火灾蔓延综合分析.ppt

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1、防火防爆,河南工业职业技术学院,三、可燃固体表面的火灾蔓延 相对于气体可燃物和液体可燃物而言，固体可燃物的燃烧过程比较复杂。因此，固体可燃物的火灾蔓延过程也比较复杂。（一）塑料棒的火灾蔓延 为了简化问题，先以塑料棒或板等单一试件为例，分为三种情况：上端着火，火向下蔓延；下端着火，火向上蔓延；中间着火，火向两边蔓延。中间着火实际上就是前面两种情况的综合，这里不单独介绍。图2-20为上或下端着火后，火蔓延的过程图。,从图可以看出，着火的部位不同，传热情况不同，所以火蔓延的速度也不同。在无相对风速条件下，下端着火、火向上蔓延时，因燃烧后的高温燃气流经未燃烧部分的表面，所以对流换热作用很强，未燃烧部分

2、通过对流传热能从高温燃气得到更多的热量，对未燃烧部分的热解、气化有利，因此火的蔓延速度快；而上端着火，火向下蔓延时，因为高温烟气不流经未燃烧部分，对未燃烧都分的传热量少，因此火的蔓延速度就慢。,（二）板的火灾蔓延 板的厚度对火蔓延速度有较大影响。当板厚较小时，向预热区的传热方式主要为气相传热；当板厚较大时，向预热区的传热方式主要为固体内部传热。传热方式的变化导致火蔓延速度的变化。图2-21为有机玻璃板火蔓延速度与厚度的关系。板厚度增加，火蔓延速度减小；板厚度超过某一值后，火蔓延速度趋于某一常值。,根据火蔓延速度（VF）、板厚度、板表面温度（Ts）三者之伺关系的研究结果，在板厚度较小时，火蔓延速

3、度与固体可燃物的气化温度（Tv）同固体可燃物的表面温度差（Tv-Ts）成反比；在板厚度较大时，火蔓延速度（VF）与(Tv-Ts)2 成反比。这说明：对于厚度大的固体可燃物，其表面温度对火蔓延速度有显著影响。,下图为下端着火，向上蔓延火的热分解、气化区的扩大速度（Vp）与着火距离之间的关系。,图中所示的实验结果表明：热分解、气化区的扩大速度随着火距离的增大而增大。火焰在距离着灭点10-15mm处从层流火焰转变为湍流火焰，以后热分解、气化区的扩大速度（火蔓延速度）随着火距离（x）成正比增大。这充分体现了已燃高温燃气的预热效果，而这种效果是一种综合效果，需要注意各种参数之向的相互关系。,当改变材料的

4、种类时；固体可燃物内部热流的分布规律变化不大，但相对位置和绝对值都有明显的变化。这表明：火焰形状和最高温度都有变化，并引起传热关系的变化，特别要注意对流传热项相对重要性的变化。前面所讨论的塑料棒或板的燃烧，只涉及到材料的儿何形状、着火位置、环境条件等对燃烧过程的影响，而役有考虑燃烧过程中固体可燃物受热后液化或结焦的影响。受热后液化的可燃物，其燃烧特性其有液体燃料燃烧特性。受热后结焦的可燃物，会在表面形成一层焦壳，焦壳一般都具有较强的隔热性，可使内层物质不受高温的影响。所以对上述两种情况燃烧特性的讨论必须结合可燃物的性能进行。由于可燃物种类繁多，使得此项工作难进行，目前多采用实验测量办法给出实验

5、数据。,由于实验中采用的试件尺寸较小，用于大试件时应作适当修正，必须考虑热辐射的影响。尤其在环境氧气浓度较大时：燃烧速度较快、火焰温度较高，燃烧放出的热量较多地返回可燃物表面，起到使燃烧速度加快的作用；另外，因挥发份产生速度的增加，在可燃物表面形成了一层挥发份，这层挥发份吸收了火焰的辐射热，同时挥发分的流动又降低了可燃物表面的对流传热，所以还有减慢燃烧速度的作用。,（三）木材等天然固体可燃物表面的火灾蔓延 火焰沿横纹方向的蔓延速度大于顺纹方向的蔓延速度，大约1.3倍。在森林火灾和建筑火灾中的木质可燃物，沿横纹方向烧损程度往往比较严重，就是这个道理。因此，木材的烧损程度应当用烧痕的深度来表示，而

