1、第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,气体可然物泄漏到空气中，与空气混合会形成预混气体混合物。一旦预混气体混合物着火燃烧，就会形成气体可燃物中的火灾蔓延，从而引起火灾规模扩大，火灾危害加重。因此，研究气体可燃物中的火灾蔓延问题，具有十分重要的意义。,一、火焰前沿及火焰传播机理 二、热烟气流引起的火焰蔓延 三、火焰与热烟气流辐射引起的火焰蔓延,气体可燃物中的火灾蔓延规律与预混气体混合物中的火焰传播特性密切相关。从特性上分，预混气体混合物中的火焰传播包括层流火焰传播、湍流火焰传播和爆轰波，但它们具有相似的火焰传播机理。 (一) 火焰前沿的概念若在一根长管中充满均匀的预混气体混合物，当用电火花或其它火源加
2、热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输送给其周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃区之间形成了明显的分界线。这层薄薄的化学反应发光区，就被称为火焰前沿。为了研究方便，一般假设管子是绝热园管，在其中预混气体混合物中形成的火焰前沿为一与管子轴线垂直的平面；又假定火焰前沿是驻定的，而且混气以与火焰传播速度相同的速度流入管内。实验证明，火焰前沿厚度是很薄的，只有十分之几mm甚至百分之几mm。因此，在分析和研究相关问题时，通常把火
3、焰前沿看成是一个几何面。,一、火焰前沿及火焰传播机理* 二、热烟气流引起的火焰蔓延 三、火焰与热烟气流辐射引起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,(二) 火焰前沿的特点 1、火焰前沿分成预热区和化学反应区两部分火焰前沿接触冷混气的一面，有很大部分用来预热冷混气，称预热区。在预热区中，流入的冷混气温度由T被加热到界温度Ti。由于预热区中温度较低，化学反应速度较小，可以忽略。预热区的厚度用p表示。紧接预热区的是化学反应区，其厚度用c表示，混气经过该区域后，9598发生反应，温度从Ti升高到理论燃烧温度Tm。火焰前沿结构及其温度、浓度分布如图4-1所示。图4-1 火焰前沿结构及其温度
4、浓度分布示意图,一、火焰前沿 及火焰传播机理* 二、热烟气流 引起的火焰蔓延 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,2、火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散由于整个火焰前沿厚度很薄，在这样薄的厚度上，温度却从初温T突然升高到理论燃烧温度Tm，因而产生极大的温度梯度，它将引起火焰前沿的热量快速导向冷混气。同时由于在火焰前沿冷混气从初始浓度fs突然变到零（冷混气已被烧光），已燃气从零突然升高而产生极大的浓度梯度，导致出现强烈的物质扩散。由此可见，在火焰中分子的迁移不仅仅是由于强迫流动的作用，而且还存在扩散的作用；热量迁移不仅仅靠强迫对流和辐射，而且还有导热。
5、层流火焰中温度及浓度分布的实验数据证实了上述分析。 (三) 火焰传播机理根据上面对火焰前沿的分析，目前火焰传播机理有以下两种理论： 1、火焰传播的热理论热理论认为，火焰能在预混气体混合物中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速的结果。,一、火焰前沿 及火焰传播机理* 二、热烟气流 引起的火焰蔓延 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,2、火焰传播的扩散理论扩散理论认为凡是燃烧都属于链式反应。火焰能在新鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混气中扩散，使新鲜冷混气发生链锁反应的结果。在实际火灾（特别是建筑
6、火灾）中，气体可燃物中的火灾蔓延，往往由热烟气流或火焰与热烟气流的热辐射引起。,一、火焰前沿 及火焰传播机理* 二、热烟气流 引起的火焰蔓延 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,如果某建筑室内着火燃烧，就会产生大量的热烟气。热烟气本身虽然不能燃烧，但它的温度较高，密度较小，必然形成自然对流。由于热烟气流的加热作用，可能导致流通路上的可燃物着火，造成火灾蔓延。可见，只要能了解热烟气流的流动规律，就能了解火灾蔓延的规律。下面重点介绍热烟气的产生和流动。 (一) 建筑室内的热烟气流动图4-2描述了室内可燃物着火燃烧后，产生热烟气的情况。在可燃物上方形成了
