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建筑隔间的火灾现象
JAMES G. QUINTIERE
Department of Fire Protection Engineering
University of Maryland
0151 Glenn L. Martin Hall
College Park, MD 20
742, USA 在典型的建筑隔间中对火灾行为进行研究。隔间只有通风口时一般考虑天花板的高度通常为3米。近似的数学公式被用作描述于着火过程中和完全着火时的重要物理学。采用对分层效应考虑的一个单曲气相模型。燃料特性用最简单但是非常有效的术语来考虑。研究表明，燃烧热与气化热的比例是一个重要的燃料变量。婴儿床和池床火灾被讨论。这些代表燃料燃烧率的极端分别受内部或者外部燃烧效应的影响。婴儿床倾向于由它的内部传热和燃烧速率来控制的。在文章中，这里的池火表示燃料表面有较小辐射的路径长度。塞门诺夫图被用来说明火灾发展到闪络的特性。研究表明，在低温下火焰同时传播会导致闪络。临界条件取决于燃料柜的特性。对于火势旺盛的情景下，解释通风和热反馈的影响。火灾羽流温度数据表明在化学计量和绝热的条件下，在完全燃烧的室内火灾中最大的湍流火焰温度大约是1500摄氏度。对于婴儿床和池火得出了实验性的结论，以支持通过近似分析表明的趋势。
引言
热反馈过程和氧限制反馈过程都会影响隔间里的火灾。在建筑防火安全或者火灾调查这门课程中，我们必须掌握所有燃料特性对火灾蔓延的影响。在近似数学中表达相关物理的能力对于能够在特殊情况下关注重要的元素是至关重要的。在火灾调查中，这个过程有助于我们对火灾进行定性描述，其次也可以估计出事件发生的时间线。这一种近似分析通常是有一定依据的，尤其当其他信息可以证明时（例如，目击者，报警记录，录像）。例如，在1986年，杜邦广场发生的火灾，他就合理的演绎了在舞厅里如何通过闪络产生富有可燃的物质，这些物质被点燃然后冲破玻璃烧到了赌场，产生高速的重力波造成大约有85人死亡。这场一共持续了大约15分钟的火灾可以通过分析来重现[1]。对火灾事故进行事故分析，从而纠正设计中的错误或者评估过失是非常重要的。我们需要用这种方法对最近几起恐怖分子袭击世贸中心大楼进行彻底的检查。
我们关于火灾的知识还是非常的少，而且还有很多的建筑火灾的特性需要研究。在这篇文章中我会试着描述出我所知道的物理现象。我将引用一个文献，但绝对不是完整的回顾这篇文章。但是，Thomas的作品提供了很多研究，比如（1） 木垛火灾[2]，（2）闪络和不稳定性[3,4], （3） 池火隔间[5].
本篇文章的研究范围将集中在居住的典型建筑间火或者名义上高度大约3m的工作地方。它不会明确的检测其他重要的结构，例如：
1：在高而且大的空间里，氧气瓶是非常重要的
2：观察消光和震荡燃烧的燃烧室[6-8]
3：只有天花板上有通风口的隔间（例如：船舶，地下室）
这些场景在图1中有描述第一种情况会在火灾的整个范围内进行检测，从开始蔓延和增长到闪络到完全发展的状态，在这里闪络被定义为一种过渡，通常情况下是十分迅速的，在隔间里火焰会明显增大。火焰充分发展的状态就是所有可用燃油参与的最大程度，它取决于氧气或者燃油的限制。只考虑闪络的热模式。另一种可能是由于燃油过多的燃烧所以其产物富有可燃性，但是很少会发生。
受邀专题评论
图1 隔间火灾情景
图 2 舱内燃料的燃烧率
燃料特性
一种物质（固体或者液体）对火的贡献可以用其一小部分属性来描述（但它们在应用和测量中的通用性和普适性尚未确定）。这些包括以下内容：
- 热性能:厚材料的kqc，例如，103(泡沫)至105(木材)，英寸(W/m2K)2s。
- 点火温度:Tig，领航:lt;200(普通液体)和200–400(固体)℃；自动:200–400(液体)和400–600(固体)℃。
- 汽化燃料的燃烧热：△hc,例如，20–45(液体)、20–40(熔化固体)和10–20(炭化固体)kJ/g。
- 气化热:L，蒸发单位质量燃料所需的热量，例如，0.5–1(液体)、2–4(熔化固体)和5–10(炭化固体)，单位为 kJ/g [9]。
最后一个特性可能是最有争议的，因为它将复杂的瞬态和退化过程结合在一起。它可以通过改变加热速率和记录(峰值)质量损失率来近似测量。对于纯液体，它是一个精确的热力学性质(汽化热加上热容量)。气化热对于用吸收的净热流量来表示冷凝燃料的质量供应率(单位面积)至关重要:
加热系统由火焰和外部(隔间)加热组成。由于火焰温度取决于氧气质量分数(Y)，外部辐射加热取决于舱室温度(T)，舱室中的燃料供应率可根据其在环境空气中的燃烧率进行估算（Prime;F.o）如下
这种行为已经在控制条件下进行了测量和关联[10,11]。这种行为在不同的燃料装载和通风条件下[12,13]在一个隔室中的堆沙池再燃烧中得到说明(图2)。婴儿床代表受内燃效应控制的燃料，而池床(图2)规模小，吸收率低。总的来说，在本文中，小规模池火焰将用于代表具有火焰表面和一般低吸收火焰的燃料，例如垂直表面上的边界层火焰。这两种燃料配置已经过研究，代表了现实建筑燃料的各个方面。如图2所示，它们对隔室温度具有两种极端的敏感性。对于这些气流，随着燃烧产物流中的氧气下降，气流中的氧气浓度(等式2)将会降低，并且随着通风口的减小，两股气流之间会发生混合。当燃烧产物中氧气含量为零时(被定义为通风受限)，这种情况(图2)会发生在甲烷池中。计算表明，在通风受限的条件下，随着通风孔开口减小，气流中的氧气质量分数从大约0.19下降到0.09[13]。
