室內(nèi)火災升溫速率

第16頁共16頁室內(nèi)火災升溫速率研究【摘要】本文在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過分析室內(nèi)火災熱煙氣層溫度的變化，研究了熱煙氣層的升溫速率與熱煙氣層溫度本身、內(nèi)襯材料的熱慣性、通風因子和燃料面積等因素的關系，并對研究結果在實際消防工作中的應用進行了初步探討?！娟P鍵詞】升溫速率室內(nèi)火災轟燃通風控制燃燒燃料控制燃燒1引言室內(nèi)火災是一種受限空間內(nèi)的燃燒，是建筑物火災的重要形式。與敞開環(huán)境中的燃燒形式相比，室內(nèi)火災受到空間局限性和建筑墻壁輻射作用等因素的影響，這種“室內(nèi)效應”使得室內(nèi)火災的行為特征極為復雜。近年來，由于室內(nèi)火災頻發(fā)，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，各國學者開始深入研究室內(nèi)燃燒的行為，探究室內(nèi)火災發(fā)生、發(fā)展和蔓延的規(guī)律，在室內(nèi)火災特征、發(fā)展階段、影響因素、轟燃條件等領域都取得了豐碩成果。室內(nèi)火災升溫速率是研究室內(nèi)火災非常重要的參數(shù)之一，它在很大程度上反映了室內(nèi)火災的行為特征。因此，對室內(nèi)火災升溫速率（特別是轟燃前的升溫速率）進行深入研究就顯得非常重要和必要。本文在前人研究的基礎上，通過大量的小規(guī)模火災數(shù)據(jù)，以熱煙氣層的升溫速率為主線，對室內(nèi)火災特征、轟燃條件及其預測等方面的問題作進一步的探討。2室內(nèi)火災主要特征2.1室內(nèi)火災的發(fā)展特征熱煙氣層的溫度是表征室內(nèi)火災燃燒強度的重要指標，人們常用這一溫度隨時間變化的情況描述室內(nèi)火災的發(fā)展特征。根據(jù)溫度隨時間變化，室內(nèi)火災的發(fā)展過程可分成三個階段：初期增長階段、充分發(fā)展階段和衰減階段。在前兩個階段之間，可能存在一個溫度急劇上升的狹窄區(qū)，通常稱之為轟燃區(qū)，它是室內(nèi)火災發(fā)展過程中的重要轉折區(qū)。初期增長階段。室內(nèi)火災只是起火部位及其周圍可燃物著火形成局部燃燒，燃燒范圍小，室內(nèi)溫度差別較大，在燃燒區(qū)域及附近存在高溫，室內(nèi)升溫速率小，火災發(fā)展速度慢。轟燃區(qū)。在初期增長階段末期，如果通風條件好，燃燒繼續(xù)發(fā)展，溫度升高，當房間溫度達到一定值時，燃燒迅速擴大，整個房間都充滿火焰，這種室內(nèi)火災由局部燃燒向全面燃燒過渡的過程通常稱為轟燃。轟燃是室內(nèi)火災顯著的特征之一，它標志著火災進入充分發(fā)展階段。充分發(fā)展階段。房間內(nèi)的所有可燃物都在猛烈燃燒，升溫速率很大并出現(xiàn)持續(xù)性高溫，嚴重損壞室內(nèi)設備及建筑物本身，甚至造成建筑物倒塌。高溫煙氣還卷著很多可燃氣體從房間竄出，使火焰蔓延。衰減階段。室內(nèi)火災開始逐漸冷卻，可燃物減少，燃燒速率遞減，火焰燃燒逐漸無法維持，室內(nèi)只剩下一些赤熱的炭進行無焰燃燒，溫度迅速下降直至熄滅。2.2室內(nèi)燃燒的控制狀態(tài)室內(nèi)火災燃燒的控制形式主要有兩種：通風控制和燃料控制。它們的劃分標準是看燃料情況與通風狀況誰在室內(nèi)火災燃燒中起主導作用。通常情況可燃物剛被點燃時燃燒規(guī)模小，通風口足以滿足供氧要求，燃燒處于燃料控制階段；以后隨著燃燒面積的增大，通風條件逐漸支配燃燒行為，進入通風控制階段，此時通風口增大，燃燒加劇；如果通風口繼續(xù)增大，將又會出現(xiàn)燃料控制的燃燒狀態(tài)。室內(nèi)火災燃燒控制狀態(tài)可用以下參數(shù)判斷：(1)式中，是燃燒狀態(tài)控制參數(shù)；是燃料表面面積，m2；為環(huán)境空氣密度，kg/m3；和分別為通風口的面積，m2，和高度，m對于以有機玻璃為燃料的室內(nèi)火災，如果，則其燃燒處于通風控制狀態(tài)；如果，處于過渡狀態(tài)；如果，則為燃料控制燃燒狀態(tài)。3實驗結果3.1實驗系統(tǒng)簡介為了真實再現(xiàn)室內(nèi)火災的燃燒過程，研究其燃燒特征，建立小規(guī)模的火災實驗箱（如圖1）。實驗箱的維護結構由三層不燃材料組成，其內(nèi)襯材料的熱慣性反映了真實環(huán)境中房間的內(nèi)裝修材料性質。