通风控制型燃烧 料控制型燃烧 通风参数AH(m") 图1-3室内燃烧速度与通风参数 木垛质量:18~36kg},45~55kg(△),60~74kg);80~91kg(▲),98~103kg(◆) 阴影区表示火焰从门口喷出和吊顶处烟层温度≥600℃ 3.2赉燃时的临界放热速度 根据托马斯等人关于轰燃表示了一个热不稳定性的观点,人们进行了火灾模型试验研 究,并提出了计算轰燃临界放热速度的实验公式 Rro= 610(hxArAwHt )2 (kW/s) (1-4) 式中hk-—有效热系数(W/m2·K); Ax-—火灾房间的内表面积(m2); Qpo—在吊顶下产生大约500C的热烟层所需的放热速度(kW/s)。 利用公式(1-4),可以对实际房间发生轰 Qo随着火史位置的变化 燃所必须具备的火灾规模,做出比较保守的 (房间:3m×3m×2.3m)表1-1 估计,为此,还要掌握有关物质和建筑中常 起火点位置 Qso(kW/s) 见物品在燃烧时的放热速度。 实验证明,临界放热速度Qp是随起火靠 近墙壁 400 点位置的变化而变化的,如表1-1所示 3.3影晌轰燃的因素 为了掌握影响轰燃的因素,人们进行了大量实际规模的建筑火灾实验和模型试验,发 现袭燃的出现,除了前述建筑物及其容纳物品的燃烧性能、起火点位置之外,还与内装修 材料的厚度、开口条件、材料的含水率等因素有关。图1-4是内部装修为55mm的胶合板 火源木垛长度为18cm时,不同开口率与轰燃时间的关系图15是内部装修为难燃胶合板, 厚度为55mm,火源木垛长度为8cm,可燃物的含水率不同时与轰燃时间的关系。 4分区火灾的旺盛期 室内火灾经过轰燃后,整个房间立即被火焰包围,室内可燃物的外露表面全部燃烧起 来。由于轰燃之际,门、窗玻璃已经破坏,为火灾提供了比较稳定的、充分的通风条件,所 以,在此阶段的燃烧将发展到最大值,并且可产生高达1100右的高温。在此高温下,房 间的顶棚及墙壁的表面抹灰层发生剥落,混凝土预制楼板、梁、柱等构件也会发生爆裂剥
落的破坏现象,在高温热应力作用下,甚至发生断裂破坏。在此阶段,铝制品的窗框被熔 化,钢窗整体向内弯曲,无水幕保护的防火卷帘也向加热一侧弯曲 八A 开口率 含水率 --15.2% 166% 21.2% 时间(min) 图1-4开口率与轰燃时间 图1-5材料含水率与轰燃时间 火灾旺盛期随着可魅物的消耗,其分解产物渐渐减少,火势逐渐衰减。室内靠近顶棚 处能见度渐渐提高;只有地板上堆集的残留可燃物,如大截面木材、堆放的书籍、棉制品 等,还将持续燃烧。 本节主要讨论耐火结构建筑火灾旺盛期的燃烧速度和温度 4.1火灾旺盛期的燃烧速度 在本世纪40年代末,日本的川越和关根等学者,为了对室内火灾的状态进行系统的研 究,对实际房间和小模型房间进行了多种实验。在实验中,设定不同通风开口面积,测定 室内可燃物——木垛的燃烧速度。为了导出燃烧速度与开口面积的关系,首先提出如下假 设 (1)可燃物是纤维系列材料组成的 (2)燃烧速度是由开口处的通风量控制的,即通风控制型火灾; (3)火灾分区内气体温度是均匀的 这样,所研究的火灾分区就简化为如图1-6所 示的研究模型。若火灾分区内部与外部压力为已 知,则在廾口处流出和流进的气体流量,可由伯努 利方程来计算 在火灾分区中性平面上方y处任取1点(如图 1-6中点1),则该点的压力为: P,-pFgy (1-5) (a)压力分布 (b)空气流速分布 式中P。—中性面处(即y=0处)的压力; 图1-6燃烧速度计箅模型 P--火灾分区的气体密度 在通风开口外边点2处,涌流出的气体压力等于该平面处的大气压力:即 P2= P.-pgy (1-6)
式中p——室外空气密度。建立关于点1与点2的伯努利方程: P+二P+ (1-7) P12P2 式中v1与v2是点1和点2处的水平流速。当分区内各处温度均匀时,就没有浮力,因而也 不会有气流运动,故v1=0,把公式(1-5)、(1-6)代入公式(1-7)中,可得: P P Pg 假设从开日流经点2处的气体与点1处具有相同的温度,则有P1=P2,代入公式(1-8),并 整理得 2(Pa- PF)gy (1-9) P1 我们采用下标“F”代表火灾分区内气体,用下标“0”代表环境空气,于是公式(1-9)可 写成: (1-10) 公式(1-10)为计算火灾分区流出分区外气流速度的公式,同理可得计算流人火灾分区气流 速度的公式 2(PF-po)gy (1-11) 根据实验测定,火灾分区开口处气流流出与流人的速度一般约为5~10m/s。