煙氣流動(dòng)與控制

1、第一章 煙氣流動(dòng)與控制        統(tǒng)計(jì)表明：火災(zāi)中 85 以上的死亡者是由于煙氣的作用，有毒和高溫?zé)煔獾奈胧窃斐苫馂?zāi)中人員傷亡的主要原因。因此為了及時(shí)排除有害煙氣，阻止煙氣向防煙分區(qū)外擴(kuò)散，確保建筑物內(nèi)人員的安全疏散，安全避難和為消防隊(duì)員創(chuàng)造有利撲救條件，需要在建筑中設(shè)置防煙和排煙設(shè)施。        總體上建筑的防煙和排煙的設(shè)計(jì)理論就是煙氣控制理論。對(duì)于一幢建筑物，當(dāng)內(nèi)部某個(gè)房間或部位發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)循序采取必要的防排煙措施，對(duì)火災(zāi)區(qū)域?qū)嵭信艧?，使火?zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量能迅速排除；對(duì)非火災(zāi)區(qū)域的疏散通道等應(yīng)采用

2、機(jī)械加壓送風(fēng)等防煙措施，使該區(qū)域的氣壓高于火災(zāi)和煙氣侵入?yún)^(qū)域的氣壓，阻止煙氣的侵入。        對(duì)于大規(guī)模建筑其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，建筑物的煙氣控制往往組合應(yīng)用幾種方法。防排煙形式的合理性，不僅關(guān)系到煙氣控制的效果，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。        一、煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用        為了減少煙氣的危害，應(yīng)當(dāng)了解建筑煙氣流動(dòng)的各種驅(qū)動(dòng)作用，以便對(duì)火勢(shì)發(fā)展做出正確的判斷，在建筑設(shè)計(jì)中做好煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。    &#

3、160;   （一）煙囪效應(yīng)       當(dāng)外界溫度較低時(shí)，在諸如樓梯井、電梯井、垃圾井、機(jī)械管道、郵件滑運(yùn)槽等建筑物中的豎井內(nèi)，與外界空氣相比，由于溫度較高而使內(nèi)部空氣的密度比外界小，便產(chǎn)生了使氣體向上運(yùn)動(dòng)的浮力，導(dǎo)致氣體自然向上運(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象就是煙囪效應(yīng)。當(dāng)外界溫度較高時(shí)，則在建筑物中的豎井內(nèi)存在向下的空氣流動(dòng)，這也是煙囪效應(yīng)，可稱之為逆向煙囪效應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，由正、逆向煙囪效應(yīng)所產(chǎn)生的壓差為此          此處的中性面是

4、指內(nèi)外靜壓相等的建筑橫截面，高于中性面為負(fù)。圖 5-4-1 給出了煙囪效應(yīng)所產(chǎn)生的豎井內(nèi)外壓差沿井高度的分布，其中正壓差表示豎井的氣壓高于外界氣壓，負(fù)差則相反。          煙囪效應(yīng)通常是發(fā)生在建筑內(nèi)部和外界環(huán)境之間圖 5-4-2 分別給出了正、逆向煙囪效應(yīng)引起的建筑物內(nèi)部空氣流動(dòng)示意圖。            在考慮煙囪效應(yīng)時(shí)，如果建筑與外界之間空氣交換的通道沿高度分布較為均勻，

5、則中性面位于建筑物高度的一半附近；否則，中性面的位置將有較大偏離。            煙囪效應(yīng)是建筑火災(zāi)中豎向煙氣流動(dòng)的主要因素，煙氣蔓延在一定程度上依賴于煙囪效應(yīng)，在正向煙囪效應(yīng)的影響下，空氣流動(dòng)能夠促使煙氣從火區(qū)上升很大高度。如果火災(zāi)發(fā)生在中性面以下區(qū)域，則煙氣與建筑內(nèi)部空氣一道竄入豎井并迅速上升，由于煙氣溫度較高，其浮力大大強(qiáng)化了上升流動(dòng)，一旦超過(guò)中性面，煙氣將竄出豎井進(jìn)入樓道。若相對(duì)于這一過(guò)程，樓層間的煙氣蔓延可以忽略，則除起火樓層外，在中性面以下的所有樓層中相對(duì)