6、不宜用烧痕的面积来表示，这对判断过火林木的使用价值有重要意义。木材尺寸（可理解成树木的年龄）、木条倾斜角、树种等都对火蔓延速度有显著影响。在木条有倾斜角时，木条横截面的高度与厚度对火蔓延速度的影响并不相同。厚度增加时，火蔓延速度下降；高度增加时，火蔓延速度增加。这是因为高度增加时，相当于垂直方向的长度增加，所以火焰对上部木条的预热作用加强，导致火蔓延速度增加。,环境温度升高时，因木材的热解、气化速度迅速增加，火的蔓延速度也相应迅速增加。在大面积森林火灾中，局部可能形成这样的高温环境，使得着火的危险性和火灾蔓延速度增加。,（四）薄片（纸等）固体可燃物表面的火灾蔓延薄片（纸等）固体应用很广，一旦着

7、火燃烧，火的蔓延规律又独具特色，所以单独作些介绍。这种固体可燃物厚度很小，但是面积很大，总的质量不大，热容也不大，受热后升温很快。大量的研究结果表明：薄片固体可燃物的质量燃烧速度等于固体可燃物的气化速度，而固体可燃物的气化速度与外部向固体可燃物的传热量有关。图2-27为某些薄片固体可燃物的质量燃烧速度与外部向固体可燃物的传热关系曲线。,尽管薄片固体可燃物的种类不同，但与传热量基本都呈线性关系。这实质上反映了温度对燃烧过程的影响，碳片的燃烧实验结果也证实了这点。当温度在1000oC以下时,碳片燃烧只有表面反应，所以相应的温度分布、氧气浓度分布和二氧化碳浓度分布如图（a）所示；当温度在1000oC

8、以上时，碳片燃烧除表面反应之外，还有空间反应，所以相应的特性曲线如图（b）所示。上述结果可以用来预侧，贴在墙上的纸着火之后的蔓延速度，窗帘着火之后的蔓延速度等。图 不同温度下碳片燃烧的特性曲线,薄片固体可燃物在燃烧过程中，温度是不断变化的，这必然引起自然对流及传热过程的变化，最后又影响到燃烧过程的变化。由此可见，温度是整个过程的关键参数，对燃烧过程直接影响的参数是相对速度。所以对火蔓延速度与相对速度的关系进行研究是必要的。下图位纸的平均火蔓延速度与相对速度的关系。,按照相对速度的大小，可以分成三个不同的区域：I区：u85cm/s，属于自然对流范围。相对速度增加时，火蔓延速度下降。在每一种相对速

9、度下，火的蔓延过程有个加速现象；II区：85u125cm/s，在此速度范围内，火焰很不稳定，纸中间部分的火蔓延速度忽快忽慢，纸两边的火蔓延速度比中间的慢很多，火焰的整体形状变尖；III区：u125cm/s，火焰蔓延速度进一步下降，但均匀了，也就是说边上与中间的火蔓延速度基本相同，但有局部加速的现象。如果速度再增加，就会发生熄火现象。,为了分析上述现象，需要对纸面附近的气相温度及分布进行研究。为此，在距离初始着火10cm、距离纸面0.1cm处，安装一支热电偶。对应I区、II区和III区的实验条件，测得相应的温度时间曲线。结果表明：在I区未燃侧受火焰前峰高温气体的预热作用明显，气相温度变化并不很规

