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1、第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,相对于气体可燃物和液体可燃物而言，固体可燃物的燃烧过程比较复杂。因此，固体可燃物的火灾蔓延过程也比较复杂。,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体,为了简化问题，先以塑料棒或板等单一试件为例，分为三种情况：上端着火，火向下蔓延；下端着火，火向上蔓延；中间着火，火向两边蔓延。中间着火实际上就是前面两种情况的综合，这里不单独介绍。图4-8为上或下端着火后，火蔓延的过程图。 图4-8 火沿塑料棒蔓延过程图 从图4-8可以看出，着火的部位不同，传热情况不同，所以火蔓延的速度也不同。在无相对风速条件下，下端着火、火向上蔓延时，因燃烧后的高温燃气流经未燃烧部分
2、的表面，所以对流换热作用很强，未燃烧部分通过,一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,对流传热能从高温燃气得到更多的热量，对未燃烧部分的热解、气化有利，因此火的蔓延速度快；而上端着火，火向下蔓延时，因为高温烟气不流经未燃烧部分，对未燃烧都分的传热量少，因此火的蔓延速度就慢。 板的厚度对火蔓延速度有较大影响。当板厚较小时，向预热区的传热方式主要为气相传热；当板厚较大时，向预热区的传热方式主要为固体内部传热。传热方式的变化导致火蔓延速度的变化。图4-9为有机玻璃板火蔓延速度与厚度的关系。板厚度增加，火蔓延速度减小；板厚度超过某一值后，火蔓延速
3、度趋于某一常值。 图4-9 有机玻璃板厚度对火蔓延速度的影响,一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,根据火蔓延速度（VF）、板厚度、板表面温度（Ts）三者之伺关系的研究结果，在板厚度较小时，火蔓延速度与固体可燃物的气化温度（Tv）同固体可燃物的表面温度差（Tv-Ts）成反比；在板厚度较大时，火蔓延速度（VF）与 (Tv-Ts)2 成反比。这说明：对于厚度大的固体可燃物，其表面温度对火蔓延速度有显著影响。图4-10为下端着火，向上蔓延火的热分解、气化区的扩大速度（Vp）与着火距离之间的关系。 图4-10中所示的实验结果表明：热分解、气化区
4、的扩大速度随着火距离的增大而增大。火焰在距离着灭点1015mm处从层流火焰转变为湍流火焰，以后热分解、气化区的扩大速度（火蔓延速度）随着火距离（x）成正比增大。这充分体现了已燃高温燃气的预热效果，而这种效果是一种综合效果，需要注意各种参数之向的相互关系。,一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,图4-10 热解气化区扩大速度与着火距离间关系 为了对上述现象的机理有个明确认识，有人设计了图4-11所示的固体着火之后内部温度分布测量实验装置。从上部用激光器对试件施加辐射能，然后用热电偶测量固体内部的温度分布。外部向固体每单位表面积上的热辐射通
5、量（qe）为： (4-25),一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,式中，qE为二氧化碳激光器的热辐射强度；为固体表面与水平面的夹角。图 4-11 固体着火之后内部温度分布测量装置 如果用qJ表示火焰向固体每单位表面积上的热辐射通量，qP表示每单位表面积的固体热分解、气化时所需要的热流通量，qc表示每单位固体表面上向固体内部传入的热通量，上述各量应有下述关系：(4-26),一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,如果令为固体可燃物的密度，Le为单位质量固体的热分解热，为固体的导热系
6、数，T为温度，为距固体表面的距离，VF为火蔓延速度，则有下列关系：(4-27)(4-28)图4-12 固体内部热流密度分布 图4-12所示为有关实验结果。从该结果可以看出：qc的最大值在固体内部的某位置上，而且与qE有关。,一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,当改变材料的种类时；固体可燃物内部热流的分布规律变化不大，但相对位置和绝对值都有明显的变化。这表明：火焰形状和最高温度都有变化，并引起传热关系的变化，特别要注意对流传热项相对重要性的变化。 如果已知VF、和qE，根据式可（4-27）、（4-25）、和（4-28），可分别求出qP、