實驗箱體上的開口模擬的是實際房間的通風口。實驗的測量設備是一套多通路熱電偶溫度測量儀，通過程序控制以一定的時間間隔為單位（通常為5s為時間單位）采集箱體內(nèi)不同位置的溫度信息，并將這些信息保存于微機中。實驗過程以箱體內(nèi)襯材料的熱慣性為依據(jù)進行分組，再按照通風因子和燃料面積的不同組合進行了63次試驗。圖1SNHZ-01實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1SchematicdiagramofSNHZ-01experimentalsystem3.2主要試驗結果本文以室內(nèi)靠近頂棚的熱煙氣層溫度為主要研究對象。表1列出溫度是所有63次試驗的熱煙氣層最高溫度及其相應時間。圖2描述了這些試驗的熱煙氣層溫度-時間曲線。表1不同實驗條件下的最高溫度及其所需時間Table1Maximumhotgaslayertemperaturesandtimesunderdiferentexperimentalconditions試驗序號實驗條件Tgmax(oC)tmax(s)kpC(MJ2/m4.s.K2)AoHo1/2(m5/2)Af（m2）10.01950.03040.016435613020.01950.00960.0164805102530.01950.03040.031793462540.01950.00960.031779472050.01950.03040.0164782125560.01950.03040.0104303142570.01950.0160.0104407152580.01950.0160.0164900120090.01950.0160.0231893600100.01950.0160.0317872805110.01950.00960.01046881275120.01950.00960.0164895965130.01950.00960.00612481420140.01950.00960.0231804735150.01950.03040.0342938700160.01950.00530.00613121355170.01950.00530.01046691320180.01950.00530.01648211290190.01950.00530.0231727805200.28720.03040.01643121275210.28720.03040.02315641370220.28720.0160.03177771265230.28720.03040.03178711055240.28720.00960.02317301290250.28720.00960.03176271605260.28720.0160.02314771380270.28720.00960.01644901165280.28720.00530.03175331960290.28720.00530.02315391640300.28720.00530.01644631440310.11640.00960.02317241065320.11640.00960.01647631160330.11640.0160.0231880935340.11640.0160.0317831610350.11640.03040.0317924850360.11640.0160.01648381375370.11640.00530.01646181250380.11640.00530.01044401545390.11640.00530.02316401305400.11640.00960.01043821450410.11640.03040.01644651365420.11640.03040.0231944980430.11640.0160.01043561480440.11640.00960.0317709715450.11640.00530.03175751040460.40710.03040.03175101550470.40710.0160.03176841335480.40710.00960.03176271180490.40710.00530.03175621765500.40710.0160.02317731060510.40710.00960.02316481200520.40710.0160.01645601360530.40710.00960.01645891300540.40710.00960