10、则、但总的趋势是温度不断升高；在II区里高温气体的预热作用呈周期性变化，其原因是高温气体与环境气体交替流过该处所致；III区里高温气体的预热作用只限于紧靠火焰前峰的一小部分，其他部分几乎不受预热影响。对火焰前峰附近流场的进一步观测结果，证实上述分析是正确的。,二、可燃固体微粒物中的火灾蔓延,实验装置有上开口、下开口和上开口三种,着火位置相同（上平面中心）,上述结果表明：开口状态对燃烧规律有显著影响，但初期的影响较弱，随着时间的增长，其影响效果越加明显。其原因是开口状态影响氧气供应、气流流动和传热情况，最后影响到燃烧情况。,着火位置对燃烧情况有显著影响 三种开口状态的燃烧强度顺序为：上下均开口、

11、上方开口、下方开口，这里燃烧强度指阴燃,火灾蔓延过程的综合分析,火旋风由于风向、地理形态、建筑物的影响，火灾在蔓延的过程中会形成旋转火焰，即火旋风。它通常分为垂直火旋风和水平火旋风，它的出现使得火蔓延速度和火强度大大增加。,第二节 火灾发展变化的规律,一、火灾发展变化的基本阶段 火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。通过对火灾的科学研究、实验，我们大致可以从一般意义上把最常见的建筑物室内火灾的发展过程分为初起、发展、猛烈、下降、熄灭五个阶段。,时间温度曲线表示,（一）初起阶段,1、定义：一般固体可燃物质着火燃烧后，在15分钟内，燃烧面积不大，火焰不高，辐射热能不强，烟气流动缓慢，燃

12、烧速度不快，此阶段为初起阶段。,2、特点：面积小，温度低、速度慢、易扑救。火灾的初起阶段，是扑救的最好时机。装饰装潢大量采用可燃材料，使得火灾发生后，初起阶段的时间明显缩短，起火后迅速蔓延扩大，造成人员伤亡和财产损失，这不能不引起大家的高度重视，同时也说明严格按照有关消防规范进行建筑设计、建造和装修的必要性和重要性。,（二）发展阶段,1、定义：如果初起火灾没有及时被发现火扑灭，随着时间的延长，温度升高，周围的可燃物质或建筑构件被迅速加热，气体对流增强，燃烧速度加快，燃烧面积迅速扩大，即进入了燃烧的发展阶段。,主要表现为：大量烟气、火焰窜出门、窗，房盖、局部建筑构件被烧穿，建筑物内部充满烟雾，火

13、势突破外壳向整体蔓延。,2、特点：温度升高，火焰增大，烟气较浓，突破外壳。需要警示的是：如果错过了火灾最佳的扑救时机-初起阶段，任何非专业消防人员冲动、盲目的扑救行动都是极其危险且难以奏效的，不应当不恰当的效仿和提倡。,（三）猛烈阶段 1、定义：如果火势在发展阶段仍未得到有效的控制，由于燃烧时间的继续延长，燃烧速度不断加快，燃烧面积迅猛扩展，燃烧温度急剧上升，气体对流达到最快速度，辐射热最强，建筑构件的承重能力急剧下降，此时便进入了火灾的猛烈阶段。,主要表现是：可燃物质全部起火燃烧，建筑顶部或其它构件变形塌落，火焰、烟雾方向性增强，向上抽拔，形成“烟包火”和“飞火”现象，热辐射范围明显扩大，接

14、近火场使人感到皮肤烧灼疼痛。2、特点：燃烧猛烈，蔓延迅速，破坏力大，扑救困难。如2000年元月11日发生在合肥的庐阳宫大火，仅消防部队就出动兵力400余名，车辆35台，灭火时间5个半小时，持续时间至次日清晨，可见猛烈阶段火灾扑救的困难性与艰苦性。,（四）下降、熄灭阶段：随着燃烧的进行，可燃物减少，逐步熄灭；或由于通风不良，环境内空气（氧气）被渐渐消耗，已经燃烧的可燃物质处于阴燃状态，室内温度降低（500度以下），此时火灾处于下降或熄灭阶段。,室内火灾和油罐火灾是两类常见的火灾，是火灾的两种重要形式。它们发生的原因极其复杂，火灾蔓延过程也涉及很多因素，因此有必要对它们进行综合分析。,二、建筑物室

