李 飛，舒中俊

(1.郴州市消防支隊(duì)，湖南 郴州 423000； 2.武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

建筑火災(zāi)中材料表面入射熱通量確定方法簡(jiǎn)析

李 飛1，舒中俊2

(1.郴州市消防支隊(duì)，湖南 郴州 423000； 2.武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

可燃材料在火災(zāi)中的受熱程度直接決定其實(shí)際的火災(zāi)危險(xiǎn)性。材料表面的入射熱通量是表征材料受熱程度的關(guān)鍵參數(shù)。在綜述現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了可燃材料在火災(zāi)中受熱分析的基本理論和材料表面入射熱通量的計(jì)算方法，這些基本理論和方法對(duì)正確評(píng)價(jià)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性和模擬室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展過程具有重要意義。

建筑火災(zāi)；可燃材料；入射熱通量；凈熱通量

建筑火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的過程，實(shí)際上也是可燃材料在入射熱流的作用下不斷被引燃著火的燃燒過程。材料表面接受的入射熱通量的大小是材料發(fā)生著火和火焰?zhèn)鞑ブ匾蛩刂?，因此，分析確定可燃材料在火災(zāi)環(huán)境中的受熱過程和入射熱通量的大小對(duì)評(píng)價(jià)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性具有重要的作用[1-2]。

1 火災(zāi)中的熱傳遞

要分析材料在火災(zāi)的受熱過程，首先必須了解熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射這三種火災(zāi)中熱傳遞的基本方式[3]。

1.1 熱傳導(dǎo)

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是分子能量輸運(yùn)過程，可以用傅立葉定律表示，即單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

可燃材料表面在引燃前，主要依靠熱傳導(dǎo)方式內(nèi)向進(jìn)行傳熱，聚合物內(nèi)部的熱傳遞影響著聚合物熱分解過程，從而影響聚合物的燃燒過程。熱傳導(dǎo)過程在固體著火、表面的火焰?zhèn)鞑?、壁面熱損失以及材料的防火阻燃中尤為重要，對(duì)于熱塑性聚合物形成液池燃燒時(shí)，液體導(dǎo)熱也必須考慮。

1.2 熱輻射

因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳播稱為熱輻射，熱輻射過程不需要借助于介質(zhì)。熱輻射傳遞能量與溫度的4次方成正比。因此，在火災(zāi)條件下，由于火焰和煙氣的溫度很高，熱輻射是占主導(dǎo)地位的傳熱方式。來自火焰、熱煙氣及高溫表面的輻射熱流是材料火勢(shì)增長的驅(qū)動(dòng)力。

火焰和燃燒產(chǎn)物的熱輻射是一個(gè)復(fù)雜過程，確定時(shí)必須了解溫度隨時(shí)間和空間的變化、煙塵大小的分布及其濃度以及發(fā)射和吸收氣體組分的濃度。從理論上講，如果已知上述參數(shù)就能夠計(jì)算輻射傳熱量，但這對(duì)真實(shí)火災(zāi)而言并不現(xiàn)實(shí)。通常只能采用實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式合理估算。通過描述火焰的平均熱輻射通量可以克服上述困難，即：

式中，上劃線表示時(shí)間平均值以及湍流脈動(dòng)項(xiàng)的最大值。這里并未考慮空間變化，因?yàn)樗鼤?huì)使問題復(fù)雜化。此外，發(fā)射率取決于燃料性質(zhì)和火焰形狀。火焰或氣體的發(fā)射率可簡(jiǎn)單地表示為：

式中，Kg為吸收率;l是火焰的平均長度或特征尺度。l為1～2m的火焰接近黑體發(fā)射體，εg≈1。

1.3 熱對(duì)流

流體之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對(duì)流。對(duì)流傳熱的特點(diǎn)是靠近壁面附近的流體層中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體中則主要依靠對(duì)流方式傳熱，熱對(duì)流總是伴隨著熱傳導(dǎo)。熱對(duì)流是火焰和外界進(jìn)行熱傳遞的主要方式之一。熱對(duì)流在熱輻射較小的火災(zāi)初始階段尤為重要。通?；馂?zāi)條件下用對(duì)流換熱系數(shù)h(W·m-2·K-1)表示流體流動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，即：