6、無(wú)煙，直到著火區(qū)的發(fā)煙量超過(guò)煙囪效應(yīng)流動(dòng)所能排放的煙量。        如果火災(zāi)發(fā)生在中性面以上的樓層，則煙氣將由建筑內(nèi)的空氣氣流攜帶從建筑外表的開(kāi)口流出。若樓層之間的煙氣蔓延可以忽略，則除著火樓層以外的其它樓層均保持相對(duì)無(wú)煙，直到火區(qū)的煙生成量超過(guò)煙囪效應(yīng)流動(dòng)所能排放的煙量。若樓層之間的煙氣蔓延非常嚴(yán)重，則煙氣會(huì)從著火樓層向上蔓延。        逆向煙囪效應(yīng)對(duì)冷卻后的煙氣蔓延的影響與正向煙囪效應(yīng)相反，但在煙氣未完全冷卻時(shí)，其浮力還會(huì)很大，以至于甚至在理想煙囪效應(yīng)的條件下煙氣仍向上運(yùn)動(dòng)。  &

7、#160;     （二）浮力作用        著火區(qū)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥捎谄涿芏冉档投哂懈×?，著火房間與環(huán)境之間的壓差可用與公式（5-4-11）類似的形式來(lái)表示：        Fung 進(jìn)行了一系列的全尺寸室內(nèi)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定壓力的變化，試驗(yàn)結(jié)果指出對(duì)于高度約 3.5m 的著火房間，其頂部壁面內(nèi)外的最大壓差為16Pa。對(duì)于高度較大的著火房間，由于中性面以上的高度h較大，可能產(chǎn)生很大的壓差。如果著火房間溫度為 700，則中性面以上 10.

8、7m 高度上的壓差約為 88Pa，這對(duì)應(yīng)于強(qiáng)度很高的火，所形成的壓力已超出了目前的煙氣控制水平。圖 5-4-3 給出了由煙氣浮力所引起的壓差曲線。        若著火房間頂棚上有開(kāi)口，則浮力作用產(chǎn)生的壓力會(huì)使煙氣經(jīng)此開(kāi)口向上面的樓層蔓延。同時(shí)浮力作用產(chǎn)生的壓力還會(huì)使煙氣從墻壁上的任何開(kāi)口及縫隙、或是門(mén)縫中泄露。當(dāng)煙氣離開(kāi)火區(qū)后，由于熱損失及與冷空氣摻混，其溫度會(huì)有所降低，因而，浮力的作用及其影響會(huì)隨著與火區(qū)之間距離的增大而逐漸減小。        （三）氣體熱膨脹作用    

9、0;   燃料燃燒釋放的熱量會(huì)使氣體明顯膨脹并引起氣體運(yùn)動(dòng)。若考慮著火房間只有一個(gè)墻壁開(kāi)口與建筑物其它部分相連，則在火災(zāi)過(guò)程中，建筑內(nèi)部的空氣會(huì)從開(kāi)口下半部流入該著火房間，而熱煙氣也會(huì)經(jīng)開(kāi)口的上半部從著火房間流出。因燃料熱解、燃燒過(guò)程所增加的質(zhì)量與流入的空氣相比很小，可將其忽略，則著火房間流入與流出的體積流量之比可簡(jiǎn)單地表示為溫度之比，即        若建筑內(nèi)部空氣溫度為 20，當(dāng)空氣溫度達(dá)到 600 （873K） 時(shí)，其體積約膨脹到原來(lái)的三倍。對(duì)有多個(gè)門(mén)或窗敞開(kāi)的著火房間，由于流動(dòng)面積較大，因氣體膨脹在開(kāi)口處引起的壓差較小而可以忽略，但對(duì)于

10、密閉性較好或開(kāi)口很小的著火房間，如燃燒能夠持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，則因氣體膨脹作用產(chǎn)生的壓差將非常重要。        （四）外部風(fēng)向作用        在許多情況下，外部風(fēng)可在建筑的周?chē)a(chǎn)生壓力分布，這種壓力分布可能對(duì)建筑物內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)及其蔓延產(chǎn)生明顯影響。一般，風(fēng)朝著建筑物吹過(guò)來(lái)會(huì)在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較高的滯止壓力，這可增加建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)方向流動(dòng)。        表 5-4-2 給出了附近無(wú)障礙物時(shí)，矩形建筑物墻面上壓力系數(shù)的平均值。    &#