.01042891365550.16410.03040.03177681425560.16410.0160.03177281180570.16410.00960.03176491305580.16410.00960.02316201425590.16410.0160.02317171685600.16410.03040.02315131450610.16410.00530.02314941840620.16410.0160.01644101210630.16410.00960.01644271510圖2實測室內(nèi)火災溫度-時間曲線Fig.2Testedhistorycurvesofenclosurefires3.3初步分析圖2所示的結果表明：當某次試驗過程中所能達到的熱煙氣層最高溫度較低時，該次試驗的T-t曲線相對比較平滑，溫度的變化率較小，達到最大溫度所需的時間較長；相反，當某次試驗所能達到的熱煙氣層最高溫度較高時，實驗T-t曲線相對陡峭，并且存在溫度突變的區(qū)段，溫度變化率大，達到最大溫度的時間較短。其中的突變的區(qū)段，就是轟燃發(fā)生的標志。這63組試驗的條件各不相同，反映在試驗結果上，就是熱煙氣層的最大溫度（Tgmax）和到達最大溫度所需要的時間（tmax）變化較大。這些試驗條件主要體現(xiàn)在不同的內(nèi)襯材料熱慣性、不同的通風因子和不同的燃料面積。試驗結果的較大差異說明這三方面的因素顯著地影響著室內(nèi)火災所能達到的最高溫度及其對應時間，進而影響到室內(nèi)火災的升溫速率。4室內(nèi)火災升溫速率研究通過以上定性研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)火災的升溫速率（dT/dt）對室內(nèi)火災行為具有重要意義。因此，有必要計算出所有試驗的平均升溫速率（(dT/dt)average），如表2所列。表2熱煙氣層的平均升溫速率Table2Averagerateoftemperatureriseofhotgaslayer試驗序號(dT/dt)average（oC/s）試驗序號(dT/dt)average（oC/s）試驗序號(dT/dt)average（oC/s）10.268220.580430.21020.734230.782440.92631.430240.532450.49941.043250.366460.30050.597260.318470.47260.188270.384480.47770.242280.252490.28880.718290.298500.67691.358300.291510.474101.035310.628520.378110.495320.619530.412120.873330.888540.178130.144341.290550.508141.045351.040560.572151.275360.576570.454160.193370.4489580.402170.469380.255590.399180.592390.452600.322190.838400.228610.240200.203410.307620.299210.375420.911630.2504.1不同溫度區(qū)間的變化規(guī)律將具有相近Tgmax的試驗劃分到一起，建立若干溫度區(qū)間（劃分溫度區(qū)間以±50℃為標準，如300℃溫度區(qū)間實際指250℃至350℃的溫度區(qū)段，其他溫度區(qū)間依次類推），再求各溫度區(qū)間溫度的平均變化率（(dT/dt)average），并進行比較分析。圖3描述了各溫度區(qū)間的平均升溫速率。圖3中的回歸直線方程為：(2)盡管由于火災試驗帶有一定的隨機性，因而會出現(xiàn)一些異常情況，例如在高Tgmax的試驗里出現(xiàn)了低(dT/dt)average，或在低Tgmax的試驗里出現(xiàn)了高(dT/dt)average，但從總體情況來講，室內(nèi)火災中所能達到的Tgmax越高，平均升溫速率（(dT/dt)average）越大。因此，它所反映出的規(guī)律是，在溫度上升階段，升溫速率隨最大溫度的升高而增大。圖3平均升溫速率與熱煙氣層最大溫度溫度的關系Fig.3Changeofaveragerateoftemperaturerisewithmaximumtemperatureofhotgaslayer由此，(dT/dt)average隨Tgmax增大而增大的危害，不僅體現(xiàn)在Tgmax較大時，高溫煙氣對室內(nèi)物品和人員的熱損傷作用，更值得關注的是與此對應的大的升溫速率。