室内火灾动力学

火灾爆炸动力学11引言本章首先对火灾安全工程设计的现状作简要介绍，并对本课程的相关内容给出相应的解释。讨论了火灾安全工程专业的核心课程体系，并在火灾安全工程学科的范畴内，将本书教学内容归结为几个专题的形式。对目前在工程设计中室内火灾模型作了简单的介绍。最后，给出了本书各章节内容。1.1背景《建筑消防设计规范》的相关规定对建筑物整体设计的很多方面都有重要的影响，包括建筑布局、建筑美学和建筑物功能以及建筑成本等。近几十年来，由于现代建筑技术的快速发展，导致了大量非传统建筑结构和设计方案的运用。建筑规模持续增加，如越来越多的大型地下停车场、地下库房和购物中心等。许多建筑物的内部设计都设置有大型采光井、露台以及与水平走廊或购物商场连接的中庭等，从而导致火灾和烟气更容易发生蔓延。以往的经验教训（这也是当前建筑消防设计的基础）很难对这些新型建筑或特殊建筑的消防安全设计提供指导性的建议。同时，人们越来越倾向于深入地理解火灾进程及其与人、建筑物之间的相互关系。目前在火灾分析模拟领域的发展非常迅猛。近年来，人们已经研究开发出了几种不同复杂程度的模拟模型并将这些模型运用到了防火工程设计中。因此，用基于性能的设计取代过去指令性的建筑消防设计规范，已成为世界各国的趋势。基于性能的火灾防护技术不是规定必须所要采用的预防措施（如规定安全疏散出口的数量等），而是将整个建筑系统的性能以特定设计目标的方式给出。通常采用火灾模型和逃生疏散模型来评价所给出的预防措施的有效性。无论是对设计还是规范的制定，显然都有必要运用这种新技术的优势。但由于这种解决方案在技术上更趋复杂，无疑要求火灾防护设计人员具有较高的科学训练水准，而且要求其不断地接受高水平的继续教育。为此，人们已编写了一些优秀的教材、手册或指南，包括Drysdale的《火灾动力学入门》、《SFPE火灾防护工程手册》，以及Klote和milke编著的《火灾烟气控制系统设计》等。除Drysdale编写的《火灾动力学入门》外，Shields和Silcock编写的关于火灾安全工程方面的书主要是针对工科学生。设计手册和指南一般只是列出工程问题以及特定的求解方法。但对其中所用到的方程是如何根据基本原理推导出来的则介绍很少，对需要满足的假设条件、方法本身的适用范围等的介绍也很少。为了深入理解这些假设条件在特定的设计情形中可能产生的影响，并对设计选用的计算方法充满信心，设计人员必须清楚根据基本原理推导这些方法。本书的目的不是作为设计指南，或者列出适用于某些特定情形的方程，而是介绍基本原理、清晰地描述假设条件，并介绍适用于某些特定情形下的工程方程的推导方法，同时还对所得到的分析方程与试验结果的进行比较。这样，读者对常用的各种工程方程和模型的适用范围和具体运用方法形成很好的理解和掌握。本书专门针对室内火灾动力学，研究火灾如何发生并引起室内环境发生变化。火灾爆炸动力学21.2室内火灾的工程模型随着人们对火灾过程及其与建筑物之间的相互作用理解的不断深入，人们已开发了各种模型来模拟室内火灾过程。这些模型可以分为概率型模型和确定型模型两大类。概率型模型不是直接运用火灾过程中的物理化学原理，而是对火灾发展阶段的转变概率进行统计预测。本书不拟对此类模型进行深入讨论。确定型模型又大致可以分为三种，即CFD模型、分区模型以及手算模型。CFD模型：这些模型中最复杂的就是所谓的“场模型”或者称为CFD模型。CFD模拟技术广泛应用于各工程领域。一般地，CFD技术将所考虑的空间区域划分成大量的子区域，在每一个子区域运用质量、动量和能量守恒方程。图1.1给出了如何针对室内火灾进行空间区域划分的示意图。控制方程包含了流动流体的粘性剪切分量等未知量，这种未知量也是CFD模拟主要求解的主要变量之一。图1.1将房间划分为大量子体积的计算流体模型在利用CFD模型处理工程问题过程中，CFD程序不可能耦合进所有物理化学过程。对于火灾问题，目前也存在大量的CFD模拟程序。反过来，这些程序本身又采用了各种不同的方法来模拟各种子过程。