第三章烟气的性质与流动

Dm D0 (V / As )
D0 单位长度的光学密度 V 是试验箱的容积 As 试样的暴露面积
NBS标准烟箱
3.3烟气的流动
3.3.1烟气的有效流通面积
烟气有效流通面积：是指某一种流体，在一定的 压差作用下流过系统的总的当量流通面积。
1.并联流动
2.串联流动 3.混联流动
并联流动
QT
QT
通过房间顶棚开口的流动
CAFUC
一.动物实验法 二.气体分析法
14种常见毒性气体为：二氧化碳、一氧化碳、甲醛、氧化氮、 氰化氢、丙烯氰、光气、二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氟化氢、 溴化氢、氨气、苯酚。
3.2烟气的遮光性
光源
I0
I
光敏元件
L 稳定电源 烟气遮光性测量装置示意图 数据采集系统
光的透射率
烟气的光学密度： D lg( I / I0 )
正烟囱效应和逆烟囱效应时的气体流动
在正烟囱效应的情况下，低于中性面火源产 若中性面以上的楼层发生火灾，由正烟囱 若着火层的燃烧强烈，热烟气的浮力克服 生的烟气将与建筑物内的空气一起流入竖井， 效应产生的空气流动可限制烟气的流动， 建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动 了竖井内的烟囱效应，则烟气仍可进入竖 并沿竖井上升，一旦上升到中性面以上，烟 空气从竖井中流进着火层能够阻止烟气流 井继而流入上部楼层。如图（c)所示。 气便可由竖井流出来，进入建筑物的上部楼 进竖井。如图（b)所示。 层。如图（a)所示。
根据理想羽流模型导出的烟气生成速率公式：
2 g 1/3 1/3 5/3 m p 0.2( ) Q Z C pT

C p 为空气比热，g为重力加速度， 为环境空气的密度， Q为火源热释放速率，Z为距离火源的高度。
m p 为Z处烟气的生成速率，T为环境空气温度，

.Heskestad羽流模型
m 0.042Q
Z
3.6烟气层的形成与排烟机理
烟气层的高度：用烟气层界面距离地面的高度 表示，有时也可用烟气本身的厚度表示
烟气层高度计算
目前常用的计算烟气层的高度公式主要有：
1.NFPA92B的公式 是由美国消防协会标准提出的公式，假定烟羽流不与壁面接触， 且空间横截面积不随高度变化，且为稳定火源时。
由活塞效应引起的电梯上方与外界的压差 pw
ASV pw 2 1/2 2 NaCAe Cc Aa [1 ( N a / Nb ) ]
2
式中 ， 为电梯井内空气密度，AS 为电梯井的截面积，V为 Nb 为电梯以下的楼层 电梯的速度， N a 为电梯以上的楼层数， Cc 为在每层中电梯井 与外 数，C为建筑物缝隙的流通系数， 界的有效流通面积， Ae 为电梯周围的流体的流通系数， Aa 为 电梯周围的自由流通面积。
基本假设： （1）.引入虚点源概念，可适用于面型火源，考虑辐射热损失，以 QC 代 替Q，其中 QC 表示火源的总热释放速率Q的对流部分，一般来说， QC =0.7Q (2).速度和温度在羽流横截面上呈高斯分布，而不是高帽状分布，更接 近实际情况。 （3）考虑大的密度差，适用于强羽流的情况。
根据Heskestad羽流模型导出火焰上方和下方的烟气生成速率为：
A 1/ A 1/ A A
3.3烟气的流动
3.3.2烟气流动的驱动力 烟气流动的驱动力主要包括：
1.烟囱效应 2.燃气的浮力和膨胀力 3.风的影响 4.空调系统对烟气流动的影响 5.电梯的活塞效应
烟囱效应：通常建筑物的室外较冷，室内较热，因此，室内的空
气的密度比外界小，这便产生了使气体向上运动的浮力，高层建筑往 往有许多竖井，如楼梯井、电梯井、竖直机械管道等。在这些竖井内， 气体的上升运动非常显著，这就是烟囱效应。
为了定量计算烟气的流动，必须知道实际火灾中烟气的生成速率， 在室内火灾中，在烟气以浮力羽流形式垂直升起的过程中，不断 将空气卷吸进来，烟气的生成速率主要由烟气的羽流卷吸空气的 量决定，因此需要建立一定的羽流模型。
常见的羽流模型： 1.烟气羽流的卷吸速率的理想模型 （morton,taylor等提出的羽流模型） 2.若干经验羽流模型： （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
2 Ae (1/ Ai ) i 1
n
1/2
混联流动
A3
A2
A4
A1 Q A5
加压空间
A
该图为串并联系统，可见 A A 并联，组合有 2 3 效流通面积为： A23e A2 A3 同理，
A45e A4 A5
因此，系统的有效流通面积为： 2 2 2 1/2 e 1 23e 45e
D0 lg( I / I 0 ) / L 单位长度光学密度：
I I0
减光系数：Kc ln(I / I0 ) / L
3.2烟气的遮光性