15、内火灾1室内火灾燃烧特点 初期，也就是常说的起火期；发展期，一般是指从地一着火物引燃第二着火物到轰燃发生之间的过程；最盛期，指轰燃发生到火热衰减之前的过程；终期，指从火灾开始衰减到熄火。火灾初期主要涉及起火规律，发展期和最盛期涉及火灾的蔓延规律。这一过程可以用图2-14所示的室内平均温度与时何的关系来表示。,轰燃 常见定义：室内火灾由局部火向大火的转变，转变完成后室内所有可燃物表面都开始燃烧；室内燃烧由燃料控制向通风控制的转变，转变使得火灾由发展期进入最盛期；在室内顶棚下方积聚的未燃气体或蒸气突然着火而造成火焰迅速扩展。,在工程上应用最广的两个轰燃判据为：上层热烟气平均温度达到600；地面处接

16、受的热流密度达到20 kWm2。满足这两个条件时，通常可燃物可以发生轰燃。影响轰燃发生最重要的两个因素是辐射和对流情况，也就是上层烟气的热量得失关系，如果接收的热量大于损失的热量，则轰燃可以发生。轰燃的其他影响因素有：通风条件、房间尺寸和烟气层的化学性质等。,回燃 当通风条件非常差时，在室内发生的火灾燃烧一段时间后可能会因空气不足而熄火。这时，虽然没有燃烧过程但是灰烬的温度仍然非常高。由于开始时的燃烧过程以及燃烧结束后的高温环境，使室内可燃物仍然进行着热解反应，室内会逐渐积聚大量的可燃气体，此时一旦通风条件改善，空气会以重力流的形式补充进来与室内的可燃气体混合。当混合气被灰烬点燃后。就会形成大

17、强度、快速的火焰传播、在室内燃烧的同时，在通风口外形成巨大的火球，从而同时对室内和室外造成危言，这种“死灰复燃”现象就称为回燃。回燃具有隐蔽性和突发性，因此对生命财产安全危害极大。,室内火灾过程与火室的开口状况密切相关。当没有开口时，燃烧完全处于有限空间内：其特点为：(1)初期与开口关系不大。(2)发展期因火势增大，氧气消耗量增大，没有开口 表现为供氧不足，限制了火势发展，是灭火的最好时机。在此期间因火室的薄弱处破裂形成开口，或因人为原因而开口，都将导致火势的迅猛发展，直到发生轰燃。如果完全没有开口，因供氧不足火势将减弱，最后将转变为阴燃燃烧。此时一定要注意阴燃向明火的转变，防止火势再起。(3

18、)最盛期对于完全没有开口的火室是不存在的，对于有开口的火室又有两种情况，一是开口较小时，为通风控制的燃烧；二是开口足够大时，为燃料控制的燃烧。(4)终期为自然熄灭（可燃物全部烧完）。,2通风因子与燃烧方式通风因子指Sh1/2的组合参数，其中，S为通风口的面积，h为通风口的高度。通风因子较小时，火灾室内与室外的通风不好，对然烧来讲表现为供氧不足，因此燃烧受通风控制；当通风因子足够大时，火灾室内与室外的通风自由，室内燃烧与开放空间的燃烧已无本质上的差别，此时的燃烧受燃料控制。不同的燃烧控制方式，对室内质量燃料速率（R）的影响是不同的。大量的研究结果表明，对木质燃料而言：通风控制的燃烧方式 燃料控制

19、的燃烧方式式中，SF为燃料的表面积；为气体的密度。,图4-19 通风因子与位置的高度对燃烧状态影响 进一步研究表明，燃烧控制方式不但与通风因子有关而且与通风口的位置高度有关。通风口的位置高度定义为通风口自身高度的中心线到底面的距离。上图描述了通风因子与通风口位置高度对燃烧状态的影响。在I区，因通风因子太小，供氧不足，点火后火焰将自动熄灭；在II区，通风因子稍大，但仍不能维持稳定燃烧，燃烧处于振荡状态，即火势忽大忽小，也可能出现振荡熄火；在III区，燃烧稳定；IV区，燃烧受燃料控制。这一研究结果为建筑结构设计提供了重要的依据。,3室内火羽流与热烟气流动 可燃物着火燃烧之后，在可燃物上方形成了气相

