浅析火灾烟气的流动及控制

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浅析火灾烟气的流动及控制

2015级，安全工程，***

摘要：随着我国现代化建设的飞速发展，高层建筑在全国一些大中型城市像雨后春笋般地蓬勃发展起来，随之而来的高层建筑火灾也越来越多，火灾中所产生的烟气会对受灾人群及扑救人员造成伤害，所产生的烟囱效应对高层建筑火灾的危害越来越明显，是导致人员伤亡的重要原因，因此要达到在火灾初期阶段最大程度降低人员和财产损失的目的，就必须深入了解研究火灾烟气的特征、流动规律，并以此为依据对火灾烟气的产生和运动进行控制。

关键词: 火灾烟气；流动状态；烟囱效应，防排烟系统

有燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的可见的固体和液体微粒称为烟或烟粒子。含有烟粒子的气体称为烟气。在火灾发展过程中产生的烟气称为火灾烟气，火灾烟气是建筑火灾中导致人员伤亡的主要因素之一，因此火灾烟气的控制是建筑防火性能化设计的重要容，与人员安全疏散设计密切相关，开展火灾烟气控制系统的性能化设计必须了解火灾烟气特征及流动规律。

1 火灾烟气的组成

火灾烟气的组成成分取决于可燃物的化学组成和燃烧条件，大部分可燃物都属于有机化合物，主要由碳、氧、氢、硫、磷、氮等元素组成。其中碳、氢、氧、硫、磷等燃烧时分别生成二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、二氧化硫和五氧化二磷等产物。氮在燃烧过程中不起反应而呈游离状态析出，氧在燃烧过程中被消耗掉了。可燃物在不完全燃烧时，会同时生成完全燃烧产物和不完全燃烧产物。含碳多的物质在缺氧条件下燃烧时还将产生大量的碳粒子。

1.1 单质燃烧产物

一般单质在空气中完全燃烧，其产物为构成该单质的元素的氧化物，如碳、氢、硫等。1.2 化合物燃烧产物

在空气中燃烧除生成完全燃烧产物外，还会生成未完全燃烧产物。分子化合物会热裂解，并进一步燃烧，其中一氧化碳为最典型的未完全燃烧产物。

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《火灾爆炸与控制》研究生课程论文

1.3 木材燃烧产物

木材的主要成分是纤维素，木材受热之后发生裂解，生成不完全燃烧产物，在２００℃左右开始，主要生成二氧化碳、水蒸汽、甲酸、乙酸、一氧化碳及各种可燃气体等。

1.4 合成高分子材料燃烧产物

高分子材料在受热中会伴有热裂解，并产生有毒或有刺激气体，如氯化氢、氮氧化物、氰化氢等。

2 火灾烟气的危害

2.1 火灾烟气的毒害性

研究表明，火灾死亡的人员中有50﹪是吸入有毒物质引起的。火灾烟气中含有大量有毒成分，如CO、HCH、SO2、NO2等，这些气体对人体的伤害都很大，如CO2，作为主要的燃烧产物之一，在火场中浓度可达15﹪，它最主要的生理作用是刺激人的呼吸中枢，导致呼吸急促，烟气吸入量增加。再比如CO，是火灾中伤害性最强的主要燃烧产物之一，其毒性在于对血液中的血红蛋白的高亲和性，其对血红蛋白的亲和力比氧高出250倍，能够阻碍人体血液中氧气的输送，引起头痛、虚脱、神志不清等症状和肌肉调节障碍等。

2.2 火灾烟气的高温

火灾烟气具有较高的温度，这对人也是一个很大的危害。人体皮肤温度约为45℃时就会有痛感，吸入150℃或者更高温的热烟气将引起人体部的灼伤。

2.3 火灾烟气的减光性

火灾烟气中的烟粒子对可见光是不透明的，其直径只有几微米到几十微米，对可见光有完全的遮蔽作用。当烟气扩散弥漫时，可见光因受到烟粒子的遮蔽而大大减弱，使能见度大大降低。同时，烟气中的有些气体，如HCH、NH3、SO2等等，对人的眼睛有不同程度的刺激作用。使人们在疏散过程中视力无法达到正常视程，进而影响疏散速度。

2.4 火灾烟气的恐怖性

火灾发生时常常浓烟密布，特别是轰然发生后火焰和烟气将冲出门窗，烈焰熊熊，浓烟滚滚，使人们惊慌失措，恐怖万分，乱作一团，这样也会影响到人们的疏散速度，造成更大的伤亡。

3 火灾烟气的流动

火灾时,随着可燃物的不断燃烧，大量的烟和热随之产生，形成了炽热的烟气流。由于浮力的驱动，使烟气携带高温在建筑处于流动状态。浮力越大，流动速度也越快。

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3.1 烟气在房间的流动

在着火房间中，从起火点上升的烟气和火源上方的火焰形成火羽流，火羽流竖直扩散遇到顶棚后，便向四周水平扩散，形成顶棚羽流；遇到墙壁或障碍物向下降，形成墙羽流。随着火灾的发展，烟层不断由下向上，再由上向下积聚，向室外或走廊扩散。如果门窗一直紧闭，烟气层将继续增厚。随着压力增加到极限，门窗上的玻璃将在热应力的作用下破碎，高温烟气将从门窗洞口喷射而出，形成窗口射流，如图1。

图1 烟气在房间的流动

3.2 烟气在走廊的流动

走廊的烟气，开始即贴附在天棚下流动，由于受到冷却及与周围空气的混合，烟气层则逐渐加厚，靠近天棚和墙面的烟气易冷却，先沿墙面下降，随着流动路线的增长和周围空气混合作用的加剧，烟气逐渐下降而失去浮力，最后只在走廊中心剩下一个圆筒形空洞，如图2。

图2 烟气在走廊的流动

3.3 烟气在高层建筑中的流动

建筑物火灾过程中，建筑物部的温度往往高于外部温度，因此建筑物空气密度比外部小，在密度差和高度差的的共同作用下，形成建筑物竖井外压差，而这种由外温差引起的压力差，称为热压差。热压产生的通风效应称为“烟囱效应”。

建筑物如图3所示，设竖井高H，外温度分别为T s和T0，ρs和ρ0分别为空气在温度T s和T0时的密度，g是重力加速度，当建筑地平面的大气压力为P时，设离开地平面高度H上方的某点压力为P s，可按下式计算：

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--H

s t t P P g r dH P gr H ==⎰0 0=P P g H ρ-0

()s0s 0

=-gH ∆ρρρ

3.3.1 正烟囱效应

如图所示，当冬天或建筑发生火灾后，烟气充满建筑物时，气温存在热外冷条件。

4 理解继承反常现象

4.1 区别Inheritance 和Subtyping

综合各种观点,要理解和解释继承反常现象,首先必须正确区别inheritance 层次和subtyping 层次,并深刻领会二者的联系[6,7].对于这个问题,文献[1,8]的观点是比较权威的.在此基础上,我们的理解是:Inheritance 是在代码层次上作修改,而subtyping 是在语义层次上作修改.前者是代码共享的一种重要途径,但不能保证subclass 能够继承superclass 的行为;后者要求subtype 保持supertype 的某种外部可观察行为(或语义行为),在规一级共享,同代码没有关系.Inheritance 层