第三章煙氣的性質(zhì)與流動(dòng).ppt

1、煙氣的性質(zhì)與流動(dòng)（第三章）,綱要,3.1煙氣的產(chǎn)生與性質(zhì),煙氣產(chǎn)生的原因（1）,燃燒過程中，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）。,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。常用測量方法：,1.將單位體積的煙氣過濾，確定其中顆粒的重量（mg/ m）。適用于小尺寸試驗(yàn) 2.測量單位體

2、積煙氣中煙顆粒的數(shù)目（個(gè)/ m)。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程中測量它的遮光性，并在測量時(shí)間內(nèi)積分，得到煙氣的平均光學(xué)密度光性。,火災(zāi)煙氣中含有多種有毒物質(zhì)，除了含有一氧化碳、二氧化碳等常見物質(zhì)外，還含有氮化氫、氰化氫、氟化氫等有毒物質(zhì)。常見試驗(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，接受各類化學(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

3、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，從而評估煙氣的毒性。,氣體分析法：采用化學(xué)分析儀器對火災(zāi)煙氣成分進(jìn)行測試，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。,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,煙氣遮光性測量裝置示意圖,光的透射率,煙氣的光學(xué)密度：,單位長度光

4、學(xué)密度：,減光系數(shù)：,3.2煙氣的遮光性,煙氣的發(fā)煙能力測試,3.2煙氣的遮光性,NBS標(biāo)準(zhǔn)煙箱使用方法：將一塊75cm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/cm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： 單位長度的光學(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,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),并聯(lián)流動(dòng),并聯(lián)出口,串聯(lián)流動(dòng),串聯(lián)出口,有效流通面積：

5、,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,混聯(lián)流動(dòng),該圖為串并聯(lián)系統(tǒng)，可見 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：,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?3.風(fēng)的影響 4.空調(diào)系統(tǒng)對煙氣流動(dòng)的影響 5.電梯的活塞效應(yīng),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),建筑物中正煙

6、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，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。,風(fēng)的影響,風(fēng)的存在可在建筑物的周圍產(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)，一般來說，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

7、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,空調(diào)系統(tǒng)對煙氣流動(dòng)的影響,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， 為電梯周圍的流體的流通系數(shù)， 為電梯周圍的自

8、由流通面積。,3.4壓力中性面,1.具有連續(xù)開縫的豎井,為豎井內(nèi)空氣的絕對溫度,為外界空氣的絕對溫度,H 為豎井的高度,具有上下雙開口的豎井,為上開口面積,為下開口面積,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程中，不斷將空氣卷吸進(jìn)來，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).

9、Mccaffrey羽流模型 （4).thomas-Hinkley羽流模型,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。,.Heskesta

10、d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的對流部分，一般來說， =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：,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：,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,煙氣層高度計(jì)算,目前常用的計(jì)算煙氣層的

11、高度公式主要有：,1.NFPA92B的公式 是由美國消防協(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。,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 國際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）提出，假定房間的下部有足夠的開口，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。,煙氣層高度計(jì)算,煙氣層高度計(jì)算,通過房間頂棚開口的流動(dòng),建筑物與外界相同的開口大體可分為豎直開口和水平開口兩類，氣體流過這兩類開口的機(jī)理有所不同。 對于門窗之類的豎直開口，室內(nèi)熱氣體和外界冷氣體將分別沿開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； 對于水平開口，假設(shè)房間下部失火，氣體通過開口的雙向交換流動(dòng)的形式復(fù)雜多變，冷、熱流體之間沒有明確的分界面。,通過房間頂棚開口的流動(dòng),對于水平開口，壓差為0時(shí)，Epstein M試驗(yàn)，由Froude數(shù)表示體