升溫速率越大，達到相同溫度所需的時間就越短，轟燃就會提前發(fā)生，人員逃生的時間減少，火災發(fā)展的初期階段縮短，火災撲救的難度也會隨之增大。4.2升溫速率與熱慣性的關系圖4描述了內(nèi)襯材料的熱慣性對室內(nèi)火災熱煙氣層的平均升溫速率的影響。圖4熱慣性對平均升溫速率的影響Fig.4Effectofthermalinertiaonaveragerateoftemperaturerise圖4中的回歸直線方程為：(3)式中，，和分別為內(nèi)襯材料的導熱系數(shù)，kW/m.oC，密度，kg/m3，和比熱，kJ/kg.oC圖4中結果表明，熱煙氣層的平均升溫速率（(dT/dt)average）隨內(nèi)襯材料的熱慣性（kρC）的增大而減小。這一結果可以從如下兩個方面進行解釋：（1）當kρC較大時，室內(nèi)頂棚和墻壁溫度升高所需要的熱量較多，而向燃料表面反饋的熱量較少，致使熱煙氣層溫度較低；（2）熱輻射是導致轟燃的主要傳熱方式，房間上部的所有熱表面是重要的輻射熱源。當房間內(nèi)襯材料的熱慣性較大時，房間頂棚和墻壁表面溫度較低，向燃料熱輻射作用較弱，使熱煙氣層的升溫速度減慢。4.3升溫速率與通風因子的關系圖5反映的是，熱煙氣層平均升溫速率隨著通風因子變化的情況。圖中結果表明，對于通風控制燃燒狀態(tài)，改善實驗箱的通風狀況可以明顯影響箱內(nèi)燃燒行為，致使箱內(nèi)煙氣層的升溫速度加快。在這個階段，通風對燃燒行為起主導作用。對于燃料控燃燒狀態(tài)，通風條件基本滿足要求，已不起主導作用。改善通風狀況雖可以為燃燒提供更充分的氧氣,但由于通風口面積增大，冷熱氣流交換加劇，室內(nèi)熱損失增大，部分抵消了因增加供氧條件而使升溫速率增大的效應。圖5通風因子對平均升溫速率的影響Fig.5Effectofventilationfactoronaveragerateoftemperaturerise對于燃料控燃燒狀態(tài)，雖然通風因子增大，但平均升溫速率增長遠不如通風控燃燒階段那么明顯。這一點也通過比較以下回歸直線方程的斜率得出。其中，方程（4）對應的是通風控制燃燒狀態(tài)，（5）對應的是燃料控制燃燒狀態(tài)。(4)(5)式中，和分別為通風口的面積，m2，和高度，m4.4升溫速率與燃料面積的關系圖6描述的是在兩種燃燒控制狀態(tài)下，熱煙氣層的平均升溫速率隨著燃料面積變化的情況。圖6燃料面積對平均升溫速率的影響Fig.6Effectoffuelareaonaveragerateoftemperaturerise圖中結果表明，對于燃料控制燃燒狀態(tài)，燃料面積對燃燒行為起決定作用，熱煙氣層平均升溫速率明顯隨燃料面積增大而增大。但對于通風控制燃燒狀態(tài)，隨燃料面積增大，熱煙氣層平均升溫速率并未明顯增大，這是因為此時室內(nèi)燃燒處于供氧不足狀態(tài)，即使再增大燃料面積，燃燒狀況也很難改善。這兩種情況下，回歸直線方程分別為：(6)(7)其中，方程（6）對應的是燃料控制燃燒狀態(tài)，（7）對應的是通風控制燃燒狀態(tài)。4.5升溫速率與熱煙氣層溫度的關系熱煙氣層的最大升溫速率與最大溫度是研究室內(nèi)火災的兩個重要的參數(shù)。為研究二者之間的關系，將所有試驗中這兩個參數(shù)進行歸類匯總，結果如圖7所示。圖中結果表明，熱煙氣層的最大升溫速率與最大溫度對應的點較為集中并且呈曲線上升趨勢。圖中回歸曲線方程為：(8)式中，是最大升溫速率，oC/s圖7熱煙氣層最大升溫速率與最高溫度的關系Fig.7Relationshipbetweenmaximumrateoftemperatureriseandmaximumtemperatureofhotgaslayer表3列出了用方程（8）估算的熱煙氣層最大溫度和實測溫度的誤差分析結果。相對平均誤差為2.9%，可見此方程能較準確地反映真實火災過程中的溫度變化。這在實際火災預測與報警中具有較高應用價值。