浅析室内火灾中火焰地正常传播特性

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科 目：

防灭火与防爆技术

教

师： 波

姓 名： 树 文 学 号：

专 业： 矿业工程 类 别： （ 学术 ）

上课时间： 2013 年 5 月 至 2013 年 6 月

考 生 成 绩：

卷面成绩 平时成绩 课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师 (签名)

大学研究生院制

（联系） 浅析室火灾中火焰的正常传播特性

摘 要：本文简述了室火灾的发展过程以及对其影响的主要因素，同时详细讲述了室火灾中火焰传播的几种典型情况，并简要叙述了材料表面火焰传播的计算方法。

关键词：室火灾；火焰；正常传播

1.前言

火灾是个复杂的现象,它的形成、发展和蔓延取决于许多相关的因素,它是一种失去控制的燃烧所造成的灾害。它可以无情地夺去许多人的宝贵生命,可以在顷刻之间将人类多年创造的财富化为灰烬。有史以来，火灾给人类的生产和生活带来了沉重的损失和惨重的教训。在人类与火灾斗争以及文明前进的过程中，人类对火灾的认识不断进步，从对火灾的表面感性认识到探讨火灾的部机理，火灾科学从无到有，已经基本得到了全面的认识。

近年来，随着我国经济建设的快速发展，火灾形势日趋严峻。据统计，1993年至2007年，全国共发生火灾23万多次，死亡3.5万余人，火灾次数及其所造成的经济损失呈上升趋势。表1-1为历年我国有关火灾的统计数据，由表可见，近年我国火灾发生的次数居高不下，火灾形势依然严峻，但随着国家对消防安全以及火灾科学研究的日益重视，“以人为本”的理念深入人心，近年火灾的伤亡人数得到了有效控制，群死群伤的火灾案件不断减少，2006年和2007年，全国火灾死伤人数分别为2935和2281人，与2005年相比下降了了50%左右。

表1-1我国各年度火灾情况（不含森林、草原、军队、矿井地下部分火灾）

年份 火灾次数次 死亡人数(人) 受伤人数(人) 直接经济损失（亿元）

1977 66033 5178 7970 2.9

1978 67119 3815 7318 2.2

1979 61449 3463 5323 2.2

1980 54333 3046 3710 1.8

1981 50034 2643 3480 2.3

1982 41541 2249 2929 1.9

1983 37026 2161 2741 2

1984 33618 2085 2690 1.6

1985 34996 2241 3543 2.8

1986 38764 2685 4306 3.2

1987 32053 2411 4009 8.1

1993 38073 2378 5937 11.2

1994 39337 2765 4249 12.4

1995 37915 2278 3838 ll

1996 36856 2225 3428 10.3

1997 140280 2722 4930 15.4

1998 142326 2389 4905 14.4 1999 179955 2744 4572 14.3

2000 189185 3021 4404 15.2

2001 216784 2334 3781 14

2002 258315 2393 3414 15.4

2003 253932 2482 3087 15.9

2004 252704 2558 2969 16.7

2005 13.9万 2481 / /

2006 222702 1517 1418 7，8

2007 15.9万 1418 863 9.9

2.室火灾危害的表现形式

室火灾的发生会造成惨重的直接财产损失，造成的间接财产损失更为严重，造成大量的人员伤亡，造成生态平衡的破坏，造成不良的社会政治影响。

室火灾的危害主要体现在火灾烟气的危害，烟气是火灾中对人构成危胁最大的因素，世界各国的火灾案例统计表明，火灾中人员的死亡有80%以上是由于烟气引起的，其部分是因为吸入烟尘和有毒气体昏迷后致死的。火灾烟气是火灾燃烧产物与空气的混合物，其中包括可燃物热解、燃烧产生的气相产物(如未燃可燃气、水蒸气、二氧化碳以及一氧化碳、氯化氢、氰化氢、二氧化硫等窒息、有毒或腐蚀性的气体)、多种微小的固体颗粒(如炭烟)和液滴以及由于卷吸而进入的空气。烟气对人的危害性主要体现在高温、毒性、窒息、遮光、心理恐慌作用等方面。