3.2烟气的遮光性
烟气的发烟能力测试
NBS标准烟箱使用方法：将一块 75cm² 的试验材料放在燃烧室中， 其竖直上方是一个功率固定为 2.5w/cm² 的热源，其下方是由6个 小火焰组成的有焰燃烧阵，这种方 法规定，测量结果表示为在本装置 内的试验光学密度的最大值。 即：
原因（1）
（3）多种微小的固体颗粒和液滴（碳颗粒和水滴等）。 可燃物本身的化学性质对烟气的产生具有 重要的影响 碳素材料阴燃→油污 有焰燃烧→灰分、碳颗粒
烟气产生的 原因（2）
3.1烟气的产生与性质
烟气的浓度是由烟气中所包含固体颗粒或 液滴的多少及性质决定。常用测量方法：
1.将单位体积的烟气过滤，确定其中颗粒的重量 （mg/ m³ ）。适用于小尺寸试验 2.测量单位体积烟气中烟颗粒的数目（个/ m³ )。适 用于烟浓度很小的情况 3.将烟气收集在已知容积的容器中，确定它的遮光 性，一般表示为一定的光学密度。适用于小尺寸和 中等尺寸的试验 4在烟气从燃烧室或失火房间中流出的过程中测量 它的遮光性，并在测量时间内积分，得到烟气的平 均光学密度光性。
V 3/5 z( ) 0.076Q1/3
2.当屋顶设有自然排烟设施，且烟气层处于稳定状态时
me 3/5 z( ) 0.076Q1/3
式中，Z为烟气层界面高度， 烟气的密度，V为排烟的体积速率 m 为排烟的质量流率 Q为热释放速率
e

