煙氣的性質(zhì)與流動(dòng)

關(guān)于煙氣的性質(zhì)與流動(dòng)綱要3.1煙氣的產(chǎn)生與性質(zhì)3.2煙氣的遮光性3.3煙氣的流動(dòng)3.4壓力中性面3.5煙氣的生成速率3.6煙氣的形成與排煙機(jī)理第2頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1煙氣的產(chǎn)生與性質(zhì)煙氣產(chǎn)生的原因（1）燃燒過(guò)程中，氧氣不足，發(fā)生不完全反應(yīng)煙氣產(chǎn)生的原因（2）可燃物本身的化學(xué)性質(zhì)對(duì)煙氣的產(chǎn)生具有重要的影響碳素材料陰燃→油污有焰燃燒→灰分、碳顆粒火災(zāi)煙氣中的主要成分：（1）可燃物熱解或燃燒產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物（未燃燒氣，CO,CO2,其它有毒氣體等）（2）煙氣卷吸的空氣。（3）多種微小的固體顆粒和液滴（碳顆粒和水滴等）。第3頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1煙氣的產(chǎn)生與性質(zhì)煙氣的濃度是由煙氣中所包含固體顆?；蛞旱蔚亩嗌偌靶再|(zhì)決定。常用測(cè)量方法：1.將單位體積的煙氣過(guò)濾，確定其中顆粒的重量（mg/m3）。適用于小尺寸試驗(yàn)2.測(cè)量單位體積煙氣中煙顆粒的數(shù)目（個(gè)/m3)。適用于煙濃度很小的情況3.將煙氣收集在已知容積的容器中，確定它的遮光性，一般表示為一定的光學(xué)密度。適用于小尺寸和中等尺寸的試驗(yàn)4在煙氣從燃燒室或失火房間中流出的過(guò)程中測(cè)量它的遮光性，并在測(cè)量時(shí)間內(nèi)積分，得到煙氣的平均光學(xué)密度光性。第4頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天火災(zāi)煙氣中含有多種有毒物質(zhì)，除了含有一氧化碳、二氧化碳等常見(jiàn)物質(zhì)外，還含有氮化氫、氰化氫、氟化氫等有毒物質(zhì)。常見(jiàn)試驗(yàn)方法：3.1煙氣的產(chǎn)生與性質(zhì)一.動(dòng)物實(shí)驗(yàn)法二.氣體分析法動(dòng)物實(shí)驗(yàn)法：就是用某些動(dòng)物代替人類(lèi)，接受各類(lèi)化學(xué)物質(zhì)及其不同濃度計(jì)量的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（小白鼠）暴露于具有特定毒性煙氣中一定時(shí)間后（一般為30分鐘），觀察試驗(yàn)動(dòng)物14天內(nèi)體重增減，運(yùn)動(dòng)能力以及致死等情況，從而評(píng)估煙氣的毒性。氣體分析法：采用化學(xué)分析儀器對(duì)火災(zāi)煙氣成分進(jìn)行測(cè)試，分析其毒性，用毒性指數(shù)表示煙氣的毒性大小。毒性指數(shù)：將煙氣中的某種氣體的實(shí)際濃度與該氣體的30min致死濃度的比值作為該氣體的毒性因子，煙氣中14種常見(jiàn)有毒氣體的毒性因子之和即為該煙氣的毒性指數(shù)。14種常見(jiàn)毒性氣體為：二氧化碳、一氧化碳、甲醛、氧化氮、氰化氫、丙烯氰、光氣、二氧化硫、硫化氫、氯化氫、氟化氫、溴化氫、氨氣、苯酚。第5頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2煙氣的遮光性穩(wěn)定電源光源光敏元件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)L煙氣遮光性測(cè)量裝置示意圖

光的透射率煙氣的光學(xué)密度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度光學(xué)密度：減光系數(shù)：第6頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2煙氣的遮光性

第7頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙氣的發(fā)煙能力測(cè)試3.2煙氣的遮光性NBS標(biāo)準(zhǔn)煙箱使用方法：將一塊75cm2的試驗(yàn)材料放在燃燒室中，其豎直上方是一個(gè)功率固定為2.5w/cm2的熱源，其下方是由6個(gè)小火焰組成的有焰燃燒陣，這種方法規(guī)定，測(cè)量結(jié)果表示為在本裝置內(nèi)的試驗(yàn)光學(xué)密度的最大值。即：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的光學(xué)密度V是試驗(yàn)箱的容積試樣的暴露面積NBS標(biāo)準(zhǔn)煙箱第8頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3煙氣的流動(dòng)3.3.1煙氣的有效流通面積煙氣有效流通面積：是指某一種流體，在一定的壓差作用下流過(guò)系統(tǒng)的總的當(dāng)量流通面積。