高温。烟气是燃烧产物与周围空气的混和物，一般具有一定的温度，其温度与离火源距离以及火源大小燃料种类有关。烟气主要通过辐射、对流等传热方式对暴露于其中的人员造成伤害。研究表明，①人体受到辐射强度超过2．5kw/m2的热辐射时便可发生危险。要达到这种状态，人员上方的烟气层温度一般高于180℃;②当人员暴露于烟气中时，烟气温度对人的危害体现在对表皮以及呼吸道的直接烧伤，这种危险状态可用人员周围烟气的温度达到120℃来判断。

毒性。火灾烟气中往往含有CO、S02、HCN、NO等有毒成分，当人员暴露于烟气中时，导致人员昏迷、这些有毒成分能使人呼吸系统、循环系统等身体机能受损，并达到2500ppm部分或全部丧失行动能力甚至死亡。有数据表明，当CO浓度就可对人构成严重危害。

窒息。烟气中的含氧量一般低于正常空气中的含氧量，而且其中的COZ和烟尘对人的呼吸系统也具有窒息作用，有数据表明，若仅仅考虑缺氧而不考虑其它气体影响，当含氧量降至10%时就可对人构成危险。

遮光。火灾一般都是不完全的燃烧，烟气中往往含有大量的烟尘，由于烟气的减光作用，人们在有烟场合下的能见度必然有所下降，而这会对火灾中人员的安全疏散造成严重影响。

心理恐慌。由于以上火灾烟气的特性，特别是它的遮光性以及窒息和刺激作用，很容易对暴露于其中的疏散人群造成心理恐慌，增加疏散的困难，容易形成相互挤踩的伤亡。

室火灾造成的危害损失巨大，而在室火灾过程中，火焰的传播是火灾的控制和发展中起着非常关键的关键因素，因此，详细描述室火灾的发展过程以及对其影响的主要因素，同时详细讲述了室火灾中火焰传播的几种典型情况，并简要叙述了材料表面火焰传播的计算方法很有必要。

3.室火灾的发展过程

房间发生的火灾通常要经历几个发展阶段，即引燃、发展初期(轰燃前)、完全发展阶段(轰燃后)和衰减期四个发展阶段。

在第一个阶段，点火成功后，由于可燃物刚刚被引燃，一般固体可燃物质发生燃烧，火源面积不大，围很小，火焰不高，烟和气体的流速不快，辐射热不强，火势向周围发展的速度比较缓慢，整个房间空间相对于火源来说比较大，供氧充足，所以燃烧情况与开敞空间的燃烧基本相同。这段时间的长短，随建筑物结构及空间大小的不同而不同，周围的墙体对火灾基本没有影响，这时候火焰主要由燃烧物决定。在这种情况下，只需少量的人力和简单的灭火工具就可以将火扑灭。

在早期阶段，房间本身对火灾几乎没有影响，因此将此阶段的火灾称为燃料控制的火灾。除了释放能量，还会产生各种毒害气体和非毒害气体，以及固体燃烧产物。火焰中的热烟气被周围冷空气包围着，热烟气温度越高，其密度越小，在密度差（或浮力）的作用下向上运动。当热烟气向上升腾时，冷空气会被卷吸进入到火灾羽流中。这种燃烧产物与空气的混合物向上升腾并接触到房间顶棚，从而形成炽热烟气层。与顶棚接触的热烟气中只有很小部分质量来源于燃料本身，而大部分质量是当火灾羽流向顶棚持续运动过程中在水平方向卷吸进入的空气。由于这种卷吸作用，羽流的总质量流率逐渐增大，其平均温度和产物组分的浓度则随着高度的增加而降低。