7、几个不同的区域，它们具有各自不同的特点。图4-2 室内可燃物着火燃烧产生的热烟气示意图,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,1、连续火焰区它处于热烟气的最下面。大量研究结果表明：火焰区轴线上的温度与距可燃物表面的高度无关，大体为一个常数；轴线上垂直向上的气流速度与距可燃物表面的高度的平方成正比；上升气流的直径与高度无关，也大体为一个常数。 2、间断火焰区它处于热烟气的中间部位。其轴线上的温度与距可燃物表面的高度成反比；轴线上垂直向上的气流的直径与距可燃物表面的高度的平方根成正比。 3、无火焰热气
8、流区它处于热烟气的最上面。其轴线上的温度与距可燃物表面高度的5/3次方成正比；轴线上垂直向上的气流速度与距可燃物表面高度的1/3次方成正比；上升气流的直径与距可燃物表面的高度成正比。在实际计算中常采用如下简化公式进行计算：(4-1),一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,式中，为无因次速度；W为火馅轴线上垂直上升气流速度；ro为火源当量半径；Q为可燃物发热量；P为热烟气密度；CPF为热烟气比热；To为室温（热烟气的环境温度）；n为火焰面源矩形比。 如果n=1，则有(4-2)这样，上升热气流的质量流
9、速为(4-3)这里，为流速平均化系数；r为上升热气流半径。一般室内的容积是有限的，随着热烟气的不断产生，热烟气将很快充满整个室内上层空间。在充满整个上层空间之后，随着热烟气的继续产生，将有一个相应的热烟气层的下降速度。当热烟气层下降到开口处上沿时，热烟气将向室外流动。随着热烟气流的流出，可能引起其他室内可燃物的着火，造成火灾蔓延。所以计算热烟气层的下降速度，对于安全逃生，组织灭火活动等都是非常重要的。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,热烟气层的下降速度可用下式计算：(4-4)式中，VP是无火
10、焰热烟气向热烟气层流入气体体积流速；Ac是室内天花板面积；v是无火焰区气体密度；s是高温热烟气体密度。室内热烟气层的厚度可计算为：(4-5)式中，H是热烟气层厚度；H是天花板高度；ro是火焰半径；t是时间。随着热烟气层厚度的增加，热烟气对人体的危害越来越大。如果人的平均高度定为1.7m，即H=1.7m，则（H-1.7）所对应的时间即为安全逃生时何。在此时间之后，因热烟气的作用，人会缺氧中毒而失去逃生能力，导致人员伤亡。可见热烟气层下降速度对火灾初期消防活动有重要作用。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可
11、燃物中的火灾蔓延,(二) 有开口室内的热烟气流动当火灾室有开口时，必须考虑热烟气流的流出量对热烟气层下降速度的影响。此时，火灾室的开口及流动状态如图4-3所示。图4-3 有开口的火灾室热烟气流动状态不同的火灾阶段，热烟气流的流出量是不同的。如果考虑对安全逃生时间的影响，热烟气流出量为：(4-6),一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,流入的新鲜空气量为：(4-7)式中，Wo为开口宽度；Ho和Y见图4-3所示；o和p分别为新鲜空气和热烟气比重，当热烟气层超过开口下沿时，流出的热烟气量与流入的
12、新鲜空气量相等。如果火灾室的开口与外界大气相通（普通的窗子），则应考虑热烟气流对火灾室相应上层窗子及相邻建筑物的引燃作用，防止火灾的蔓延。如果火灾室的开口与建筑物的走廊或其他房间相通，则应考虑热烟气在走廊、相邻房间及整个建筑物内的流动，制订相应的防止火灾蔓延的对策。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,(三) 走廊中的热烟气流动因热烟气的温度较高，比重较低，与走廊中的新鲜空气形成了明显的分层流动状态，如图4-4所示。图4-4 走廊中热烟气与新鲜空气分层流动情况热烟气层的厚度可用下式计算：