7、 qe和qc。这样就可得到固体可燃物表面附近处的各种热流通量的变化规律。 前面所讨论的塑料棒或板的燃烧，只涉及到材料的儿何形状、着火位置、环境条件等对燃烧过程的影响，而役有考虑燃烧过程中固体可燃物受热后液化或结焦的影嗬。受热后液化的可燃物，其燃烧特性其有液体燃料燃烧特性。受热后结焦的可燃物，会在表面形成一层焦壳，焦壳一般都具有较强的隔热性，可使内层物质不受高温的影响。所以对上述两种情况燃烧特性的讨论必须结合可燃物的性能进行。由于可燃物种类繁多，使德此项土作难进行，目前多采用实验测量办法给出实验数据。,一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延
8、,下面介绍一下美国工厂联合研究组织采用的实验方法、实验装置和实验结果。图4-13所示为实验装置简图。图4-13 固体可燃物燃烧性能实验装置简图 试件为一块面积为0.007m2、厚0.01m的平板，燃烧时水平放置、实验器内的供氧浓度与大气相同，燃烧过程中连续称重，外部热辐射加热作为点火热源、其强度可根据需要进行调节，固体可燃物的燃烧速度可根据能量关系（即式（1-2）计算得出。 在式（1-2）中，实际是燃烧放热量的一部分，显然与氧浓度有关，因此可写为：(4-29),一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,式中，O2为氧气摩尔百分数；为实验常数
9、。 当 不变时，式（1-2）可写为：(4-30) 通过实验测得m与O2的关系，就可得到实验常数，这样就求得了火焰向固体可燃物表面传入的热流通量。当O2为常数时，就可求得Gs与的关系，这就求得了要使某些固体可燃物燃烧，必须附加的最小点火能。 由于实验中采用的试件尺寸较小，用于大试件时应作适当修正，必须考虑热辐射的影响。尤其在环境氧气浓度较大时：燃烧速度较快、火焰温度较高，燃烧放出的热量较多地返回可燃物表面，起到使燃烧速度加快的作用；另外，因挥发份产生速度的增加，在可燃物表面形成了一层挥发份，这层挥发份吸收了火焰的辐射热，同时挥发分的流动又降低了可燃物表面的对流传热，所以还有减慢燃烧速度的作用。,
10、一、塑料等人工合成固体*二、木材等天然固体三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,木材的结构特点对木材的着火特性有显著影响，在讨论木材的燃烧烧特时，必然要考虑木材结构的影响。实验证明，木材结构对火蔓延速度有显著影响。 根据木条的实验结果，火焰沿横纹方向的蔓延速度，大体上有如下关系：(4-31) 式中， 和 分别为沿横纹和顺纹方向火蔓延的平均速度。 在森林火灾和建筑火灾中的木质可燃物，沿横纹方向烧损程度往往比较严重，就是这个道理。因此，木材的烧损程度应当用烧痕的深度来表示，而不宜用烧痕的面积来表示，这对判断过火林木的使用价值有重要意义。 木材尺寸（可理解成树木的年龄）、木条倾斜角、
11、树种等都对火蔓延速度有显著影响。在木条有倾斜角时，木条横截面的高度与厚度对火蔓延速度的影响并不相同。厚度增加时，火蔓延速度下降；高度增加时，火蔓延速度增加。这是因为高度增加时，相当于垂直方向的长度增加，所以火焰对上部木条的预热作用加强，导致火蔓延速度增加。,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体*三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,环境温度升高时，因木材的热解、气化速度迅速增加，火的蔓延速度也相应迅速增加。在大面积森林火灾中，局部可能形成这样的高温环境，使得着火的危险性和火灾蔓延速度增加。 依据大量的实验结果，可将木条火焰的蔓延速度与各参数之间的关系表示为：(4-32)式中
12、，为平均火焰蔓延速度；为环境温度；为木条倾斜角。 在单个木条实验研究的基础上，可以开展木条框架燃烧时，火蔓延规律的研究，进而发展成树木燃烧时，火蔓延规律的研究。有关实验结果表明：木条框架燃烧时，火蔓延速度较单个木条燃烧时的火蔓延速度要快。这说明必须考虑各木条火焰之间的相互影响。,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体*三、薄片固体,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,薄片（纸等）固体应用很广，一旦着火燃烧，火的蔓延规律又独具特色，所以单独作些介绍。这种固体可燃物厚度很小，但是面积很大，总的质量不大，热容也不大，受热后升温很快。大量的研究结果表明：薄片固体可燃物的质量燃烧速度等于固体可燃物
