烟气的性质与流动

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1、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 质烟 气 产 生 的原 因 （ 1） 燃 烧 过 程 中 ， 氧 气 不 足 ， 发 生 不 完 全 反 应烟 气 产 生 的原 因 （ 2） 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 粒火 灾

2、 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 ）（ 2） 烟 气 卷 吸 的 空 气 。（ 3） 多 种 微 小 的 固 体 颗 粒 和 液 滴 （ 碳 颗 粒 和 水 滴 等 ） 。 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/ m） 。 适 用

3、 于 小 尺 寸 试 验2.测 量 单 位 体 积 烟 气 中 烟 颗 粒 的 数 目 （ 个 / m)。 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 。 火 灾 烟 气 中 含 有 多 种 有 毒 物 质

4、， 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 ：3.1烟 气 的 产 生 与 性 质一 .动 物 实 验 法二 .气 体 分 析 法动 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 试验 动 物

5、14天 内 体 重 增 减 ， 运 动 能 力 以 及 致 死 等 情 况 ， 从 而 评 估烟 气 的 毒 性 。气 体 分 析 法 ： 采 用 化 学 分 析 仪 器 对 火 灾 烟 气 成 分 进 行 测 试 ， 分析 其 毒 性 ， 用 毒 性 指 数 表 示 烟 气 的 毒 性 大 小 。毒 性 指 数 ： 将 烟 气 中 的 某 种 气 体 的 实 际 浓 度 与 该 气 体 的 30min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 毒气 体 的 毒 性 因 子 之 和 即 为 该 烟 气 的 毒 性 指 数 。14种 常

6、 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 性稳 定 电 源 光 源 0I I 光 敏 元 件 数 据 采 集 系 统L烟 气 遮 光 性 测 量 装 置 示 意 图 0II 光 的 透 射 率烟 气 的 光 学 密 度 ： 0lg( / )D I I单 位 长 度 光 学 密 度 ： 0 0lg( / ) /D I I L减 光 系 数 ： 0ln( / )/cK I

7、 I L 3.2烟 气 的 遮 光 性v 烟 气 的 发 烟 能 力 测 试3.2烟 气 的 遮 光 性 NBS标 准 烟 箱 使 用 方 法 ： 将 一 块75cm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/cm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 ： 单 位 长 度 的 光 学 密 度 V 是 试 验 箱 的 容 积 试 样 的 暴 露 面 积 0 ( / )

8、m sD D V A0DsA 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 A加 压 空 间1A 2A 3ATQ 1Q 2Q 3Q 并 联 出 口 TQ 1 2 3TQ Q Q Q eA 1A 1Q2Q 3Q1 2 3eA A A A 串 联 流 动 A1A2A 3A 1Q TQ2Q 3Q 串 联 出 口有 效 流 通 面

9、 积 ：2 2 2 1/21 2 3(1/ 1/ 1/ )eA A A A 推 广 可 以 得 到 n个 出 口 串 联 时的 有 效 面 积 为 ： 1/2 21(1/ )ne iiA A 加 压 空 间 混 联 流 动 1A2A3A4A 5A AQ加 压 空 间该 图 为 串 并 联 系 统 ， 可 见 并 联 ， 组 合 有效 流 通 面 积 为 ：同 理 ， 因 此 ， 系 统 的 有 效 流 通 面 积 为 ： 2A 3A23 2 3eA A A 45 4 5eA A A 1/2 2 2 21 23 451/ 1/e e eA A A A 3.3.2烟 气 流 动 的 驱 动 力3.

10、3烟 气 的 流 动烟 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

11、动 非 常 显 著 ， 这 就 是 烟 囱 效 应 。 正 烟 囱 效 应 和 逆 烟 囱 效 应 时 的 气 体 流 动 建 筑 物 中 正 烟 囱 效 应 引 起 的 烟 气 流 动 在 正 烟 囱 效 应 的 情 况 下 ， 低 于 中 性 面 火 源 产生 的 烟 气 将 与 建 筑 物 内 的 空 气 一 起 流 入 竖 井 ，并 沿 竖 井 上 升 ， 一 旦 上 升 到 中 性 面 以 上 ， 烟气 便 可 由 竖 井 流 出 来 ， 进 入 建 筑 物 的 上 部 楼层 。 如 图 （ a)所 示 。若 中 性 面 以 上 的 楼 层 发 生 火 灾 ， 由 正 烟 囱效 应

