消防燃烧学课件48

实验发现，当有微风（风速小于2m/s）时，墙面的升 温速度明显减小。试件从无焰燃烧到起火自燃所经历的时 间也明显延长。 实验还发现，相对于材料断面的大小而言，建筑材料 表面所接受的热辐射强度对材料起火难易的作用更显著。 材料表面接受的辐射强度越大，起火所需时间就越短。例 如，当木板一面受到热辐射时，受热区域的温度与木板的 厚度无关。材料是否能被点燃主要取决于材料性质、辐射 强度和辐射持续时间。 木材表面热解可燃气的释放速度与热辐射强度有关。 若辐射强度达到某一临界值，热解可燃气与空气混合后的 浓度足够大，气体温度足够高，气体将被点燃。 (二) 木材表面温升与辐射强度的关系 不同热辐射强度条件下可燃材料表面温度与时间的关 系如图4-35所示。图中○、● 和×分别表示实验结果、材 料处于无焰燃烧状态和材料起火自燃。在曲线A中，木材 表面受的辐射强度约为14~23×104J/m2· s；在曲线B和曲线 C中，这一辐射强度分别约为10~12×104J/m2· s和 5~10×104J/m2· s。
式中，h为辐射平面高度；b为辐射平面宽度；d为受辐射 微元体与辐射表面间距离。 由式（4-84）得：
起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定

2 ( B 2 / s) B s 1 ( tg P ( B 2 / s) 4 ( B 2 / s) 4
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 (4-80) 筑物间的蔓延
式中，
A
2 1
1 x y
2 1
(tg
1
z2 x y
2 1 2 1
tg
Leabharlann Baidu1
z1 x y
2 1 2 1
)
B
1 x y
2 2 2 2
(tg 1
z2 x y
2 2 2 1
tg 1
z1 x y
2 2 2 1
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 筑物间的蔓延
Q T 4 F
式中，ε为辐射率，起火建筑物可接近黑体，计算过程中 一、起火建筑物由窗 可视为常数；F为发射表面积。 从辐射体表面微元dF1到被辐射物体表面微元dF2的热 口向外辐射的热量 通量为： 二、木材受辐射热 1 cos 1 cos 2 4 (4-81) dQ12 dF dF T 1 2 起火 r2 式中，r为dF1和dF2的间距；β1和β2为射线与微元面法线的 夹角。 若发射面为垂直的矩形平面，将上式对F1上积分，则 求得dF2接受的发射表面F1的热通量。 1 Q12 [( A B) y1COS ( AX1 BX 2 CZ 1 DZ 2COS 2 (C D) y1COS ]dF2T 4 (4-82) 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物 体安全位置的确定
木材表面受辐射热作用，温度逐渐升高，直到发火自 第八节 热辐射 小节名 燃。 造成的火灾在建 (一) 木材受辐射热作用起火的经过 筑物间的蔓延 实验发现，当建筑物起火之后，其对面带屋檐的木墙板接 受到辐射热，表面放出白烟，从木墙板的屋檐下呈旋涡状 一、起火建筑物由窗 流出。随木墙板接受的热量增多，热解产生的烟气量逐渐 增多。大部分热量被试件的上部接受，随后在某一位置出 口向外辐射的热量 现一些受辐射热最大的点，称为M点。此后，白烟减少 二、木材受辐射热 （可能是水分蒸发完了），炭化加快，发出劈啪的爆裂声。 起火* 当M点的温度超过200oC以后，板上出现赤热点，并迅速 进入无焰燃烧，且无焰燃烧多数先在木节的周围及板的锯 三、热辐射强度的 口等处发生。 一般表达式及相对 在无焰燃烧的情况下，若用明火（如用烧着的引火 位置系数的确定 纸），只要接触0.3~0.5s，墙板便可被点燃。如果无明火， 四、受辐射照射物 无焰燃烧仍将继续下去，不会很快发火，燃烧面积在表面 逐渐扩大，且向纵深发展致使木板内部也呈无焰燃烧状态。体安全位置的确定 当表面的温度达到400~500oC时，即使没有明火引燃，试 件也可起火自燃。试件一旦起火燃烧，整个墙面在1~3s内 将完全起火燃烧，并导致内部也发生燃烧。
材料名称 临界辐射强度（×4.2×104 J/m2· s） 引燃 0.35 自燃 0.7 0.1 表面点燃 木材
口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定