11、160;   一般而言，在距地表面最近的大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨高度增加而增大，而在垂直離開(kāi)地面一定高度的空中，風(fēng)速基本上不再隨高度增加，可以看作等速風(fēng)。在大氣邊界層內(nèi)，地勢(shì)或障礙物（如建筑物、樹(shù)木等）都會(huì)影響邊界層的均勻性，通常風(fēng)速和高度的關(guān)系可用指數(shù)關(guān)系來(lái)進(jìn)行描述：        圖 5-4-4 表示了不同地形條件下的風(fēng)速分布，從中可看出，在不同地區(qū)的大氣邊界層厚度差別較大，應(yīng)使用不同的風(fēng)速指數(shù)。在平坦地帶（如空曠的野外），風(fēng)速指數(shù)可取 0.16 左右；在不平坦的地帶（如周?chē)袠?shù)木的村鎮(zhèn)），風(fēng)速指數(shù)可取 0.28 左右；在很不平坦的地帶（如市區(qū)

12、），風(fēng)速指數(shù)可取 0.40 左右。圖5-4-4 不同地形條件下的風(fēng)速分布         在建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)著火房間窗玻璃破碎的情況。如果破碎的窗戶處于建筑的背風(fēng)側(cè)，則外部風(fēng)作用產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)將煙氣從著火房間中抽出，這可以大大緩解煙氣在建筑內(nèi)部的蔓延；而如果破碎的窗戶處于建筑的迎風(fēng)側(cè)，則外部風(fēng)將驅(qū)動(dòng)煙氣在著火樓層內(nèi)迅速蔓延，甚至蔓延至其他樓層，這種情況下外部風(fēng)作用產(chǎn)生的壓力可能會(huì)很大，而且可以輕易地驅(qū)動(dòng)整個(gè)建筑內(nèi)的氣體流動(dòng)。        （五）供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)   

13、;     許多現(xiàn)代建筑都安裝有供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC），火災(zāi)過(guò)程中，HAVC 能夠迅速傳送煙氣。在火災(zāi)的開(kāi)始階段，處于工作狀態(tài)的HVAC系統(tǒng)有助于火災(zāi)探測(cè)，當(dāng)火情發(fā)生在建筑中的無(wú)人區(qū)內(nèi)，HVAC 系統(tǒng)能夠?qū)煔庋杆賯魉偷接腥说牡胤?，使人們能夠很快發(fā)現(xiàn)火情，及時(shí)報(bào)警和采取補(bǔ)救措施。然而，隨著火勢(shì)的增長(zhǎng)，HVAC 系統(tǒng)也會(huì)將煙氣傳送到它能到達(dá)的任何地方，加速了煙氣的蔓延，同時(shí)，它還可將大量新鮮空氣輸入火區(qū)，促進(jìn)火勢(shì)發(fā)展。        為了降低 HVAC 在火災(zāi)過(guò)程中的不利作用，延緩火災(zāi)的蔓延，應(yīng)當(dāng)在 HVAC 系統(tǒng)中采取保護(hù)措

14、施。例如在空氣控制系統(tǒng)的管道中安裝一些可由某種煙氣探測(cè)器控制的閥門(mén)，一旦某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，它們便迅速關(guān)閉，切斷著火區(qū)域其他部分的聯(lián)系；或者根據(jù)對(duì)火災(zāi)的探測(cè)信號(hào)，設(shè)計(jì)可迅速關(guān)閉 HVAC 系統(tǒng)的裝置，不過(guò)即使及時(shí)關(guān)閉了 HVAC 系統(tǒng)可避免其向火區(qū)輸入大量新鮮空氣，然而卻無(wú)法避免煙氣的煙囪效應(yīng)、浮力或外部風(fēng)力的作用下通過(guò)其通風(fēng)管道和建筑中其他開(kāi)口四處蔓延。        二、煙氣流動(dòng)分析        （一）火羽流的形成        在火災(zāi)中，火源上方的火焰及燃燒生

15、成的煙氣通常稱為火羽流。實(shí)際上，所有的火災(zāi)都要經(jīng)歷這樣一個(gè)重要的初始階段：即在火焰上方由浮力驅(qū)動(dòng)的熱氣流持續(xù)地上升進(jìn)入新鮮空氣占據(jù)的環(huán)境空間，這一階段從著火（包括連續(xù)的陰燃）然后經(jīng)歷明火燃燒過(guò)程直至轟燃前結(jié)束。圖 5-4-5 給出了包括中心線上溫度和流速分布在內(nèi)的火羽流示意圖，可燃揮發(fā)成份與環(huán)境空氣混合形成擴(kuò)散火焰，平均火焰高度為 L，火焰兩邊向上伸展的虛線表示羽流邊界，即由燃燒產(chǎn)物和卷吸空氣構(gòu)成的整個(gè)浮力羽流的邊界。圖 5-4-5b所示為理想化的軸對(duì)稱火羽流模型，Za 表示虛點(diǎn)火源高度。         圖 5-4-5 中定性地給出了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