1.并聯(lián)流動(dòng)2.串聯(lián)流動(dòng)3.混聯(lián)流動(dòng)第9頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天并聯(lián)流動(dòng)加壓空間并聯(lián)出口

第10頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天串聯(lián)流動(dòng)串聯(lián)出口有效流通面積：推廣可以得到n個(gè)出口串聯(lián)時(shí)的有效面積為：加壓空間第11頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天混聯(lián)流動(dòng)加壓空間該圖為串并聯(lián)系統(tǒng)，可見(jiàn)并聯(lián)，組合有效流通面積為：同理，因此，系統(tǒng)的有效流通面積為：

第12頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.2煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力3.3煙氣的流動(dòng)煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要包括：1.煙囪效應(yīng)2.燃?xì)獾母×团蛎浟?.風(fēng)的影響4.空調(diào)系統(tǒng)對(duì)煙氣流動(dòng)的影響5.電梯的活塞效應(yīng)第13頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙囪效應(yīng)：通常建筑物的室外較冷，室內(nèi)較熱，因此，室內(nèi)的空氣的密度比外界小，這便產(chǎn)生了使氣體向上運(yùn)動(dòng)的浮力，高層建筑往往有許多豎井，如樓梯井、電梯井、豎直機(jī)械管道等。在這些豎井內(nèi)，氣體的上升運(yùn)動(dòng)非常顯著，這就是煙囪效應(yīng)。

正煙囪效應(yīng)和逆煙囪效應(yīng)時(shí)的氣體流動(dòng)第14頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天建筑物中正煙囪效應(yīng)引起的煙氣流動(dòng)在正煙囪效應(yīng)的情況下，低于中性面火源產(chǎn)生的煙氣將與建筑物內(nèi)的空氣一起流入豎井，并沿豎井上升，一旦上升到中性面以上，煙氣便可由豎井流出來(lái)，進(jìn)入建筑物的上部樓層。如圖（a)所示。若中性面以上的樓層發(fā)生火災(zāi)，由正煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)可限制煙氣的流動(dòng)，空氣從豎井中流進(jìn)著火層能夠阻止煙氣流進(jìn)豎井。如圖（b)所示。若著火層的燃燒強(qiáng)烈，熱煙氣的浮力克服了豎井內(nèi)的煙囪效應(yīng)，則煙氣仍可進(jìn)入豎井繼而流入上部樓層。如圖（c)所示。第15頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天風(fēng)的影響風(fēng)的存在可在建筑物的周?chē)a(chǎn)生壓力分布，而這種壓力分布能夠影響建筑物的煙氣的流動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)，建筑物的外部壓力分布受到多種因素的影響，其中包括風(fēng)的速度和方向，建筑物的高度和幾何形狀等。壓力的大小與風(fēng)速關(guān)系，即：

為風(fēng)作用到建筑物表面的壓力，為風(fēng)壓系數(shù)，空氣的密度，V為風(fēng)速由風(fēng)引起的建筑物的兩個(gè)側(cè)面的壓力差為：

為迎風(fēng)墻的壓力系數(shù)為背風(fēng)墻的壓力系數(shù)注：缺壓力系數(shù)圖第16頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天空調(diào)系統(tǒng)對(duì)煙氣流動(dòng)的影響第17頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天電梯的活塞效應(yīng)電梯在電梯井中運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠使井內(nèi)出現(xiàn)壓力變化，這稱(chēng)為電梯的活塞效應(yīng)。由活塞效應(yīng)引起的電梯上方與外界的壓差式中，為電梯井內(nèi)空氣密度，為電梯井的截面積，V為電梯的速度，為電梯以上的樓層數(shù)，為電梯以下的樓層數(shù)，C為建筑物縫隙的流通系數(shù)，為在每層中電梯井與外界的有效流通面積，為電梯周?chē)牧黧w的流通系數(shù)，為電梯周?chē)淖杂闪魍娣e。第18頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.4壓力中性面1.具有連續(xù)開(kāi)縫的豎井豎井