其中湍流、辐射和烟尘粒子模拟，以及热解和火焰传播模型、燃烧模型等又是最为重要的几种子过程。对子过程的模拟一般处于比较基础的层级上，而对这些子模型的理解需要物理化学专业领域的专业知识。对CFD模型中所包含的基本物理化学原理的介绍超出了本书的范围。CFD程序的运用要求高性能的计算机和专业知识，这些专业知识不仅包括对物理化学现象的理解，而且要求对数值算法和计算机有一定的了解。另外，问题的提出也需要花费大量时间和成本，然后在计算机上运行，并得到相关的计算结果，因此这种模型在火灾安全过程设计中的实际运用相当少。但在处理复杂几何结构时，这种模拟方法非常有用，有时甚至是处理某些设计问题唯一可行的方法。双区模型：第二类确定型火灾模型将房间划分成为一定数量的控制区域。最常见的是所谓的双区模型，在双区模型中，房间被划分为上层热烟气区和下层冷空气区（图1.2）。在每一个时间步内，对两个分区求解质量和能量守恒方程。在求解过程中，动量方程没有显式的进行求解，通常是在进行各种假设，来得到开口处速度和压力等参数的分析表达式。其他几个子过程，如羽流流动和传热等也按照类似的方法进行模拟。关于手算部分列出了上述各种子过程，本书后一章将推出相应的方程并介绍所做的假设。不同文献对许多双区模型进行了大量介绍。其中一些只模拟了单个房间内发生的火灾，一些模拟了由门、采光井或通风机械等连接的几个房间的火灾。此外，这些模型的校验、用户接口等方面也存在较大的差异。近年来，双区模型在火灾安全工程中的运用增多，用户友好的计算机开发环境增多就是很重火灾爆炸动力学3要的原因之一。但要很好地运用这些模型，要求用户熟悉这些模型的假设和适用范围，即用户需要学习室内火灾动力学的相关课程。本书即为此提供相关背景知识。图1.2室内火灾的双区模型手算模型：对火灾基本过程进行分析的第三种方式就是利用简单的手算模型。此方法基本上是采用一些简化的方法和公式计算火焰高度、质量流率、火灾羽流温度和速度、自动喷淋触发时间、房间内超压和其他火灾参数。本节后面将介绍手算模型。为方便，下面讨论的方法可以分为两类，即处理燃烧、计算火灾环境的手算方法，以及涉及传热的手算方法。这些手算方法的适用范围差异较大，为正确运用，用户必须具备经典物理学的相关知识。1.2.1能量释放与组分生成计算初始火源引起的火灾发展与能量释放，要求知道燃料的种类和数量。人们对各种液体燃料在敞开自由环境中燃烧进行了试验研究，并给出了典型的燃烧速率和燃烧热。如果知道液体溢出的面积，就可以计算这些过程中所释放的能量。如果知道液体燃料的溢出量，则可以计算液体燃烧完所需的时间。一些文献还给出了固体和其他燃烧物体形成的火灾发展过程，同时这些文献还给出了许多家具、窗帘和各种不同类型的材料燃烧过程中的能量释放速率，以及可以用于计算组分浓度的各种燃烧产物组分生成速率值等。室内火灾情况下的能量释放速率也与氧气的供给速率有关。因此，在计算室内最大能量释放速率时，需要知道通风条件方面的情况。任何剩余或未燃烧的燃料都会在火灾房间外有氧气的地方发生燃烧。目前，附带有材料数据库的计算机程序可以使用户合理地选择能量速率曲线。1.2.2火灾诱导的环境用于计算室内火灾产生的环境条件的基本原理是质量、动量和能量守恒方程。运用这些守恒方程可以得到一系列的微分方程组。通过对流进流出房间的能量和质量输运做出某些假设，可以得到质量和能量守恒方程一组具有封闭解的方程组。由于方程本身的复杂性与方程数量较多，因而不可能得到完整的分析解，因此人们往往采用计算机对其进行数值求解。但如果利用试验和各种限制条件与近似假设，也可以得到相关问题的分析解。这种解已有各种不同的表达式，可以用于预测室内火灾条件下的环境参数。火灾爆炸动力学42室内火灾的定性描述本章对室内火灾进行概述，并对其形成和发展过程进行定性的描述，同时讨论了火灾过程中形成的环境条件。这为后面相关计算打下基础。介绍和定义了许多处理室内火灾时所需的各种术语和概念。