式中，T為流體溫度;Ts為固體壁面溫度。

2 入射熱通量

2.1 凈入射熱通量

火災(zāi)中材料受熱的程度通常以其暴露表面接收的熱通量(也稱熱流密度)的大小表征。材料在引燃前其暴露表面接收的熱通量主要由對(duì)流熱通量和輻射熱通量兩部分組成[4-5]，材料表面在火災(zāi)中的受熱情況如圖1所示。

圖1 火災(zāi)中材料表面受熱示意圖

就材料的對(duì)熱反應(yīng)而言，其表面接收的凈熱通量尤為重要。凈熱通量表示為：

在實(shí)際應(yīng)用中，邊界總熱通量通常采用水冷熱流計(jì)測(cè)量，熱流計(jì)表面溫度近似與環(huán)境溫度(T∞)相同，設(shè)定表面溫度為環(huán)境溫度后，式(5)變?yōu)椋?/p>

冷卻熱流計(jì)表面能使對(duì)流換熱最大，同時(shí)使輻射熱損失最小。因此，冷卻的熱流計(jì)可測(cè)得最大入射熱通量。使用熱流計(jì)測(cè)得的總?cè)肷錈嵬?按式(6)計(jì)算)與實(shí)際熱通量之間的關(guān)系如下：

即：

因此，通過測(cè)量總的入射熱通量就可避免使用熱煙氣溫度及其熱輻射系數(shù)，這兩者很難通過計(jì)算獲得。計(jì)算材料表面的凈熱通量還需知道式(8)中的局部換熱系數(shù)(h)和材料表面熱輻射率(εs)。材料表面的熱輻射率可采用合理的估算值。局部換熱系數(shù)主要取決材料表面結(jié)構(gòu)，其取值范圍從0.010(對(duì)于平直墻面)到0.050(火焰達(dá)到頂棚)。

2.2 火羽的熱通量

當(dāng)0.5

2.3 熱煙氣層對(duì)凈熱通量的影響

房間內(nèi)局部燃燒產(chǎn)生的熱煙氣在房間頂部集聚形成熱煙氣層。熱煙氣層將預(yù)熱房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)(邊界結(jié)構(gòu))。如果局部燃燒的火焰厚度不足以遮擋光線的通過，那么，高溫?zé)釤煔鈱?duì)房間邊界結(jié)構(gòu)也會(huì)貢獻(xiàn)一部分熱通量[1,4]。

有多種燃燒模型可用來預(yù)測(cè)室內(nèi)燃燒時(shí)上部熱煙氣層的溫度。在具體應(yīng)用中，使用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)熱煙氣層的溫度同樣可行。這些經(jīng)驗(yàn)公式分別適用于有一個(gè)開口的房間(可自然通風(fēng)或強(qiáng)迫通風(fēng))，也適用于完全封閉房間。McCaffrey、Quintiere和Harkelroad提出了自然通風(fēng)條件下的計(jì)算公式：

式(13)和式(14)中，t為燃燒時(shí)間(s)；α為熱擴(kuò)散系數(shù)；δ為房間邊界構(gòu)件的厚度(m)；ρ為房間邊界構(gòu)件的密度(kg·m-3)；Cp為房間邊界構(gòu)件的比熱容(kJ·kg-1·K-1)；k為房間邊界構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)(kW·m-1·K-1)。

Karlsson和Magnusson研究認(rèn)為式(12)中的常數(shù)C是關(guān)于室內(nèi)起火位置的函數(shù)。當(dāng)火焰位于房間中央，C值取6.83；若火焰位于墻角，C值取9.22。墻角火燃燒時(shí)由于空間結(jié)構(gòu)的限制，使得卷吸進(jìn)入火羽的空氣減少，冷卻作用較弱，所以煙氣溫度較高。

