现代建筑火灾动力学探讨?
因此,人们开始深入研究火灾行为,包括闪燃、逆燃以及不同灭火行为的灭火效果。与此同时,人们已经开始估算火灾荷载,即木材或复合材料单位面积或单位磅的放热量,通常采用Btus/1b(英国热力学单位)。描述或行为开始使用以下新参数:F(华氏)、水容量(加仑/分钟)和水压(1b/in2)。近年来,火灾行为的计算机模型取得了快速进展,NIST和UL在灭火研究方面也取得了重大突破。这些模型和研究仍需进一步验证,以确保灭火行为与一直在发展变化的火灾行为相一致。
1基础理论
虽然目前的累积火灾理论是基于燃烧四面体和火灾三个不同的发展阶段,但不同的人对这些火灾理论有不同的看法,火灾发展阶段或火灾描述方法通常是定性的,而不是定量的。比如轰燃定义为室内所有物质同时开始点燃的瞬间。现在,这些火灾理论亟待发展和深化,对火灾行为要有定量的认识。在定量描述火灾行为时,应使用国际单位而不是英制单位,温度用摄氏度(℃),长度用米(m)等等,这与所有技术报告和大多数计算机模型一致。虽然英制单位也可行,但适用范围不广。比如描述一个12ft×10ft×8ft的房间的火灾实验,天花板温度可以达到1200 F,而对应的电脑模型一般房间尺寸为3.7m×3m×2.5m,天花板温度为650℃。
据研究,在分析火灾(包括轰燃)的发展和蔓延时,三种传热模式——热传导、热对流和热辐射——是非常重要的。一般对传热过程的理解是,热传导是分子热运动和分子能量传递的过程,热对流是流体运动的过程,热辐射是电磁能量传递的过程。每种传热方式都涉及能量从一个物体的高温向另一个物体的低温传递,能量一般定义为做功的能力。为了正确使用当前的火灾术语,有必要对火灾行为进行定量描述。虽然本文不会使用公式运算(类似的方法在课本和课堂上都可以使用),但本文将重新定义火灾动力学中的传热过程和描述火灾能量的术语。
2传热过程
要研究传热过程,最重要的是确定到底有多少能量从一个位置传递到另一个位置,比如从火焰(流体)到固体表面(比如墙壁)的热对流传热。这种传热模式被定义为热通量,并描述为每单位面积的热能,变量q用于描述三种传热模式中任何一种的热通量。既然不同的热通量都是Q,那么测量热能和面积的单位是什么呢?热通量通常以kW为单位,面积通常为m2。
因此,通常以kW/m2来测量热传导。那么这个单元的意义是什么呢?如何应用到灭火中?当然,热传递过程总是影响着我们周围的人。虽然人们看不到热量被传导,但可以看到辐射热源会点燃一个裸露的部分,插在墙上的铁条通过热对流点燃纸箱,热对流点燃室内装修材料。从定量的角度来说,q值可以衡量一个物体是否能点燃,会带来的损失。
比如刨花板(无点火源)在20kW/m2的外热源作用下,250s后可以自燃。暴露的皮肤在4kW/m2的热源下会被灼伤。在很多教科书中,轰燃被定义为一个房间内所有可燃物质同时被点燃的瞬间。一些消防研究人员认为,当从热天花板到地板的热通量达到20kW/m2时,就会发生轰燃。目前在网上搜索火灾资源,不同的实验对很多材料的点火能量进行了不同的研究。此外,实验报告还研究了不同温度下的火焰、羽流、天花板烟层、特征条件和热流密度。在灭火应用中,传热过程的定量描述可以根据实际情况不断改变灭火方法。举个例子,我突然收到消息,某高中附近的一个偏僻的汽油储罐发生了火灾(露天蒸汽开始爆燃),大坝泄漏的火焰不断释放辐射热。