20、火焰，这种火焰可分为三个区，最下面的是连续火焰区、中间是间断火焰区，二者合称火羽留；最上面的是浮力羽流区。这种火焰的最大特点是呈间歇性振荡燃烧，形成的原因是由于火羽流与周围空气之间边界层的不稳定性，这种不稳定振动呈轴对称的旋涡结构，如下图所示。因此，火焰便具有相应的形状。图火羽流的轴对称旋涡结构 火焰高度是表示燃烧速率及火灾蔓延规律的重要参数。研究结果表明，火焰高度与火区直径及燃烧速率有密切关系。连续火焰区（即火焰在50%以上时间内存在的区域）只在最下面的很短距离内存在；,如果顶棚高度很小，或者火源半径很大，火焰就可能直接撞击到顶棚。这时，火焰将沿水平方向扩展相当长的距离，形成的高温气体在冷空

21、气上部流动。这种流动受密度差的作用，混合效果很差，相应的对空气的卷吸作用也小，减慢了燃烧速率，但延长了燃烧时间，因此造成火灾蔓延扩大的危险性更大。下图描述了这种流动。火羽流的这种流动特性为火灾探测器安装位置的选择提供了依据。图火羽流沿顶棚水平方向流动示意图,可燃液体的蒸气与空气在液面上边混合边燃烧，燃烧放出的热量会在液体内部传播。由于液体特性不同，热量在液体中的传播具有不同的特点。对于原油、渣油、蜡油、沥青、润滑油等重质油品，在一定的条件下，热量在其中的传播会形成热波，并引起油品的沸溢和喷溅，使火灾变得更加猛烈。1、基本概念(1)初沸点：重质油品中最轻的烃类沸腾时的温度，也是原油中最低的沸点。

22、(2)终沸点：重质油品中最重的烃类沸腾时的温度，也是原油中最高的沸点。(3)沸程：重质油品不同比重不同沸点的所有馏分转变为蒸气的最低和最高沸点的温度范围。(4)轻组分：重质油品中比重最轻、沸点最低的很少一部分烃类组分。(5)重组分：重质油品中比重最大、沸点最高的很少一部分烃类组分。,2、重质油品燃烧时热量在液层中的传播特点 重质油品的沸程较宽，没有固定的沸点。在燃烧过程中，火焰向液面传递的热量首先使低沸点组分蒸发并进入燃烧区燃烧，而沸点较高的重质部分，则携带在表面接受的热量向液体深层沉降，形成一个热的锋面向液体深层传播，逐渐深入并加热冷的液层。这一现象称为液体的热波特性，热的锋面称为热波。热波

23、的初始温度等于液面的温度，等于该时刻重质油品中最轻组分的沸点。随着重质油品的连续燃烧，液面蒸发组分的沸点越来越高，热波的温度会由150oC逐渐上升到315oC，比水的沸点高得多。热波在液层中向下移动的速度称为热波传播速度，它比液体的直线燃烧速度（即液面下降速度）快。在已知某种油品的热波传播速度后，就可以根据燃烧时间估算液体内部高温层的厚度，进而判断含水的重质油品发生沸溢和喷溅。因此，热波传播速度是扑救重质油品火灾时要用到的重要参数。热波传播速度是一个十分复杂的技术参数，其主要影响因素包括：(1)重质油品的组成,重质油品中轻组分越多，液面蒸发气化速度越快，燃烧越猛烈，油品接受火焰传递的热量越多，

