消防燃烧学chapter22

第二节 火灾中的传质过程
图2-5水面蒸发实验示意图
图2-6 水面蒸发时的斯蒂芬流
一、物质扩散
二、烟囱效应
三、斯蒂芬流*
第二节 火灾中的传质过程
与此同时，分界面处空气浓度梯度也将导致空气分子的扩散流，因此：
J air ,o
由于 (
散流。但空气是不会被水面吸收的，那么这些流向相分界的空气流到哪里去 了呢？这里只有一种解释，即在相分界面处，除了扩散流之外，一定还有一 个与空气扩散流相反的空气——水蒸汽混合气的整体质量流，使得空气在相 分界面上的总物质流为零。 假定混合气的总体质量流是以流速V0流动的，则每一组的质量流就可以 分为两部分：一部分是该组分由于浓度梯度造成的扩散物质流；另一部分是 由于混合气的总体质量流所携带的该组分的物质流。因此，可以写出下面的 关系式：
J s = − Ds
一、物质扩散*
∂ρ s ∂y
(2 - 16)
三、斯蒂芬流
二、烟囱效应
第二节 火灾中的传质过程
但对方程（2-16）扩散系数和各组分的组成及其浓度有关，因此在具体计 算时，往往还要作进一步简化。方程（2-15）、（2-16）均称为费克扩散定律 方程。 方程（2-15）同样也可用分压梯度或质量分数梯度的形式写出。A和B分 别代表组分A和B，没有注下标的量代表总的混合物。假定气体为理想气体， 由理想气体状态方程得：
(2 - 27)
三、斯蒂芬流*
二、烟囱效应
第二节 火灾中的传质过程
g H 2O = J H 2O + f H 2O.0 ρ 0V0 (2 - 28)
g H 2O = − D0 ρ 0 (
∂f H 2O ∂y
) 0 + f H 2O.0 ρ 0V0
(2 - 29)
式（2-29）是水的蒸发量，实验结果证明它比单一的扩散流要大。 在水面蒸发问题中总体质量为： ∂f H O ∂f H O g 0 = g H O + g air = − D0 ρ 0 ( ) 0 + f H O.0 ρ 0V0 + 0 = − D0 ρ 0 ( ) 0 + f H O.0 ρ 0V0 (2 - 30) ∂y ∂y 由于 g 0 = ρ 0V0 ，2-30可以变为： ∂f H 2O − D0 ρ 0 ( ) 0 + f H 2O.0 ρ 0V0 = ρ 0V (2 - 31) ∂y
J A = ρDAB
∂f A ∂y
(2 - 21)
一、物质扩散*
二、烟囱效应
三、斯蒂芬流
第二节 火灾中的传质过程
二、烟囱效应
火灾现场，燃烧区附近的整个气体都在流动，这个物质流称为整 体物质流。燃烧所需要的氧气和可燃气被这个整体物质流携带进燃烧 区，而燃烧区产生的燃烧产物又被这个整体物质流携带出，产生这种 整体物质流的原因有强迫对流（如机械通风）以及自然对流，即燃烧 引起的浮力运动。这里只讨论燃烧引起的浮力运动。 室内某物体着火以后，燃烧产生的烟气将因浮力首先充满房间的 顶部，周围的冷空气流向燃烧区进行补充，并被加热使体积膨胀，密 度减少而上升。 为了进一步讨论这种因浮力引起的流动的特点，现假定有一垂直 管道，高度为H，里面充满空气，管内温度为T，空气密度为 ρ ；管外 ρ0 空气温度为T0，密度为 ；管道下端平面为1—1平面，管道上端平面 为2—2平面；向上作用在2－2平面上的压力为P2，向下作用在平面1-1 上的压力为P1；向上作用在1-1平面上的压力为P（如图2-4）。
g CO2 .0 44 =− g O2 .0 32 (2 - 35)
但由反应方程得： 一、物质扩散
二、烟囱效应
三、斯蒂芬流*
第二节 火灾中的传质过程
式（2-35）给出的是化学反应的最终结果，无疑是正确的。比较式（2-34）和 式（2-35）可知，系数44/32>1，说明单纯依靠扩散将碳表面的CO2输送出去 是不可能的，因此，必然存在着一个与CO2扩散流方向相同的混气整体质量流， 使得CO2的质量流符合式（2-35）要求，也即使化学反应产生的CO2能不断从 碳表面排走。这一总体物质流就是斯蒂芬流，即：
如果管内温度高于管外，即T > T0，则因为
(2 - 22)
P = P2 + Hρ o g
P = P2 + Hρg 1
ρ p ρo
所以
PpP 1
P − P = (P2 + Hρ o g ) − (P2 + Hρg ) = Hg (ρ o − ρ ) (2 - 23) 1
于是冷空气从管道下端进入，热空气从管道上端流出。这种垂直的围护物 中，由于气体对流，促使烟尘和热气流向上流动的效应，称为“烟囱效应”。 从公式（2-22）可以看出： 一、物质扩散 二、烟囱效应* 三、斯蒂芬流
图2-3 扩散定律示意图
一、物质扩散* 二、烟囱效应 三、斯 Nhomakorabea芬流第二节 火灾中的传质过程