涂饰普通油漆的木版
纤维绝缘板 防火处理后的纤维绝缘板
—
— —
确的方程式一致。 当S趋于无限大时，方程式也可进一步简化为：
8q 2 R 2 B 2
一、起火建筑物由窗
(4-89) 口向外辐射的热量 二、木材受辐射热
起火 当q值大于3.6时，与精确的方程式一致。 当q大于0.75，但小于3.6时，相应的经验公式为： 三、热辐射强度的 4q 3 / 2 R (4-90) 一般表达式及相对 ( ) 3 B2 位置系数的确定* 公式表明，当φ/P≤0.4时，计算所得间距与精确解偏差很小。 例如一起火建筑b=60m，h=3m，间距d=10m，利用式（4- 四、受辐射照射物 84）可得φ=0.1464。如果利用近似公式反求安全间距 体安全位置的确定 d=10.23m，偏差很小。主要原因在于，当φ/P≤0.4时，计算 得到的间距本身较小，与精确数值相比，仅仅相差很小的 距离，一般在1.5m以下。
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 筑物间的蔓延
一、起火建筑物由窗
口向外辐射的热量 图4-36 木材点燃时间与热辐射强度关系曲线 实验所用惰性材料纤维板表面起火的自燃温度是 525oC，表面的点燃温度是350oC。当辐射强度确定之后， 就可估计表面温度升到燃点所需要的时间。显然表面温度 是热辐射强度、照射时间、材料表面热量损失以及材料热 性能参数的函数。 当辐射热低于某一入射强度，材料表面温度则不可能 达到燃点，因而不可能被点燃。在一定条件下，若某种材 料经某一热辐射强度照射无限长时间后刚好能被点燃，这 一热辐射强度值就定义为此材料在此条件下的临界辐射强 度。 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定
Q12 / dF2
12 2 4 射强度；σT 是从辐射物体表面发射出来的辐射强度。由
此可见，相对位置系数是接受体获得热辐射强度和发射表 面发射强度之比。因此，如果起火建筑物的辐射强度和被 照射建筑物允许最大的辐射强度，就可依据上式求出最大 的允许相对位置系数。 通常的热辐射总是由建筑物的窗口射出来，故而被照 射体接收到的辐射强度也随建筑物窗口面积而变化。窗口 面积的辐射强度通常用起火建筑物发出的热通量乘以系数 P的形式来表示。而系数P，等于窗口面积与建筑物相对立 面面积之比。这样，被照射物体获得的热通量可写成：
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 筑物间的蔓延
一、起火建筑物由窗
口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定
实验发现，同一辐射强度下，木材新旧程度对起火时 间有很大影响。旧木材比新木材更易起火。旧木材到达无 焰燃烧温度时间仅为同类型新木材1/2~1/3，而旧木材无焰 燃烧温度比新木材约低20oC。
2

2 B2s ( B / s) 1 tg ) 2 2 B s4 B s4
(4-87)
式中，B=d/(hb)1/2，S=h/b或b/h中较大的数值。
实际上，当B接近0时，式（4-87）可简化为：
第八节 热辐射 小节名 R 造成的火灾在建 (2 2 ) 2 4(1 q ) (4-88) B 筑物间的蔓延 其中，q=πRφ/P；R=(S+1/S)/2，当q小于0.15时，与精
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 筑物间的蔓延
一、起火建筑物由窗
口向外辐射的热量* 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定 四、受辐射照射物 体安全位置的确定
在起火建筑物对面设置竖向墙板可测得通过窗口向外
的热辐射强度。经计算，测得的总辐射热量大约仅占燃烧 总热量的2.9~3.7%；砖混结构建筑起火，由窗口向外辐射 的热量，远小于木屋火灾，大约为总发热量的1.8%左右。
2 2 (h 2 / d 2 ) ( b / d ) 1 Q12 P ( tg (h 2 / d 2 ) 4 (h 2 / d 2 ) 4
2
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 筑物间的蔓延
一、起火建筑物由窗
2 2 口向外辐射的热量 (b 2 / d 2 ) ( h / d ) 1 4 tg )dF2T 2 2 2 2 (b / d ) 4 (b / d ) 4 (4-86) 二、木材受辐射热