24、液面向下传递的热量也越多；此外，轻组分的含量越大，则油品的粘性越小，高温重组分的沉降速度越大。因此，油品中轻组分越多，热波传播速度越大。(2)重质油品的含水量在一定的数值范围内（如 4%），重质油品含水量增大，热波传播速度加快。这是因为含水量大的油品粘度小，油品中的高温层易沉降。但含水量超过6时，油品点燃很困难，即使着火了，燃烧也不稳定，影响热波传播速度。(3)油品贮罐的直径试验研究表明，在一定的直径范围内，油品的热波传播速度随着贮罐直径的增大而加快。但当直径大于2.5m后，热波传播速度基本上与贮罐直径无关。(4)贮罐内的油品液位,贮罐内的重质油品发生液面燃烧时，如果液位较高，空气就较容易进入

25、火焰区，燃烧速度就快，火焰向液面传递的热量就多，所以热波传播速度就快；反之，液位低，热波传播速度就慢。例如，含水量为2%的原油，油面距罐口高度分别为145mm和710mm时，热波传播速度分别为5.94和5.00mm/min。除了上述因素外，还有一些外界条件也影响热波传播速度的大小，甚至影响热波形成。例如，实验发现，油品中的杂质、游离碳等，对热波的形成起很大的作用，且油品中的杂质有利于形成重组分微团，从而加快了热波传播速度；风能使火焰偏向油罐的一侧，使下风方向的罐壁温度升高，罐内液体的温度分布不均匀，从而加快了液体的热对流和热波传播速度；对较小直径的贮罐用水冷却罐壁，能够带去高温层中的热量，阻止

26、高温层下降，从而降低热波传播速度。3、重质油品的沸溢和喷溅 重质油品粘度比较大，且都含有一定的水分。油品中的水一般以乳化水和水垫两种形式存在。,所谓乳化水是原油在开采运输过程中，原油中的水由于强力搅拌成细小的水珠悬浮于油中而成。放置久后，油水分离，水因比重大而沉降在底部形成水垫。在热波向液体深层运动时，由于热波温度远高于水的沸点，因而热波会使油品中的乳化水气化，大量的蒸气就要穿过油层向液面上浮，在向上移动过程中形成油包气的气泡，即油的一部分形成了含有大量蒸气气泡的泡沫。这样，必然使液体体积膨胀，向外溢出，同时部分未形成泡沫的油品也被下面的蒸气膨胀力抛出罐外，使液面猛烈沸腾起来，就象“跑锅”一样

27、。这种现象叫沸溢。从沸溢过程说明，沸溢形成必须具备三个条件：(1)重质油品具有形成热波的特性，即沸程宽，比重相差较大；(2)重质油品中含有乳化水，水遇热波变成蒸气；(3)重质油品粘度较大，使水蒸气不容易从下向上穿过油层。如果油品粘度较低，水蒸气很容易通过油层，就不容易形成佛溢。,油罐火灾在出现喷溅前，通常会出现油面蠕动、涌涨现象；火焰增大、发亮、变白；出现油沫24次；烟色由浓变淡；发生剧烈的“嘶！嘶！”声等。金属油罐会发生罐壁颤抖，伴有强烈的噪声（液面剧烈沸腾和金属罐壁变形所引起的），烟雾减少，火焰更加发亮，火舌尺寸更大，火舌形似火箭。当油罐火灾发生喷溅时，能把燃油；抛出70-120m。不仅使火灾猛烈发展，而且严重危及扑救人员的生命安全，因此，应及时组织撤退，以减少人员伤亡。,火灾的双重性火灾过程既有确定性，又有随机性。确定性火灾的孕育、发生、发展、熄灭过程具有规律性；随机性火灾各个子过程都要受到不确定性因素的影响。这就决定了火灾科学研究手段是模拟研究和统计分析及两者的结合。火灾既有自然属性，又有人为属性：火灾不仅仅是一个自然过程，它要受到人的影响，火灾的绝大多数是人为因素引起的，人为因素是火灾系统的组成部分之一；同样，火灾的危害不仅是财产的损失，而且具有重要的社会影响。,