可燃物的發(fā)熱量，MJA為火災范圍的地板面積，m2常州大學安全工程研究所邢志祥火災負荷密度:火災范圍內(nèi)單位地板面積的可燃物釋放的熱量(MJ/m2)住宅1100辦公室750教室550圖書室4600常州大學安全工程研究所邢志祥二、建筑火災和煙氣的蔓延

（一）建筑火災發(fā)展過程常州大學安全工程研究所邢志祥（二）室內(nèi)各發(fā)展階段的特點

火災初期階段（OA）1、特點

（1）室內(nèi)溫度不均衡；

（2）燃燒發(fā)展不穩(wěn)定；

（3）燃燒面積不大；

（4）火災持續(xù)時間長短不定。

2、火災初起階段的持續(xù)時間

（1）點火源的類型

（2）起火點周圍燃燒條件的影響

（3）通風條件的影響常州大學安全工程研究所邢志祥3、火災初期階段對防火和滅火的重要意義.

（1）最好不用或少采用可燃的建筑材料；

（2）火災初期是人員疏散和滅火的有利時機。常州大學安全工程研究所邢志祥火災發(fā)展階段（AC）轟然：房間內(nèi)可燃氣體突然起火，房間局部燃燒轉為全室燃燒。1、特點

（1）室內(nèi)可燃物都在猛烈燃燒；

（2）溫度直線上升，并達到最高點1100℃

（3）燃燒穩(wěn)定，燒掉大量可燃物。2、火災發(fā)展階段對防火和滅火的重要意義

（1）注意選用耐火性能好的結構；

（2）采用控制火災的防火分區(qū)等分隔措施；

（3）組織強大的滅火力量圍追阻截。常州大學安全工程研究所邢志祥常州大學安全工程研究所邢志祥火災熄滅階段（C點以后）1、特點

（1）室內(nèi)可燃物減少，溫度開始下降；

（2）溫度下降速度與火災持續(xù)時間有關；

（3）階段開始的溫度仍為火災最高溫度，熱輻射很強，對周圍建筑物仍有很大威脅。

2、火災熄滅階段對防火和滅火的重要意義

（1）火災熄滅階段之初，在滅火時仍要注意堵截包圍；

（2）注意建筑物發(fā)生倒塌破壞的可能，保障滅火人員的安全。

常州大學安全工程研究所邢志祥（三）煙氣流動和蔓延1、著火房間內(nèi)外的壓力分布常州大學安全工程研究所邢志祥離地面h處壓力：室內(nèi)：室外：地面上室內(nèi)外壓差：高度h處室內(nèi)外壓差：頂棚上室內(nèi)外壓差：常州大學