为高中定量描述火灾爆炸的辐射热,需要考虑火焰高度、学校与罐体的距离以及火焰的辐射热流是否足以点燃学校内的可燃物。了解消防术语和热流,可以让大家在面对火灾进行个人防火时,更好地理解各种技术报告参数。例如,最近便携式广播的热测试和故障测试将热通量作为测试标准之一。考虑以下场景:假设消防员头盔上装有辐射计(一种测量辐射的装置),轰燃的临界辐射热流为20kW/m2,假设消防员在接近轰燃热源时知道火灾的各种实时参数,将非常有利于及时采取防护措施。在火灾来袭时,通过控制送风量来管理风量是非常重要的,那么为什么不多了解一下消防员周围的火情呢?未来,在消防员进行内部攻击时,随时监测辐射热通量或许是可能的。
3火源能量
今天,许多火灾研究人员使用热释放率来衡量火源的能量,他们认为这是火灾发展的唯一重要因素。对于消防员来说,这个变量可以衡量火灾危险的程度。如上所述,多年来,火灾风险预评估是基于火灾荷载,特别是火灾中每磅特定可燃物向地板的热释放(Btus)。如今,优化的火灾风险评估将使用最大热释放率。无论哪种火灾,热释放速率都是随时间变化的,开始比较小,逐渐增大到一个峰值,最后随着火的燃尽或通风情况的变化而减小。在地图上,“火的整个生命周期”就像一座山的形状,山坡根据燃烧物质的不同而陡峭或大体不同。热释放速率的峰值,即“山”的顶点,常用来衡量火灾危险性,因为这通常是火灾中最危险的情况。
放热率一般用Q表示(俗称“大Q”),发生火灾时用kW或MW来衡量。对于一些常见材料的火灾,包括废纸篓,最大放热率在4 ~ 50千瓦之间,圣诞树的最大放热率为3 ~ 5兆瓦,聚乙烯沙发的最大放热率约为3 ~ 5兆瓦。在过去的15年里,实际火灾的计算机模型一直使用NIST开发的FDS模型。最早的火灾模型模拟了1989年CherryLane的一场华盛顿大火,两名消防员牺牲。火灾模型用于模拟火灾的发展,包括火灾中通风的变化。图1显示了变化的热释放率。注意,热释放率的突然增加发生在140s时,大楼侧门突然打开的瞬间。目前,FDS及其附加产品Smokeview(可提供FDS计算机模型的可视化图像)不仅可用于研究实际火灾,还可用于设计新的“标志性”建筑,尤其适用于“基于性能的”消防设计。在这种情况下,建筑虽然不能满足规范中的防火要求,但可以达到一定的防火性能。在评估防火性能时,应考虑一个或几个特定的防火等级(热释放率以千瓦或兆瓦为单位测量)。
重要的是,在建立计算机模型时,需要对火灾类型进行选择和建模,选择合适的疏散时间,设计合适的灭火系统等等。当然,显而易见,在最危险的场景下,选择一个火灾模型是非常重要的。基于特定的防火等级,可以进行防火设计。根据经验,设计火灾场景要慎重。有时设计师可能会低估火灾的规模。如果没有准确的衡量火灾规模的依据,请及时咨询相关专家。做出这样类似的决定并不容易。有一次,我参加了德克萨斯州圣安东尼奥市的消防法规修订过程。最难确定的是火灾现场人员的疏散时间。根据重要火灾报告和专家建议,最危险火灾现场的最大热释放率为20MW。
这个消防尺度用于设计排烟系统,通过排烟为人员疏散创造一个干净的疏散通道。最后要求实际火灾规模为20MW,用丙烷燃烧器制作漂浮的烟柱。最后排烟系统通过测试。火灾规模在设计灭火方案时将如何发挥作用?在规划时,火灾模型将帮助消防员模拟社区中的目标危险。只要运行仿真模型,就可以清晰地看到火灾的发展过程、烟雾的流动过程以及灭火现场的火灾场景。火灾模拟可以确定建筑物的耐火等级、灭火水量和可行的灭火策略。
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