12、产 生 的 空 气 流 动 可 限 制 烟 气 的 流 动 ，空 气 从 竖 井 中 流 进 着 火 层 能 够 阻 止 烟 气 流进 竖 井 。 如 图 （ b)所 示 。若 着 火 层 的 燃 烧 强 烈 ， 热 烟 气 的 浮 力 克 服了 竖 井 内 的 烟 囱 效 应 ， 则 烟 气 仍 可 进 入 竖井 继 而 流 入 上 部 楼 层 。 如 图 （ c)所 示 。 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

13、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 ： 21 ( )2 w wp C V 为 风 作 用 到 建 筑 物 表 面 的 压 力 ， 为 风 压 系 数 ， 空 气 的 密 度 ， V为 风 速wp wC由 风 引 起 的 建 筑 物 的 两 个 侧 面 的 压 力 差 为 ：21 21( )2w w Wp C C V 为 迎 风 墙 的 压 力 系 数 为 背 风 墙 的 压 力 系 数1wC 2WC 注 ： 缺 压 力 系 数 图 空

14、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 。 2 2 1/22 1 ( / )Sw a e c a a bAVp NCA CA N N 由 活 塞 效 应 引 起 的 电 梯 上 方 与 外 界 的 压 差 wp式 中 ， 为 电 梯 井 内 空 气 密 度 ， 为 电 梯 井 的 截 面 积 ， V为电 梯 的 速 度 ， 为 电 梯 以 上 的 楼 层 数 ， 为 电 梯 以 下 的 楼 层数 ， C为 建 筑 物 缝 隙 的 流 通

15、 系 数 ， 为 在 每 层 中 电 梯 井 与 外界 的 有 效 流 通 面 积 ， 为 电 梯 周 围 的 流 体 的 流 通 系 数 ， 为电 梯 周 围 的 自 由 流 通 面 积 。 SAaN eA cC aAbN 3.4压 力 中 性 面1.具 有 连 续 开 缝 的 竖 井 0TST竖 井 s H nH nH为 竖 井 内 空 气 的 绝 对 温 度ST 0T 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 0T 0H 0HaA bA 201 ( / )( / )n S b aHH T T A A aA 为 上 开 口 面

16、 积bA 为 下 开 口 面 积 3.5烟 气 的 生 成 速 率为 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

17、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 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

18、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 。根 据 理 想 羽 流 模 型 导 出 的 烟 气 生 成 速 率 公 式 ： 2 1/3 1/3 5/30.2( )p pgm Q ZC T pm 为 Z处 烟 气 的 生 成 速 率 ， T为 环 境 空 气 温 度 ， 为 环 境 空 气 的 密 度 ， 为 空 气 比 热 ， g为 重 力 加 速 度 ，Q为 火 源 热 释 放 速 率 ， Z为 距 离

19、火 源 的 高 度 。 pC .Heskestad羽 流 模 型基 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 代替 Q， 其 中 表 示 火 源 的 总 热 释 放 速 率 Q的 对 流 部 分 ， 一 般 来 说 ， =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 。 CQ CQCQ . 1/3 5/300.071 (

20、) 0.00192C Cm Q Z Z Q 根 据 Heskestad羽 流 模 型 导 出 火 焰 上 方 和 下 方 的 烟 气 生 成 速 率 为 ：Lz z. 0.0056 C Lzm Q z LZ Z2/51.02 0.235LZ D Q 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 5/30.042 Cm Q Z . 1/3 5/30.025 Cm Q Z 3.6烟 气 层 的 形 成 与 排 烟 机 理烟 气 层 的 高

21、 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 。 1/3 4/321.11 0.28 ln /z tQ HH A H t为 火 灾 燃 烧 时 间 ， A为 建 筑 空 间 的 横 截 面 积

22、， 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 ，2.当 屋 顶 设 有 自 然 排 烟 设 施 ， 且 烟 气 层 处 于

23、稳 定 状 态 时 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 为 排 烟 的 质 量 流 率 Q为 热 释 放 速 率 3 / 51/ 3( )0.076Vz Q 3 / 51/ 3( )0 .0 7 6emz Q em 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

24、 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 。 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/D0.1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 。 通 过 房 间 顶 棚 开 口 的 流 动 CAFUC