為豎井內(nèi)空氣的絕對(duì)溫度為外界空氣的絕對(duì)溫度H為豎井的高度第19頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天具有上下雙開(kāi)口的豎井為上開(kāi)口面積為下開(kāi)口面積第20頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.5煙氣的生成速率為了定量計(jì)算煙氣的流動(dòng)，必須知道實(shí)際火災(zāi)中煙氣的生成速率，在室內(nèi)火災(zāi)中，在煙氣以浮力羽流形式垂直升起的過(guò)程中，不斷將空氣卷吸進(jìn)來(lái)，煙氣的生成速率主要由煙氣的羽流卷吸空氣的量決定，因此需要建立一定的羽流模型。常見(jiàn)的羽流模型：1.煙氣羽流的卷吸速率的理想模型（morton,taylor等提出的羽流模型）2.若干經(jīng)驗(yàn)羽流模型：（1）.Heskestad羽流模型（2）.NFPA92B的羽流模型(3).Mccaffrey羽流模型（4).thomas-Hinkley羽流模型第21頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙氣羽流的卷吸速率的理想模型：morton,taylor等提出的羽流模型基本假設(shè)：(1).火源為點(diǎn)源，釋放的能量均出自該點(diǎn)源，且此能量全部留存于火羽流之中，忽略火焰對(duì)外界的輻射熱損失。(2).整個(gè)羽流之內(nèi)的密度變化很小。（3）.速度、溫度和力有著類(lèi)似的分布形式，并進(jìn)一步假定速度和溫度在羽流橫截面上呈高帽狀分布，即均為常數(shù)。根據(jù)理想羽流模型導(dǎo)出的煙氣生成速率公式：

為Z處煙氣的生成速率，T為環(huán)境空氣溫度，為環(huán)境空氣的密度，為空氣比熱，g為重力加速度，Q為火源熱釋放速率，Z為距離火源的高度。第22頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天.Heskestad羽流模型基本假設(shè)：（1）.引入虛點(diǎn)源概念，可適用于面型火源，考慮輻射熱損失，以代替Q，其中表示火源的總熱釋放速率Q的對(duì)流部分，一般來(lái)說(shuō)，=0.7Q(2).速度和溫度在羽流橫截面上呈高斯分布，而不是高帽狀分布，更接近實(shí)際情況。（3）考慮大的密度差，適用于強(qiáng)羽流的情況。根據(jù)Heskestad羽流模型導(dǎo)出火焰上方和下方的煙氣生成速率為：第23頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天受壁面限制時(shí)的羽流模型李元洲等人研究表明，在高大空間內(nèi)，火源在墻邊和墻角時(shí)煙氣羽流模型可分別修正為：第24頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.6煙氣層的形成與排煙機(jī)理煙氣層的高度：用煙氣層界面距離地面的高度表示，有時(shí)也可用煙氣本身的厚度表示第25頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙氣層高度計(jì)算目前常用的計(jì)算煙氣層的高度公式主要有：1.NFPA92B的公式是由美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)提出的公式，假定煙羽流不與壁面接觸，且空間橫截面積不隨高度變化，且為穩(wěn)定火源時(shí)。t為火災(zāi)燃燒時(shí)間，A為建筑空間的橫截面積，H為建筑為空間的高度，Q為燃燒釋放熱速率。第26頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙氣層高度計(jì)算目前常用的計(jì)算煙氣層的高度公式主要有：2.

ISO的公式國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）提出，假定房間的下部有足夠的開(kāi)口，空氣能比較容易的進(jìn)入室內(nèi)，分2種情況討論：1當(dāng)安裝了機(jī)械排煙設(shè)施或側(cè)墻設(shè)有自然排煙設(shè)施，且煙層處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，2.當(dāng)屋頂設(shè)有自然排煙設(shè)施，且煙氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)式中，Z為煙氣層界面高度，煙氣的密度，V為排煙的體積速率

為排煙的質(zhì)量流率Q為熱釋放速率

t為火災(zāi)燃燒時(shí)間，A為建筑空間的橫截面積，H為建筑為空間的高度，Q為燃燒釋放熱速率。第27頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙氣層高度計(jì)算

第28頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天煙氣層高度計(jì)算

第29頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天通過(guò)房間頂棚開(kāi)口的流動(dòng)建筑物與外界相同的開(kāi)口大體可分為豎直開(kāi)口和水平開(kāi)口兩類(lèi)，氣體流過(guò)這兩類(lèi)開(kāi)口的機(jī)理有所不同。對(duì)于門(mén)窗之類(lèi)的豎直開(kāi)口，室內(nèi)熱氣體和外界冷氣體將分別沿開(kāi)口的上半部流出和下半部流入，上下兩區(qū)存在方向相反的單向流；對(duì)于水平開(kāi)口，假設(shè)房間下部失火，氣體通過(guò)開(kāi)口的雙向交換流動(dòng)的形式復(fù)雜多變，冷、熱流體之間沒(méi)有明確的分界面。第30頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天通過(guò)房間頂棚開(kāi)口的流動(dòng)對(duì)于水平開(kāi)口，壓差為0時(shí)，EpsteinM試驗(yàn)，由Froude數(shù)表示體積交換流率。由圖3.6.4可以看出，當(dāng)L/D較小時(shí)，F(xiàn)r數(shù)大致為一常數(shù)；當(dāng)L/D>0.1后，F(xiàn)r數(shù)的增大速率加快，在L/D約為0.6時(shí)，F(xiàn)r達(dá)到極大