建筑火災中材料表面入射熱通量確定方法簡析

李 飛，舒中俊

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

建筑火災中材料表面入射熱通量確定方法簡析

李 飛1，舒中俊2

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

可燃材料在火災中的受熱程度直接決定其實際的火災危險性。材料表面的入射熱通量是表征材料受熱程度的關鍵參數(shù)。在綜述現(xiàn)有文獻的基礎上，歸納總結了可燃材料在火災中受熱分析的基本理論和材料表面入射熱通量的計算方法，這些基本理論和方法對正確評價材料的火災危險性和模擬室內(nèi)火災的發(fā)展過程具有重要意義。

建筑火災；可燃材料；入射熱通量；凈熱通量

建筑火災發(fā)生、發(fā)展的過程，實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環(huán)境中的受熱過程和入射熱通量的大小對評價材料的火災危險性具有重要的作用[1-2]。

1 火災中的熱傳遞

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

1.1 熱傳導

物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導。熱傳導是分子能量輸運過程，可以用傅立葉定律表示，即單位時間內(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)學表達式為：

可燃材料表面在引燃前，主要依靠熱傳導方式內(nèi)向進行傳熱，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，對于熱塑性聚合物形成液池燃燒時，液體導熱也必須考慮。

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。熱輻射傳遞能量與溫度的4次方成正比。因此，在火災條件下，由于火焰和煙氣的溫度很高，熱輻射是占主導地位的傳熱方式。來自火焰、熱煙氣及高溫表面的輻射熱流是材料火勢增長的驅動力。

火焰和燃燒產(chǎn)物的熱輻射是一個復雜過程，確定時必須了解溫度隨時間和空間的變化、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)就能夠計算輻射傳熱量，但這對真實火災而言并不現(xiàn)實。通常只能采用實測和經(jīng)驗關系式合理估算。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，上劃線表示時間平均值以及湍流脈動項的最大值。這里并未考慮空間變化，因為它會使問題復雜化。此外，發(fā)射率取決于燃料性質和火焰形狀?；鹧婊驓怏w的發(fā)射率可簡單地表示為：

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 熱對流

流體之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。對流傳熱的特點是靠近壁面附近的流體層中依靠熱傳導方式傳熱，而在流體中則主要依靠對流方式傳熱，熱對流總是伴隨著熱傳導。熱對流是火焰和外界進行熱傳遞的主要方式之一。熱對流在熱輻射較小的火災初始階段尤為重要。通?；馂臈l件下用對流換熱系數(shù)h(W·m-2·K-1)表示流體流動對溫度場的影響，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流熱通量和輻射熱通量兩部分組成[4-5]，材料表面在火災中的受熱情況如圖1所示。

圖1 火災中材料表面受熱示意圖

就材料的對熱反應而言，其表面接收的凈熱通量尤為重要。凈熱通量表示為：

在實際應用中，邊界總熱通量通常采用水冷熱流計測量，熱流計表面溫度近似與環(huán)境溫度(T∞)相同，設定表面溫度為環(huán)境溫度后，式(5)變?yōu)椋?/p>

冷卻熱流計表面能使對流換熱最大，同時使輻射熱損失最小。因此，冷卻的熱流計可測得最大入射熱通量。使用熱流計測得的總入射熱通量(按式(6)計算)與實際熱通量之間的關系如下：

即：

因此，通過測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)，這兩者很難通過計算獲得。計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構，其取值范圍從0.010(對于平直墻面)到0.050(火焰達到頂棚)。

2.2 火羽的熱通量

當0.5

2.3 熱煙氣層對凈熱通量的影響

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。熱煙氣層將預熱房間的圍護結構(邊界結構)。如果局部燃燒的火焰厚度不足以遮擋光線的通過，那么，高溫熱煙氣對房間邊界結構也會貢獻一部分熱通量[1,4]。

有多種燃燒模型可用來預測室內(nèi)燃燒時上部熱煙氣層的溫度。在具體應用中，使用經(jīng)驗公式預測熱煙氣層的溫度同樣可行。這些經(jīng)驗公式分別適用于有一個開口的房間(可自然通風或強迫通風)，也適用于完全封閉房間。McCaffrey、Quintiere和Harkelroad提出了自然通風條件下的計算公式：

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

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

對于強迫通風的情況，Deal和Beyler提出了如下的計算公式：

如果已知開口的通風速率，也可使用式(11)計算自然通風時室內(nèi)熱煙氣層的溫度。

對于含有熱薄型圍護結構(如鋼結構)的房間，Peatross和Beyler提出了使用修正系數(shù)對換熱系數(shù)進行修正，從而對墻的熱損失進行量化。因此，對于有熱薄型結構的邊界，換熱系數(shù)則可按下式計算：

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

實際上，熱煙氣層和墻面之間同時存在熱對流和熱輻射。然而，可以將熱煙氣層假設為黑體，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系計算：

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)，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，見式(23)。

3 結束語

材料的火災燃燒性能對火災的發(fā)生、發(fā)展和危害具有決定性作用，是評價材料火災危險性的依據(jù)。材料在火災中表現(xiàn)出的燃燒性能與材料所處的熱環(huán)境密切相關，也就是說，材料在火災中受熱程度決定其危險性的實際大小。全面分析了解材料在火災中的受熱過程及程度對正確認識和評價材料的火災危險性，以及深入開展室內(nèi)火災理論研究和數(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.火災學基礎[M].北京：化學工業(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