林真国 付祥钊 张素云

1 引言

火灾烟气的高温对人员疏散构成较大威胁，同时也与早期火灾探测和火灾蔓延紧密相关。对烟气温度的研究，有助于认识火灾温度场的变化规律，帮助人们对火灾的控制。

火灾温度场的变化与可燃物的放热量直接相关，而该放热量又受可燃物的种类、质量、堆放方式、燃烧地点等诸多因素影响。本文仅以两类不同衣物失火的模型实验为基础，探索火灾温度场与可燃物种类的联系。

2 实验台及实验方案

本模型实验台原型为某中庭建筑，总高度27.6米。采用1/8的几何比例尺，模型平面如图1。温度测点采用铜—康铜热电偶，通过智能温度巡检仪，在PC屏幕上动态显示各测点温度。在中庭内设有13个温度测点，测点109、110分别在两个排烟口的入口处测排烟温度，其余测点分布在中庭中心六个不同的高度上，模型内温度测点布置如图2。

可燃物种类实验A采用棉布类夏装，实验B采用化纤类夏装；实验A、B可燃物质量均为1.8kg(对应原型325.8kg)；可燃物燃烧地点如图2，可燃物堆放方式和通风状况等因素均保持A、B相同。

 

3 实验结果分析

实验结果处理时对参数进行无因次化，令

（1）

（2）

其中，、—为无因次时间和无因次高度；

—实验点火后时间，s；

—模型内某点到模型地面的高度，m；

—与模型中庭体积相等的当量球直径，m；

—模型中庭高度，m；

—重力加速度，9.8m/s2。

温度比例尺取为1，模型内各点温升采用绝对值而不再无因次化。根据原型和模型同名无因此数相等的原则，可用式（1）、（2）将实验结果转换到原型，预测原型中庭内火灾时不同时刻各高度的温度变化情况。

实验发现，在同一时刻中庭不同高度温度不同，同一高度不同测点温度也有差异，这是由于烟气运动导致的中庭内温度分布的不均匀。由于模型中庭内同一高度不同测点温差不大（1～6℃），在对比分析可燃物种类变化对中庭不同高度温度的影响时，以同一高度不同测点温度的平均值作为该高度的温度。

实验A可燃物为棉布类夏装，可燃物燃烧速度较快，火焰较高，火源着火以后迅速蔓延开去，引起相邻排可燃物着火，整个火源释热率增加很快，中庭内各点的温度上升明显，上升速度较快，图3是实验A模型中庭内各个无因次高度平均温升的变化趋势图。

实验B可燃物为化纤类夏装，火源的燃烧状况与棉布类夏装不一样，火焰较低，且可燃物燃烧呈收缩状，限制了火源的蔓延，使火源的释热率上升较慢，中庭内各点的温度在火源着火以后一段时间内上升不明显。当火源发展到一定时间后，火源的释热率增长到足以引起相邻排可燃物的燃烧以后，火源的释热率增长速度加速，中庭内各点的温度增长加快，图4是实验B模型中庭内各个无因次高度平均温升的变化趋势图。

图3 实验A中庭内不同高度平均温升变化趋势

图4 实验B中庭内不同高度平均温升变化趋势

从图3、图4可以看出，不管可燃物的种类如何，中庭内各个高度的平均温度经历了先升高后降低的变化过程，这与火灾燃烧（点燃—成长—轰然—衰减）过程相吻合。随着燃烧的发展，中庭各个高度的温度由于上升的烟气而不断地升高；经历一段时间后，火源由稳定期向衰减期过渡，中庭内各个高度的温度由波峰向波谷发展。由于热对流的作用，使温度较高的烟气不断向上运动，在中庭内竖直方向形成一个随着高度增加而温度增加的温度梯度，从图3、图4均可看出这种趋势，排烟口处的平均温度最高，往下温度逐渐降低。

由于高温烟气主要向上运动，中庭上层（无因次高度0.64以上）温度的变化较大，而下层（无因次高度0.35以下）温度的变化比较平缓，在燃烧初期甚至基本没有变化。这是由于火源对流热量基本被上升烟气带到了中庭上层，中庭下层热电偶测点尽管离火源较近，但在中庭内其体积相对微小而基本得不到火源的辐射热量，因此燃烧初期显示下层空气温度基本没有什么升高；而当燃烧经历一段时间后，烟气不断下降，引起中庭下层温度的升高，但温度较高的烟气停留在中庭上层，相对来说下层比上层温升要小得多，下层空气最高温升一般在10℃左右，而上层最高温升可达60~90℃。比较图3、图4，中庭下层由于烟气的下降而温度升高的时间是不一样的，实验A在着火后无因次时间约为326时，中庭下层温度开始有明显升高；实验B则在着火后无因次时间约为544后，中庭下层温度才开始有较明显的上升趋势。说明化纤类可燃物烟气填充中庭的速度比棉布要慢，这对人员的疏散是有利的。这是因为棉布类可燃物燃烧的速度比化纤类可燃物要快，在燃烧前期（火源在未向衰减期发展之前）烟气产生速度较快造成的。

尽管实验A、B中庭内各个高度温度变化的趋势相近，但由于可燃物的不同，使得温度的变化趋势也有一些差异。首先，由于棉布燃烧的速度比化纤要快，图3中各温度曲线各点斜率绝对值比图4中的相应点要大，实验A燃烧时间比实验B要短；其次，棉布类可燃物释热率比化纤类大，实验A比实验B在中庭内各个高度的平均温度都要高，图5是中庭三个高度在实验A、实验B中的平均温度，实验A中庭上层比实验B的温升高出约40℃，下层也要高出约10℃；此外，棉布燃烧发展波动较少，在燃烧前期中庭内各高度温度升高，在燃烧后期（火源向衰减期发展之后）中庭内各高度温度开始下降，整个过程中各高度温度值只有一个波峰出现。而化纤类可燃物在进入稳定期之前燃烧可能出现波动，引起中庭内温度的波动，图4无因次时间在598~707之间便有一个这样的波动。这种波动是有利的，它延缓了火源的发展，为疏散争取了时间，同时减弱了火灾的蔓延，从一定意义上说可燃物本身控制了火势的发展。如棉布这类极易着火的可燃物，一旦失火便非常容易发展成大面积的火灾，而化纤类虽然同样为可燃材料，但由于可燃物在燃烧过程中呈收缩状态，燃烧的横向蔓延比棉布要弱，有时可能自动终止燃烧。因此，从控制火源的角度而言，化纤类可燃物比棉布要有利（虽然在其它方面未必如此）。

图5 中庭内不同高度平均温升变化趋势的比较

4 结论

随着火灾的发展，中庭内各高度的温度经历了先升高后降低的变化过程。中庭内竖直方向形成一个随高度增加而温度增加的温度分布。可燃物的种类影响中庭内温度变化情况。棉布类衣物比化纤类衣物燃烧速度要快，火灾释热率更高，中庭内温度变化速度棉布比化纤更快，温度梯度的变化棉布比化纤更大。从火源控制和烟气温度角度而言，化纤类衣物比棉布类衣物要有利。

参考文献

1 林真国， 中庭建筑火灾模型实验研究， 重庆大学硕士学位论文 2001.11

2 周谟仁 流体力学泵与风机 中国建筑工业出版社，1994.11