烟气层高度计算
烟气层高度计算
通过房间顶棚开口的流动
建筑物与外界相同的开口大体可分为竖直开口和水平开口两类，气体流过 这两类开口的机理有所不同。 对于门窗之类的竖直开口，室内热气体和外界冷气体将分别沿开口的上半 部流出和下半部流入，上下两区存在方向相反的单向流； 对于水平开口，假设房间下部失火，气体通过开口的双向交换流动的形式 复杂多变，冷、热流体之间没有明确的分界面。
注：缺压力系数图
百度文库
风的影响
风的存在可在建筑物的周围产生压力分布，而这种压力分布 能够影响建筑物的烟气的流动，一般来说，建筑物的外部压 力分布受到多种因素的影响，其中包括风的速度和方向，建 筑物的高度和几何形状等。
压力的大小与风速关系，即：
Cw 为风压系数， 为风作用到建筑物表面的压力， 空气的密度，V为风速
由风引起的建筑物的两个侧面的压力差为：
pw
1 2 pw (Cw V ) 2
Cw1 为迎风墙的压力系数
1 pw (Cw1 CW 2 )V 2 2
CW 2 为背风墙的压力系数
空调系统对烟气流动的影响
电梯的活塞效应
电梯在电梯井中运动时，能够使井内出现压力变化，这称为电 梯的活塞效应。
3.4压力中性面
1.具有连续开缝的竖井
TS
s
T0
Hn
竖井
H
Hn
TS 为竖井内空气的绝对温度
T0
为外界空气的绝对温度
H 为竖井的高度
具有上下双开口的竖井
Aa
T0 0
Ab
H H0
H Hn 2 1 (TS / T0 )( Ab / Aa )
Aa Ab
为上开口面积
为下开口面积
3.5烟气的生成速率
3.1烟气的产生与性质
火灾烟气中含有多种有毒物质，除了含有一氧化碳、二 氧化碳等常见物质外，还含有氮化氢、氰化氢、氟化氢 等有毒物质。常见试验方法：
气体分析法：采用化学分析仪器对火灾烟气成分进行测试，分 动物实验法：就是用某些动物代替人类，接受各类化学物质及 析其毒性，用毒性指数表示烟气的毒性大小。 其不同浓度计量的试验。实验时，将实验动物（小白鼠）暴露 于具有特定毒性烟气中一定时间后（一般为30分钟），观察试 毒性指数：将烟气中的某种气体的实际浓度与该气体的 30min 验动物14天内体重增减，运动能力以及致死等情况，从而评估 致死浓度的比值作为该气体的毒性因子，烟气中 14种常见有毒 烟气的毒性。 气体的毒性因子之和即为该烟气的毒性指数。
z tQ1/3 H 4/3 1.11 0.28 ln H A/ H2
t为火灾燃烧时间，A为建筑空间的横截面积，H为建筑为空 间的高度，Q为燃烧释放热速率。
烟气层高度计算
目前常用的计算烟气层的高度公式主要有： 2 . ISO的公式 国际化标准组织（ISO）提出，假定房间的下部有足够的开口，空 气能比较容易的进入室内，分2种情况讨论： 1当安装了机械排烟设施或侧墙设有自然排烟设施，且烟层处于稳 定状态时，
m 0.071QC1/3 (Z Z0 )5/3 0.00192QC
.
z zL
Z ZL
m 0.0056QC
.
z zL
ZL 1.02D 0.235Q2/5
受壁面限制时的羽流模型
李元洲等人研究表明，在高大空间内，火源在墙 边和墙角时烟气羽流模型可分别修正为： . . 1/3 5/3 1/3 5/3 m 0.025QC Z C
烟气羽流的卷吸速率的理想模型：morton,taylor等 提出的羽流模型
基本假设： (1).火源为点源，释放的能量均出自该点源，且此能量全部留存于 火羽流之中，忽略火焰对外界的辐射热损失。 (2).整个羽流之内的密度变化很小。 （3）.速度、温度和力有着类似的分布形式，并进一步假定速度和温 度在羽流横截面上呈高帽状分布，即均为常数。
通过房间顶棚开口的流动
对于水平开口，压差为0时，Epstein M试验，由Froude数表示体积交换 流率。 由图3.6.4可以看出，当L/D较小时，Fr数大致为一常数；当L/D>0.1后， Fr数的增大速率加快，在L/D约为0.6时，Fr达到极大值；之后Fr数随着 L/D的增大而减小。
Epstein提出，随着L/D的增大，流体的交换流率可出现4种区段，即振荡 交换流、伯努利流、湍流扩散流与伯努利流的混合流、完全湍流扩散流。
CAFUC
烟气的性质与流动（第三章）
纲要
3.1烟气的产生与性质
3.2烟气的遮光性 3.3烟气的流动 3.4压力中性面 3.5烟气的生成速率 3.6烟气的形成与排烟机理
3.1烟气的产生与性质
火灾烟气中的主要成分：
（1）可燃物热解或燃烧产生的气相产物（未燃烧气，CO, CO2, 其它有毒气体等） 烟气产生的 燃烧过程中，氧气不足，发生不完全反应 （2）烟气卷吸的空气。
A
QT Q1 Q2 Q3
Ae
加压空间
A1
Q1
A2 Q2
A3
A 1
Q2
Q1
Q3
Q3
并联出口
Ae A1 A2 A3
串联流动
A2 Q2
Q1
A 1
加压空间
QT
A3
A
Q3
串联出口 有效流通面积：
Ae (1/ A12 1/ A22 1/ A32 )1/2
推广
可以得到n个出口串联时 的有效面积为：