對(duì)于強(qiáng)迫通風(fēng)的情況，Deal和Beyler提出了如下的計(jì)算公式：

如果已知開口的通風(fēng)速率，也可使用式(11)計(jì)算自然通風(fēng)時(shí)室內(nèi)熱煙氣層的溫度。

對(duì)于含有熱薄型圍護(hù)結(jié)構(gòu)(如鋼結(jié)構(gòu))的房間，Peatross和Beyler提出了使用修正系數(shù)對(duì)換熱系數(shù)進(jìn)行修正，從而對(duì)墻的熱損失進(jìn)行量化。因此，對(duì)于有熱薄型結(jié)構(gòu)的邊界，換熱系數(shù)則可按下式計(jì)算：

圖2 處于熱煙氣中的內(nèi)墻面熱通量隨熱煙氣層溫度的變化

實(shí)際上，熱煙氣層和墻面之間同時(shí)存在熱對(duì)流和熱輻射。然而，可以將熱煙氣層假設(shè)為黑體，能夠很好地估算墻面上總的熱通量。因此，來自熱煙氣層的熱通量可以按以下關(guān)系計(jì)算：

則有，

在火羽區(qū)，邊界表面的凈熱通量為火焰熱通量和熱煙氣層熱通量的總和：

假定輻射衰減的主因是具有灰體特性的煙氣和火羽引起，這樣，隨著發(fā)煙量和光程(如火焰的厚度)的增加，熱煙氣通過火焰?zhèn)鞯竭吔绫砻娴臒彷椛渎史炊鴾p小，見式(21)。如果火羽是光薄型(遮光性很低)，來自煙氣層的熱輻射損失很小，可忽略，見式(22)。若火羽是光厚型(遮光性很強(qiáng))，則來自煙氣層的熱輻射幾乎不能穿過火羽。因此，邊界表面的熱通量只與燃燒火羽本身有關(guān)，見式(23)。

3 結(jié)束語

材料的火災(zāi)燃燒性能對(duì)火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和危害具有決定性作用，是評(píng)價(jià)材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的依據(jù)。材料在火災(zāi)中表現(xiàn)出的燃燒性能與材料所處的熱環(huán)境密切相關(guān)，也就是說，材料在火災(zāi)中受熱程度決定其危險(xiǎn)性的實(shí)際大小。全面分析了解材料在火災(zāi)中的受熱過程及程度對(duì)正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性，以及深入開展室內(nèi)火災(zāi)理論研究和數(shù)值模擬都具有重要意義。

[1] 舒中俊,杜建科,王霽.材料燃燒性能分析[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2014.

[2] 杜建科,舒中俊,朱惠軍,等.建筑材料的燃燒性能與試驗(yàn)方法[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2013.

[3] 杜建科,王平,高亞萍,譯.火災(zāi)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4]MOURITZAP,GIBSONAG.FirePropertiesofPolymerCompositeMaterials[M].PublishedbySpringer,2006.

[5]LATTIMERBY.HeatFluxesfromFirestoSurfaces[C]//DiNennoPJ.TheSFPEHandbookofFireProtectionEngineering,SFPE,MA:Boston,2001:Chapter2-14.

[6]HESKESTADG.LuminousHeightofTurbulentDiffusionFlames[J].FireSafetyJournal,1983,(5):103-108.

[7]BACKG,BEYLERCL,DiNennoPJ,etal. Wall Incident Heat Flux Distributions Resulting from an Adjacent Fire[C]// Proceedings of the 4th International Symposium on Fire Safety Science,1994:241-252.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

Incident Heat Flux on Surface of Flammable Materials in a Building Fire

LI Fei1, SHU Zhongjun2

(1.ChenzhouMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince423000,China; 2.DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The fire hazard of the flammable materials in a building fire is depend on how their surfaces are heated due to the high temperature scene. The incident heat flux on surface of materials is a key factor to characterize the severity of suffering high temperature. In this paper, the fundamental theory on heat transfer and the calculations of incident heat flux in fire are reviewed and summarized, the results are very important to assess properly the fire hazard of flammable materials and to model the fire development.

building fire; flammable material; incident heat flux; net heat flux

2015-03-23

李飛(1978— )，女，湖南邵陽人，工程師； 舒中俊(1964— )，男，湖北京山人，教授。

D631.6;O551.3

A

1008-2077(2015)06-0014-04