13、 (4-8),一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,式中，ms为热烟气质量流量；W为走廊宽度；为热烟气比重。当HHo时，热烟气温度在501000oC范围，(-o)1/30.50.7，一般可取为0.56，使问题得到简化。如果从火灾室流出的热烟气初温为Tp，流出之后经过x距离后，热烟气温度下降为Tx，走廊中新鲜空气温度为To，这样Tx可用下式表示： (4-9) 其中,=2(W+H)/Cpms,=hexp(h2t/Cp)erfch(t/Cp)1/2称为热损失系数。Cp为热烟气定压热容；h为走廊壁
14、面对流换热系数；为壁面导热系数；C为壁面热容；为壁面密度；t为热烟气流出火灾后经过时间。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,热烟气流入走廊之后，热烟气将向整个建筑物内扩散，特别是向上方扩散更快些。要研究热烟气的流动规律，就必须分析热热烟气的受力状态，只有改变热烟气的受力状态才能改变它的运动情况。这正是高层建筑物中，防排烟技术的核心。采用这种技术之后，可以根据火灾室的实际情况，选择排烟通道和供气增压通道，有效地组织灭火活动，尽快将火灾扑灭。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引
15、起的火焰蔓延* 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,热辐射强度的计算公式为： (4-10) 式中，P-A为受热面A上某点相对热烟气层形态系数；p为热烟气层辐射率；为斯蒂芬一波尔兹曼常数；Tp为热烟气层温度。其中，P-A随着受热面A到热烟气层的距离平方而成反比变化，p与热烟气层厚度和成分有关。例如：1m厚、1400二氧化碳烟气层的辐射率p=0.17；而4m厚、1600水蒸汽层的辐射率p=0.35。大量的氢气火焰实验结果表明：没有炭烟生成时，燃烧放出的热量中有10%通过热辐射向外传送；有炭烟生成时，则通过热辐射向外传送的热量增加到2045%。火灾中的燃
16、烧条件较差，一般都有大量的炭烟生成，所以通过热辐射向外传送热量的份额会更大。因此必须考虑热辐射在火灾蔓延过程中的作用。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延*,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,热辐射是某些物质（包括气体）在高温下发出一定波长和强度的热射线。例如，二氧化碳有三个主要的辐射波带，即2.62.8m、4.14.5m和12.517m 。水的辐射波带比二氧化 碳的多，但同样有选择性。与固体和液体相比，气体的凝聚程度小，对于光子的吸收和发射比较少。所以热辐射能流的吸收和发射不仅限于表面层，而将深入到相当厚的气体层中去，乃
17、至整个气体空间。 根据气体吸收的Beer定Kirchhoff定律，气体单色辐射率g与气体层厚度L有下述关系式： (4-11)式中，K为单色辐射减弱系数，是个物性参数，由热力学状态决定，即由该气体温度和压力决定。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延*,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,很显然，气体单色辐射率与气体性质和气层厚度有关。当L时，g1，表现为黑体单色辐射性质。这是与固体和液体单色辐射率只取决于表面性质的最大差别。火灾的有关实验研究也证实了这一结论。虽然目前已经对二氧化碳、水、一氧化碳和灼热小微粒等情况下的火焰辐射谱作了大量研究，但是由于参与火灾燃烧的可燃性物质成分极为复杂，在高温下再加上某些中间不稳定成分，所以使得火灾火焰辐射谱极为复杂。目前还无法给出准确的数据，在实际工程中必须保证两个可燃物（油罐、物等）之间有足够大的距离，以防止热辐射引起的火灾蔓延。,一、火焰前沿 及火焰传播机理 二、热烟气流 引起的火焰蔓延 三、火焰与热 烟气流辐射引 起的火焰蔓延*,小节名,第一节 气体可燃物中的火灾蔓延,此节末页，点击此处返回本章目录,