本章首先对燃烧过程进行了总体描述，并描述了室内火灾的典型发展过程。火灾发展通常可以分为两个不同的阶段，本章对这种划分方法进行了讨论。最后，讨论了影响室内火灾发展过程的各种因素。2.1术语回燃（backdraft）——如果室内火灾通风不足，则可能导致生成大量的未燃气体。如果突然形成开口，则进入房间的空气与这些未燃气体混合，在房间的某些区域形成可燃混合物。此时任何点火源（如余烬）可能点燃混合物并发生燃烧速率极高的气体燃烧。由于燃烧放热发生膨胀，将燃烧着的气体推出开口，在室外形成火球。这种现象具有极高的危险性。闪燃（flashover）——在室内火灾过程中，火灾增强阶段可能转变到充分发展火灾阶段。国际标准化组织（ISO）对闪燃的正式定义为：室内火灾过程中转变为所有可燃物质的表面都发生燃烧的过程。在火灾安全过程中，闪燃用来表示室内火灾由闪燃前火灾发展到闪燃后火灾的临界转变点。燃料控制型火灾——燃料着火后，火灾的早期发展过程即是燃料控制型火灾，因为在火灾的早期阶段，燃烧所需的氧气量充足，火灾的发展完全取决于燃料本身的特性和几何性质。在火灾的后期也可能是燃料控制型。完全发展火灾——也即闪燃后火灾，指从发生闪燃并经历衰减到熄灭阶段。在此阶段的大部分时间内，火灾受通风条件的控制，在火灾衰减阶段中的每个时间点，完全发展的火灾再次转变成燃料控制型。闪燃后火灾——当火灾安全工程设计的目标是确保结构的稳定性以及消防扑救人员的安全，人们最为关心的是闪燃后火灾。这种情况下，设计载荷由火灾充分发展阶段的温度－时间曲线来表征。闪燃前火灾——在火灾的增强阶段，火灾安全工程设计的目标是室内人员的安全。这种情况下，设计载荷有能量释放速率曲线来表征，因此人们最关心的是火灾的增强阶段。通风控制型火灾——随着火灾的发展增强，火灾逐渐受通风条件的控制，此时燃料热解产生的大部分可燃气体燃烧所需的氧气供应不足。此时的火灾能量释放速率由进入房间的氧气量决定。2.2引言火灾是各种性质相互作用的物理化学现象，包括火焰、燃料和周围环境之间的强非线性作用，对这些过程的定量计算是非常复杂的。对室内火灾，人们感兴趣的主要是燃料与环境之间的质量和热量通量。图2.1给出了这些相互作用过程的示意图，表明了室内火灾过程中质量和能量输运现象的复杂性。为了引入这些过程的的主要控制因素，本节对火灾有关的物理化学现象进行了一般性的描述。讨论分为两个部分，即：燃烧过程的总体介绍和总结，对室内火灾发展过程的定性描述，及火灾爆炸动力学5其对室内环境的影响。2.2.1燃烧过程的一般性描述《燃烧学》是一门复杂的学科，其包括了流体力学、传热传质以及化学动力学等学科。在火灾安全工程中，火灾学基础就涉及和处理大量的燃烧问题。在对燃烧的引导性介绍中，我们将以为蜡烛燃料为例，因此这种讨论仅限于固体材料的层流稳态燃烧。但蜡烛的燃烧研究，仅仅对我们所感兴趣的自然过程有一定启示意义。在19世纪，MichealFaraday在伦敦皇家研究院发表了题为“蜡烛的化学历史”演讲。他认为研究蜡烛涉及的物理现象是自然哲学研究最好的引导性问题。考虑图2.2，该图表示一个燃烧着的蜡烛以及蜡烛火焰的温度分布。用如火柴等点火源加热烛芯，固体蜡逐渐发生融化。烛芯的蜡发生蒸发，蜡蒸汽向上扩散运动，进入到有氧气的区域。这些蜡烛蒸汽在氧气燃料的可燃区域以一系列复杂的化学反应发生氧化。然后，蜡烛火焰保持稳定，这种火焰向固体蜡进行热辐射加热，致使固体蜡烛发生融化。因为融化后的蜡发生蒸发并离开烛芯，融化蜡沿烛芯向上移动、蒸发、蒸发、燃烧，结果形成稳定的燃烧过程。图2.1室内火灾过程中热通量和质量通量的示意图。图2.2燃烧蜡烛以及火焰中的温度分布发生在火焰中的过程包括能量和质量流动。能量流动是通过热辐射、对流和导热等方式进行，火灾爆炸动力学6其中主要为热辐射，热辐射的产生主要是由燃烧产生的烟尘粒子发光并向外辐射。对下方固体的主要传热模式就是辐射加热，而燃烧区主要是向上和向外传热。火焰尺寸越大火焰亮度越高，固体蜡烛的融化越快。但到达