当羽流与顶棚接触后，热烟气以动量驱动的环形射流的方式沿顶棚蔓延，这种射流的速度和温度具有重要的实际意义，因为搞清楚这些参数有利于计算顶棚附近安设的烟雾和温度探测器的响应情况。顶棚射流最终将会达到房间侧壁，受墙壁的限制作用，因而其沿壁面向下运动。但顶棚射流中的气体仍然比较周围环境空气的温度高，因而这种流动最终会由于浮力的作用转而向上运动。因此，在顶棚下面形成热烟气层。

羽流持续从下层气体中卷吸进空气，并将其向顶棚输运。因此，热烟气层的体积逐渐增大，热烟气层与下层的界面逐渐下降。随着热烟气层的下降，热烟气层的温度逐渐升高，因而这种传热过程会增强。热烟气层通过热辐射和对流方式向与热烟气接触的顶棚和墙壁传热。同时，热烟气层也通过热辐射向地板和下部墙壁传热，其中部分热量被下部区域的空气吸收。另外，也有部分热量传递给燃料床，这些热量不仅来自于火焰，而且随着火灾的不断增强，越来越多的热量来自于热烟气层与温度较高的墙壁对的辐射作用。这种向燃料床的传热会导致燃料的燃烧速率增加，从而使室的燃料块其他部位也被加热。

随着燃料的燃烧速率不断增加，或由于最初点燃的物体的火焰发生扩展，火灾逐渐发展。热烟气的温度升高，其温度可能达到很高的值。因此热烟气层向对室其他可燃物进行辐射加热，在每一个阶段，室所有的可燃物都发生点火燃烧，能量释放速率迅速增加。因此火灾可能从发展相对缓慢的状态突然转变为极具能量和破坏的状态在局部火焰高温和烟气层辐射的共同作用下，使得火源附近可燃物不断分解、燃烧，并最终导致整个房间的全面燃烧(轰燃)，从而进人火灾完全发展阶段。当房间轰燃后，房间所有可燃物都开始燃烧，并且火焰充满整个房间，火灾温度随时间持续上升，甚至达到1000℃以上，极具破坏力并且难于扑救，对建筑结构危害也很大。

火灾衰减期，猛烈燃烧过后，火势衰退，室温度下降，烟雾消散，火灾渐渐平息。

4.室火灾的影响因素

影响室火灾的因素很多，根据资料文献总结出影响室火灾的因素主要是以下几方面:

1点火源大小和位置

点火源能量越大，在此点火源下发生的火灾增长就越快。点燃源出现在墙角，发生的火焰传播和火灾增长就快，同样的火源如果出现在房间墙壁的上方，相对来说火灾发展就比较缓慢，如果火源在地面，火焰的传播就更慢，但是如果火源周围有大量可燃物如沙发，那火灾发展就会非常迅速。

下图是一组lm高的木垛燃烧时在火焰上方随高度变化的温度曲线。A代表的是无限大的房间，即燃烧情况不受墙体的影响;B表示将木垛放在足够大的房间的一面墙附近，基本不用考虑其它墙体的影响;C是将木垛放在墙体角落处。从中可以看出房间墙体对火焰温度的影响是非常大的。

图1.木垛燃烧时所高度变化的温度曲线

2可燃物类型、数量和表面积。

火灾发展的快慢还跟可燃物自身的性能有关，有些易燃材料如泡沫、布料、纸等，它们会导致火焰快速传播，但燃烧的持续时间很短，而另外一些材料如木质家具虽然燃烧缓慢，但燃烧持续时间很长。由于不同的材料燃烧过程有着显著的差异，这直接影响着材料的燃烧速率。比如木材的燃烧分解可以简单的写成:

图2.木材分解

但是如果是泡沫塑料如聚苯乙烯，受热过程中会随着温度的升高发生状态的转变，从最初的固态转变成玻璃态，然后变软到橡胶态，随着温度的进一步升高聚苯乙烯熔化成为粘流态，如果温度升高到150℃又会收缩近乎固态，但是如果继续加热那么它就会