表3計算溫度誤差分析Table3Erroranalysesofcalculatedtemperatures試驗序號相對誤差試驗序號相對誤差試驗序號相對誤差13.2%221.3%435.3%21.3%236.6%4410.5%37.1%242.9%452.9%41.8%2510.8%463.5%53.4%264.4%4710.3%65.1%271.5%4811.9%73.9%28-0.7%495.1%8-4.8%29-6.2%506.3%92.3%30-0.3%511.0%101.7%313.2%52-2.8%115.5%32-0.9%53-1.8%122.4%33-4.0%545.7%133.1%342.7%555.1%142.9%35-2.3%560.6%15-0.1%367.4%576.3%164.6%37-4.1%581.9%17-0.8%381.8%592.3%180.1%3911.4%602.0%191.5%403.5%613.6%206.4%412.9%624.5%21-0.5%425.4%631.7%5應用初探5.1轟燃的預測與報警根據(jù)圖7中的回歸方程（8），只要熱煙氣層的最大升溫速率已知，就可以估算出該速率對應的最大溫度。在對最高溫度有特殊要求的場所中，只要安裝了溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過預先設定的程序計算升溫速率值，利用方程（8）估算出室內(nèi)可能達到的最高溫度，將此溫度與預先設定的警戒溫度比較，通過聯(lián)動裝置，實現(xiàn)預報警功能。若將室內(nèi)警戒溫度設定為600℃，則這一裝置可以實現(xiàn)對轟燃的預報警，并采取相應聯(lián)動措施，防止轟燃發(fā)生。5.2轟燃發(fā)生的臨界升溫速率首先需要說明的是此方法是在溫度轟燃判據(jù)（即熱煙氣層溫度接近600oC時發(fā)生轟燃）的前提下，將實驗過程中最大溫度Tgmax出現(xiàn)在600oC溫度區(qū)間（溫度區(qū)間的劃分方法同4.1）的實驗進行匯總，計算其與400oC之間的溫度變化率的平均值，計算結果為：(9)式中，是轟燃的臨界升溫速率，oC/s根據(jù)上文所討論的結果，從總體上來講溫度的變化率隨著溫度上升而增大（如圖3所示），也即是隨著室內(nèi)火災所能達到最高溫度的升高，那么從總體上講升溫速率也單調(diào)增加，這種一一對應關系使得討論轟燃的臨界升溫速率成為可能。又由于600oC是從溫度這個角度判定轟燃發(fā)生的臨界值，它所對應的升溫速率也就成為轟燃發(fā)生的臨界溫度變化率。關于轟燃的臨界升溫速率可以用溫度～時間曲線圖（如圖2）加以證明。從圖2中可以清楚的看出最高溫度處于600℃區(qū)域的曲線與高溫區(qū)域的曲線特征有明顯的差別，它們的溫度變化率相差較大，與低溫區(qū)域的曲線特征較為接近。但是從溫度角度來講接近或達到600℃已經(jīng)具備轟燃發(fā)生的條件，同其它高溫區(qū)域曲線一樣發(fā)生轟燃，如果溫度不能接近或達到達到600oC就會象低溫區(qū)域的實驗一樣不會發(fā)生轟燃，這正是600oC溫度區(qū)域的臨界特性的表現(xiàn)，從而證明上述臨界升溫速率的有效性。這個臨界升溫速率可以作為判斷轟燃發(fā)生的條件之一。5.3通風控制參數(shù)的應用由燃燒控制狀態(tài)判別式，即方程（1），可以得出這樣的結論：X正比于AoHo1/2，反比于Af。在進行室內(nèi)防火設計或制作滅火預案前可以先計算室內(nèi)條件下的X值。當室內(nèi)可燃物較少或通風面積較大時，X較大，室內(nèi)火災燃燒處于燃料控制狀態(tài)。此時，用控制可燃物的方法進行防、滅火更經(jīng)濟、更有效。而對于存在大量可燃物的房間或通風口較小的情況，X較小，室內(nèi)火災燃燒處于通風控制狀態(tài)。此時，采用控制通風的方法（如封堵通風口），則更有效。這將在建筑防火性能化設計中具有廣闊的應用前景。6結論(1)從總體上講，熱煙氣層的平均升溫速率隨最大溫度增大而增大，這一變化符合如下回歸方程：(2)減小房間內(nèi)襯材料的熱慣性、在通風控制燃燒狀態(tài)增大通風因子或在燃料控制燃燒狀態(tài)增大燃料面積，都可以增大熱煙氣層的升溫速率。這三種情況下的變化趨勢分別可以用方程（3）、（4）和（6）表達。(3)當某室內(nèi)熱煙氣層在一段時間內(nèi)的升溫速率大于轟燃發(fā)生的臨界升溫速率，即0.416oC/s時，該室內(nèi)的火災在發(fā)展過程中就存在發(fā)生轟燃的危險。(4)熱煙氣層升溫速率的最大值與其對應的最大溫度的關系，符合如下回歸方程：這種對應關系在轟燃預測和報警中具有重要意義。參考文獻[1]杜文鋒等.燃燒學.北京:中國人民公安大學出版社,1997,375-398.[2]T.Z.Harmathy.Anewlookatcompartmentfire,PartⅠandPa