火灾分区 开口处的质量流速,可按下述公式求得: 流入;m0= aBp.l wody (1-12) 式中a--流通系数; B-开口的宽度; m—质量流速(kg/s); H—中性面至开口下边缘的距离; H”--中性面至开口上边缘的距离 因此有 H'+H"=F 将公式(1-10)、(1-11)分别代入公式(1-12)、(1-13),并积分,可得出 (1-14) Po (1-15) 从中性面到开口的上、下边缘的高度H"、H',可由火灾分区内的质量守恒来确定。在 稳定燃烧状态下(轰燃之后),若不计分区内热分解产生的气体,则有:
no = mF (1-16) 由此可得出: H PF 当通风开口的高度为H=H+H“时,则有: 1 Po (1-19) P 将公式(1-18)代入(1-14),可得 对于分区火灾旺盛期来说,比值P/P一般情况下为1.8~5之间,取P/p=3则: √[1+(A3/P)3] 取A=1.2kg/m3,对于门窗洞口来说,一般取a=0.7,g=9.81m/s2,空气流人的速度可 近似为 m0≈0.52Aw√H(kg/s) (1-21) 式中Aw—通风口面积; 通风口的高度; Aw=BH,数组Aw√F叫做通风参数 如果分区内发生了化学计量的燃烧,而1kg木材化学计量燃烧需要的空气量约为 5,7kg,所以对于木材来说,其燃烧速度为: m=0.52Aw√H=0.09Aw√H(kg/s) 5.5Aw√H(kg/min) (1-22) 公式(1-22)最初由日本学者川越博士提出,其形式是m=k·Aw√,其中k为不确 定系数,根据实验研究,其值约在55~6.0之间,公式(1-22)在推导过程中做了一些假 设,但与原川越公式是相符合的。燃烧速度m与通风参数Aw√的关系,如图1-7所示 应该指出的是,公式(1-22)是在通风控制型火灾的条件下导出的,故不适合于非通风 控制型火灾。因为当开口达到某一程度时,分区内的燃烧速度将不再受开口大小的影响,而 是取决于可燃物的表面积和燃烧性能。经试验研究发现,从通风控制型到燃料控制型火灾 的转变,主要取决于可燃物的表面积。例如,分区内木垛火灾在轰燃后的稳定燃烧阶段,分 解可燃物的能量主要是来自木垛内木炭的表面氧化。对于分区内纤维质(主要是木质)可
燃物的火灾,鉴别火灾类型的实验公式如下 5製 通风控制型 PAw√gh<0.235 (1-23) 燃料控制型 ●:实际规模 O:中等规撰 <0.290 (1-24) X:小规模 Aw√gH 10过渡区间:即0.235≤“8≤0.29,其火灾型式 通风参数AH(m34 是不确定的。式中Ar为可燃物的表面积 图1-7通风参数与燃烧速度 从大量火灾实验和实际火场的直观经验来说,燃料控 制型火灾一般燃烧不太猛烈,燃烧速度较低,温度也比较低。 4.2旺盛將火灾的温度 为了研究轰燃之后分区内旺盛期火灾对建筑物的破坏作用,以便进行防火设计和火灾 后建筑物的技术鉴定、加固,需要建立旺盛期火灾温度的预测模型。由于轰燃前初期火灾 平均温度相对较低,对建筑结构的破坏作用较小,故可忽略 不计。下面的计算中,t=0,是以轰燃为起点的。 分区火灾温度的预测模型如图1-8所示,为了简化计 算,提出假设条件如下: ↓ (1)火灾分区的燃烧是完全的,温度是均匀的 2)形成分区的内表面的热工性能是相同的 1-8火灾房间的热平衡 (3)分区边界的导热是一维的,边界是“无限大平板”。 研究图1-8所示火灾分区模型的热平衡,可以列出方程如下: QH= QB+QL Qw+QR (1-25) 式中Qn—火灾分区燃烧放热速度 从开口的辐射热损失速度; Q1.一从开口空气对流的热损失速度; Qw火灾分区边界导热损失速度 QR—使火灾分区内气体升温的热损失速度(忽略不计) 公式(1-25)各项计算如下: 4.2.1火灾分区燃烧放热速度QH 对于通风控制型火灾,其燃烧放热速度可由下式计算: (1-26) 式中C——可燃物的燃烧比热。在燃烧放热计算中,要把其它可燃物换算为木材,即求 当量木材”放热速度,木材的C值常取188kJ/g 用公式(1-26)计算可燃物的放热速度时假定了从开始(即轰燃后的瞬间)直到所有可 燃物被烧尽,Q保持常数。此外,还应该指出,如果火灾房间的燃烧为燃料控制型时,计 算出的放热速度偏高。但是,对于防火设计来说,该公式已经能够满足工程设计的精度要