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1、烟气的性质与流动（第三章）,纲要,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）。适用于小尺寸试验 2.测量单位体
2、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，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
3、分钟），观察试验动物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,光敏元件,数据采集系统,L,烟气遮光性测量装置示意图,光的透射率,烟气的光学密度：,单位长度光
4、学密度：,减光系数：,3.2烟气的遮光性,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,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,并联出口,串联流动,串联出口,有效流通面积：
5、,推广,可以得到n个出口串联时的有效面积为：,加压空间,混联流动,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：,3.3.2烟气流动的驱动力,3.3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
6、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，建筑物的外部压力分布受到多种因素的影响，其中包括风的速度和
7、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：,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,由风引起的建筑物的两个侧面的压力差为：,为迎风墙的压力系数 为背风墙的压力系数,注：缺压力系数图,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。,由活塞效应引起的电梯上方与外界的压差,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
8、由流通面积。,3.4压力中性面,1.具有连续开缝的竖井,为竖井内空气的绝对温度,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,为上开口面积,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).
9、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：,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为距离火源的高度。,.Heskesta
10、d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。,根据Heskestad羽流模型导出火焰上方和下方的烟气生成速率为：,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：,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
11、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。,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， 2.当屋顶设有自然排烟设施，且烟气层处于稳定状态时 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
12、的质量流率 Q为热释放速率,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,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。,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,Thank You !,