这样，在B中不同的地方，A的浓度不同。由于存在浓度差，A物质将从 浓度高的地方向浓度低的地方扩散。从微观上讲，这种扩散是由于分子不停 息的热运动而相互掺和，使得各组分浓度趋近一致，因而引起宏观的扩散现 象。实验发现，在单位时间内，单位体积上流体A扩散造成的物质流与在B中 流体A的浓度梯度成正比，即：
2 2 2 2 2
即：
− D0 ρ 0 (
∂f H 2O ∂y
) 0 = (1 − f H 2O.0 ) ρ 0V0
(2 - 32)
由（2-32）可以得出，在水面蒸发问题中，斯蒂芬流（即水的蒸发流） 并不等于水汽的扩散物质流，而是等于扩散物质流加上混合气总体运动时所 携带的水汽物质流两部分所构成。 一、物质扩散 二、烟囱效应 三、斯蒂芬流*
J A = − DAB
∂ρ A ∂y
(2 - 15)
式中：JA——单位时间内，单位面积上流体A扩散造成的物质流量， kg/（s·m2）；DAB——组分A在组分B中的扩散系数。扩散系数通常与组成有 关。 方程（2-16）中的负号说明组分A沿着A浓度降低的方向进行扩散。 在考虑两种组分以上的多组分混合物的扩散问题时，常常把研究对象S组分看 成一种组分，把S组分之外的其他组分看成另一组分，这样近似地处理为双组 分扩散问题。因此，扩散方程可以表示为：
第二节 火灾中的传质过程
一、物质扩散
前面已经讨论了流体中的粘性和热传导，因为存在温度和速度空间不均匀 分布，分子热运动传输动量或热量。如果在流体中某种物质分布不均匀，多 成分流体中某种成分空间分布不均匀，分子的热运动把浓度高的地方的物质 传递到浓度低的地方。 假定有一种静止等温流体B，从其一边渗入另一种流体A，在另一边将流 体A渗出，如图2-3所示。
g 0 = g CO2 + g O2
(2 - 36)
上式表明，这时的斯蒂芬流就是碳烧掉的量，即碳的燃烧速率。
44 12 g O2 + g O2 = − g O2 = g C (2 - 37) 32 32 通过上面两个例子，我们看到斯蒂芬流产生的条件是在相分界面处既有扩 散现象存在，又有物理（或）和化学过程存在，这两个条件缺一不可的。在 燃烧问题上，正确运用斯蒂芬流的概念来分析相分界面处的边界条件是非常 重要的，在讨论液滴的燃烧问题时，就要用到这一概念。 g 0 = g CO2 + g O2 = −
一、物质扩散 二、烟囱效应* 三、斯蒂芬流
第二节 火灾中的传质过程
图2-4 烟囱效应示意图
一、物质扩散 二、烟囱效应* 三、斯蒂芬流
第二节 火灾中的传质过程
当管内温度等于管外温度，即T＝T0时， ρ ＝ ρ 0 。管内外流体处于平衡 状态，不产生流动，此时根据流体平衡方程有：
P = P = P2 + Hρg = P2 + Hρ o g 1
2
f H 2O + f air = 1
这时相分界面处水汽分子扩散流是
(2 - 24)
J H 2O ,o
由于 (
∂f H 2O ∂y
∂f H 2O = − Do ρ o ∂y
(2 - 25)
) 0 < 0，所以 J H 2O > 0
一、物质扩散
二、烟囱效应
三、斯蒂芬流*
一、物质扩散
二、烟囱效应
三、斯蒂芬流*
第二节 火灾中的传质过程
下面用两个例子来说明斯蒂芬流产生的条件和物理实质。 (一) 水面蒸发时的斯蒂芬流 研究如图2-5所示的实验。在环境温度为T、环境压力为P的静止空气中， 放置一个装有水温为T0的开口容器，并通过容器底部的细管不断补充水，以 保持液面稳定，坐标取法如图2-6所示。这样在容器上方的空间中，只有水蒸 气及空气两种组分，沿x方向没有浓度梯度(均匀的)，只有在y方向有浓度梯度 存在。用 f H O表示水汽的相对浓度，用 f air 表示空气的相对浓度，它们的分布 如该图2-6所示。有：
一、物质扩散 二、烟囱效应
12 1 32 32 12 44 44 12
这时，碳板的上方空间有氧气和二氧化碳两种气体组分，因此有： f CO2 + f O2 = 1 （ − 33 2 ） 将（2-33）对y微分，并乘以 ρ 0 D0 ，可得：将（2-33）对y微分，并乘以， 可得：
J CO2 .0 = − J O2 .0 （ − 34 2 ）
火灾中的传质过程
(二) 碳板在纯氧中燃烧形成的斯蒂芬流 对碳板在纯氧中燃烧形成的斯蒂芬流的分析，从中可看出气－固相分界处 的斯蒂芬流。假设一个无限大的碳平板置于纯氧中燃烧（只有在碳平板的法 线方向有浓度梯度变化，与碳平板平行的方向上是均匀的），且碳平板表面 只发生一个反应，即： C + O 2 = CO 2
PA =
ρA
MA
RT
(2 - 17)
式中：P、M、R、T和ρ分别代表压力、分子量、通用气体常数、温度、密 度。或转换为： PM ρA = A A (2 - 18) RT 将上式代入方程（2-15）可得：