口向外辐射的热量
)
一、起火建筑物由窗
二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定*
C
1 z y
2 1 2 1
(tg
1
x2 z y
2 1 2 1
tg
1
z1 z y
2 1 2 1
)
D
1 z y
2 2 2 1
(tg
1
x2 z y
2 2 2 1
tg
1
一、起火建筑物由窗
口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火 三、热辐射强度的 一般表达式及相对 位置系数的确定* 四、受辐射照射物
Q12 PT 4 dF2
相对位置系数的近似公式推导如下：
(4-85) 体安全位置的确定
当被照射物体的单元dF2平行于发射面，且位于发射面中 心线上时，依据以上公式，微元面dF2获得的热通量Q12可 简化为：
第八节 热辐射 小节名 造成的火灾在建 筑物间的蔓延
一、起火建筑物由窗
口向外辐射的热量 二、木材受辐射热 起火* 三、热辐射强度的 一般表达式及相对
图4-35 不同辐射强度下木材表面温升与时间 位置系数的确定 (三) 点燃材料的临界辐射强度 四、受辐射照射物 当材料接受辐射后，其表面温度升高，同时热量也将 体安全位置的确定 以热传导的形式由表面向内部传导。辐射强度越高，材料 升温速度和材料起火速度越快。木材点燃时间和热辐射强 度的关系曲线如图4-36所示。
计算火灾中受辐射物体的安全距离，必须知道受辐射 第八节 热辐射 小节名 物体被点燃的临界辐射强度和起火建筑物的最大辐射强度。 各种材料受热被点燃的临界辐射强度差别较大，在建筑物 造成的火灾在建 中，经常采用木质或类似木质的可燃构件、装修材料和家 筑物间的蔓延 具等，因此木材是建筑物中的主要火灾荷灾。世界各国都 特别注意对木材火灾的研究。工业发达国家把12.6Kw/m2 一、起火建筑物由窗 作为木材点燃的临界辐射强度。在这一辐射强度下烘烤 口向外辐射的热量 20min，无论是在室内还是在室外，火场飞散的火星足以 二、木材受辐射热 引起新的起火点。 起火建筑物发射的最大辐射强度取决于火灾的最高温 起火 度，而火灾的最高温度是随火灾荷重、建筑面积、墙体材 三、热辐射强度的 料热性能和窗口大小而不断变化。 建筑物内的可燃物不仅种类繁多，而且燃烧发热量也 一般表达式及相对 不同。为了研究方便，一般将实际存在的可燃物重量换算 位置系数的确定 成等同发热量的木材重量，定义为等效可燃物量。单位面 四、受辐射照射物 积上的等效可燃物量称为火灾荷载。 体安全位置的确定*
0.4
0.15 0.2-1.0
0.55-1.2
0.6 —
硬木板
纺织品 大麻、黄麻和亚麻 软木 涂有柏油沥青的屋面 表面铝板保护的屋面
0.1
— — — 0.07 0.8
0.25
— — 0.08 — —
—
0.85 1.0 0.55 — —
注：引燃意指除明火外的小型点火源等引燃材料表面的着火方式。
根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，绝对温度为T的物体单位时 间发射的能量为：
火灾能否在建筑物间蔓延与起火建筑通过窗口向外的 辐射热量有很大关系。木屋燃烧过程产生的热量等于已烧 掉可燃物质量与木材低热值的乘积，烧掉可燃物质量等于 可燃物总质量与火灾熄灭后残渣质量之差。为便于比较， 通常采用单位面积释放的热量来表示木屋燃烧过程产生热 量的多少。木屋单位面积释放的热量约为340~500kcal/m2。 需要指出的是，在起火燃烧的过程中始终存在热辐射，且 燃烧越猛烈，热辐射越强。
z1 z y
2 2 2 1
)
上式中x、y、z为坐标；α、β、γ为被辐射微元法线与x、y、 四、受辐射照射物 z坐标轴间的夹角。 体安全位置的确定 式（4-82）也可以写成：
Q12 T 4 dF2
(4-83)
或
第八节 热辐射 小节名 (4-84) 造成的火灾在建 T 4 筑物间的蔓延 式中，φ就是相对位置系数；Q /dF 是受辐射体接受的辐
临界辐射强度可根据实测若干辐射强度下的点燃时间，通 第八节 热辐射 小节名 过作图求得。实际上，点燃材料所需的最小强度总是稍高 于临界强度，原因在于材料热解可燃气的释放是不连续的。 造成的火灾在建 常见材料的临界辐射强度如表4-7所列。 筑物间的蔓延 表4-7 常见材料的临界辐射强度 一、起火建筑物由窗