13、的气化速度，而固体可燃物的气化速度与外部向固体可燃物的传热量有关。图4-14为某些薄片固体可燃物的质量燃烧速度与外部向固体可燃物的传热关系曲线。图4-14 薄片固体可燃物的质量燃烧速度与传热量的关系,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体*,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,尽管薄片固体可燃物的种类不同，但与传热量基本都呈线性关系。这实质上反映了温度对燃烧过程的影响，碳片的燃烧实验结果也证实了这点。当温度在1000oC以下时,碳片燃烧只有表面反应，所以相应的温度分布、氧气浓度分布和二氧化碳浓度分布如图4-15（a）所示；当温度在1000oC以上时，碳片燃烧除表面反应之外，还
14、有空间反应，所以相应的特性曲线如图4-15（b）所示。上述结果可以用来预侧，贴在墙上的纸着火之后的蔓延速度，窗帘着火之后的蔓延速度等。图4-15 不同温度下碳片燃烧的特性曲线,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体*,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,薄片固体可燃物在燃烧过程中，温度是不断变化的，这必然引起自然对流及传热过程的变化，最后又影响到燃烧过程的变化。由此可见，温度是整个过程的关键参数，对燃烧过程直接影响的参数是相对速度。所以对火蔓延速度与相对速度的关系进行研究是必要的。图4-16为相应的研究结果。 图4-16 纸的平均火蔓延速度与相对速度的关系 按照相对速度的大小
15、，可以分成三个不同的区域： I区：u85cm/s，属于自然对流范围。相对速度增加时，火蔓延速度下降。在每一种相对速度下，火的蔓延过程有个加速现象；,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体*,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,II区：85u125cm/s，在此速度范围内，火焰很不稳定，纸中间部分的火蔓延速度忽快忽慢，纸两边的火蔓延速度比中间的慢很多，火焰的整体形状变尖； III区：u125cm/s，火焰蔓延速度进一步下降，但均匀了，也就是说边上与中间的火蔓延速度基本相同，但有局部加速的现象。如果速度再增加，就会发生熄火现象。 为了分析上述现象，需要对纸面附近的气相温度及分布进
16、行研究。为此，在距离初始着火10cm、距离纸面0.1cm处，安装一支热电偶。对应I区、II区和III区的实验条件，测得相应的温度时间曲线。结果表明：在I区未燃侧受火焰前峰高温气体的预热作用明显，气相温度变化并不很规则、但总的趋势是温度不断升高；在II区里高温气体的预热作用呈周期性变化，其原因是高温气体与环境气体交替流过该处所致；III区里高温气体的预热作用只限于紧靠火焰前峰的一小部分，其他部分几乎不受预热影响。对火焰前峰附近流场的进一步观测结果，证实上述分析是正确的。,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体*,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,图4-17描述的是在 cm/s
17、的条件下，用纹影法拍下的火焰前峰附近的温度场。 图4-17 火焰前峰附近的纹影照片 结果表明：在纸的左侧，由于高温气体的位置比较靠上，越靠近纸面温度越低；而在纸的右侧，因为有气流流过，温度的下降更为明显。这表明温度下降的原因还应考虑对纸的预热作用，由于右侧的高温气体较左侧的高温气体位置靠下，且温度较低，所以热流必然从左侧流向右侧。很明显纸的火焰蔓延速度要受两侧向未燃区的热流强度控制。,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体*,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,总之，当火焰前峰以较大速度向上移动时，旋涡在火焰前峰之前产生，纸面附近事先产生了上升气流；火焰前峰以较小速度向上移动时，在纸面附近事先产生了向下气流。也就是说当火焰前峰以较大速度运动时，纸面附近气流流动方向与火蔓延方向相同；火焰前峰以较小速度运动时，纸面附近气流的流动方向与火焰蔓延方向相反。在I、II和III区的相邻处，这种作用的影响更明显。从图4-17可看出这一点。 上述现象在室内火灾中，经常可以看到，特别是对有开口的房间，则更为明显。这种火的蔓延速度较快，对整个火灾过程的发展影响大，应当作为早期灭火的主要对象。,一、塑料等人工合成固体二、木材等天然固体三、薄片固体*,小节名,第三节 固体可燃物中的火灾蔓延,此节末页，点击此处返回本章目录,