保护关系
原则上，隔间的能量守恒提供了控制关系，以及燃料响应，以确定行为。质量和氧气的守恒提供了支持。作为一种简化，但不失一般性，隔室气体被认为是均匀的。实际上，气体性质是稳定的，双区模型更正确(图3)。但是随着火焰的增长和混合的发生，上部区域(烟层)将增加至整个隔间。对同质模型的流体动力学解释的考虑，至少概括了隔间行为的趋势。
流动动力学
隔间内的压力基本上是大气压力[14]，由于流体静压差，气流出现在通风口[15]。排气流速和进气流速(图3)可分别给出如下
流动系数C约为0.7 [16]。输入流速必须等于八分之一以上的重入流速，其中，该雾沫夹带率的最大高度可以线性近似为[17，18]:
其中，D是纤维的直径。等式4和等式5给出了一些近似值:
Hn/Ho范围约为0.35至0.65，Hs/Ho范围分别为0至0.6，[15]。因此，随着温度和湿度的增加，烟层会随着温度的增加而下降。在这些条件下，一个单区域模型是合理的，并且流入率是最大值，简单给出如下
其中ko=0.5kg/s m5/2为Tge;150℃
质量
对于单区域模型，在完美的情况下，质量守恒可以写成
氧
对于单区域模型，在完美的情况下，质量守恒可以写成
式中，s是化学计量的空气与燃料的质量比，空气中的碳氢化合物，△hc /s～3.0kJ/g空气，对燃料来说几乎是常数。在稳定条件下，或者在瞬态项可以忽略的情况下，
能量
能量方程是车厢热反馈的原因。它可以用燃烧能量和对流(平流)、传导和辐射的能量损失来表示。
在大多数情况下，瞬态项可以忽略，但能量的任何突然变化都会导致压力变化。(1993年，得克萨斯州韦科市，闪电发生在冰岛的一个地方，可以观察到一股突如其来的烟雾从通风口喷向风中，[19])通过用气流速度归一化稳定方程，并将所有损失表示为线性积分，方程11可以求解为
讨论了无量纲x损失因子。
流量x因子
流动系数x0是流出与流入的比率：
phi;lt;1时约为1,因为s的范围从3到13，分别用于炭化成液体燃料。
壁损失系数
壁损失系数xw是根据隔室传热表面积A和总传热系数h给出的，用T表示。
一般来说，h取决于对流(hc)、辐射(hr)和传导到墙壁(hk)的情况
可以估计，典型值范围为hc～10-30，hr～5-100，and hk～(krho;c/t)1/2～5-60W/m2K。对于厚壁，壁电导将随时间而减小。出于估算xw的一般目的，将分配h=20W/m2K的值。因此，
此外，通风系数A/AOradic;HO将针对标称高度为3米的隔间和宽度为3米的方形隔间进行估算。将总窗户宽度Wo表示为高度为3米的等效通风口周长的分数xv，可以看出通风系数为
对于从3到70米的宽度，通风系数从1(全墙通风的隔间)到10(典型的房间和住宅，大型现代建筑)到gt; 100(通风非常小的隔间)。因此，xw的范围从0.04到大于4。这表明xw对于玻璃塔中的办公空间来说很小，可以忽略不计。
通风口-辐射系数
根据国际建筑顾问公司(CIB)的数据[20]，来自通风口的辐射流在冷却气体温度下被合理地表示为黑体。因此，
对于较小的“To/T”值，该系数的范围为0.002至0.2，而“T”的范围为25至1200 ℃。总之，我们有以下几点:
xo～1适用于小尺寸和大尺寸通风口，xo～1-1.5适用于大尺寸和phi;gt;1。
对于非常大的通风口，xw～0.04对于典型的隔间，xw～0.04对于phi;gt;1。
xr～0.002，适用于小流量和约0.2大流量(高温)。
车厢温度
重要的是要理解从结构防火利益中提升最大复合隔间温度的条件。标准结构重新试验在1小时内暴露于大约900 ℃，在4小时内暴露于高达1100 ℃。最大温度超出了理想配比条件。通常，从化学计量条件的方程12和13中，温度给出如下
其中，Tf,ad是指温度。据报道，天花板附近记录的气体温度高达1350 ℃·[21]，平均温度超过泄漏燃烧极限1000至1200 ℃(对于聚乙烯纤维[21]和大约900至1200 ℃(对于木质婴儿床[20])。对于具有辐射损失分数xr的湍流火焰羽流，类似的公式适用于燃烧区。湍流火焰(中心线)温度给出为[18]。
从最佳可用数据[22–24]中，发现湍流混合参数kT对于cp= 1kJ/kg K约为0.5。随着火焰直径的增加，辐射分数分布不均匀阻塞[25]。图4显示了作为Xr函数的湍流羽流的火焰温度数据。对于2000℃的实际绝热火焰温度，外推绝热温度约为1500 ℃，实际湍流混合系数约为0.75，而温度稀释系数约为1.5。对于具有大型通风口的舱室中的大型火焰，堆芯最大火焰温度应接近湍流绝热火焰温度。因此，从等式12和19，温度可以给出为
图4 不同来源的最大湍流羽流温度[22–25]
根据大量数据得出的车厢顶板气体温度[26]的普遍相关性如下
通过计算机分析发现，通风受限的情况过高估计了krho;c～105(W/m<sup
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