16、得到的火羽流中心線上溫度和縱向流速分布，其中溫度以相對(duì)于環(huán)境的溫差表示。從圖 5-4-5 中可以看到，火焰的下部為持續(xù)火焰區(qū)，因而溫度較高且?guī)缀蹙S持不變；而火焰的上部為間歇火焰區(qū)，從此溫度開(kāi)始降低。這是由于燃燒反應(yīng)逐漸減弱并消逝，同時(shí)環(huán)境冷空氣被大量卷入的緣故。火焰區(qū)的上方為燃燒產(chǎn)物（煙氣）的羽流區(qū)，其流動(dòng)完全由浮力效應(yīng)控制，一般稱其為浮力羽流，或稱煙氣羽流?；鹩鹆髦行木€上的速度在平均火焰高度以下逐漸趨于最大值，然后隨高度的增加而下降。        （二）頂棚射流        頂棚射流是一種半無(wú)限的重

17、力分層流，當(dāng)煙氣在水平頂棚下積累到一定厚度時(shí)，它便發(fā)生水平流動(dòng)，圖 5-4-6 表示了這種射流的發(fā)展過(guò)程。        羽流在頂棚上的撞擊區(qū)大體為圓形，剛離開(kāi)撞擊區(qū)邊緣的煙氣層不太厚，頂棚射流由此向四周擴(kuò)散。頂棚的存在將表現(xiàn)出固壁邊界對(duì)流動(dòng)的粘性影響，因此在十分貼近頂棚的薄層內(nèi)，煙氣的流速較低。隨著垂直向下離開(kāi)頂棚距離的增加，其速度不斷增大，而超過(guò)一定距離后，速度便逐步降低為零。這種速度分布使得射流前鋒的煙氣轉(zhuǎn)向下流，然而熱煙氣仍具有一定的浮力，還會(huì)很快上浮。于是頂棚射流中便形成一連串的漩渦，它們可將煙氣層下方的空氣卷吸進(jìn)來(lái)，因此頂棚射流的厚度逐漸增加

18、而速度逐漸降低。        研究表明，許多情況下頂棚射流的厚度為頂棚高度的 5%12%，而在頂棚射流內(nèi)最大溫度和速度出現(xiàn)在頂棚以下頂棚高度的 1% 處。這對(duì)于火災(zāi)探測(cè)器和灑水淋頭等的設(shè)置有特殊意義，如果它們被設(shè)置在上述區(qū)域以外，則其實(shí)際感受到的煙氣溫度和速度將會(huì)低于預(yù)期值。        煙氣頂棚射流中的最大溫度和速度是估算火災(zāi)探測(cè)器和灑水淋頭響應(yīng)的重要基礎(chǔ)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)火，為了確定不同位置上頂棚射流的最大溫度和速度，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得到不同區(qū)域內(nèi)的關(guān)系式，應(yīng)該指出的是，這些實(shí)驗(yàn)是在不同可燃物 （木垛、塑料

19、、紙板箱等）、不同大小火源 （668kW98MW） 和不同高度頂棚（4.6m15.5m）情況下進(jìn)行的，得到的關(guān)系式僅適用于剛著火后的一段時(shí)期，這一時(shí)期內(nèi)熱煙氣層尚未形成，頂棚射流可以被認(rèn)為是非受限的。        在撞擊頂棚點(diǎn)附近煙氣羽流轉(zhuǎn)向的區(qū)域，最大平均溫度和速度與以撞擊點(diǎn)為中心的徑向距離無(wú)關(guān)，Alpert推導(dǎo)出此時(shí)最大溫度和速度可按公式 5-4-16、5-4-17 計(jì)算：         （三）大空間窗口羽流        從墻壁上的開(kāi)口 （如門(mén)、

20、窗等） 流出而進(jìn)入其他開(kāi)放空間中的煙流通常被稱為“窗口羽流”。一般情況下，在房間起火之后，火災(zāi)全面發(fā)展的性狀 （即可燃物的燃燒速度、熱釋放速率等） 是墻壁上的門(mén)窗等通風(fēng)開(kāi)口的空氣流速控制的，即熱釋放速率與通風(fēng)口的特性有關(guān)。        在確定火源高度時(shí)，可以假定火源處于開(kāi)放空間中，并具有與窗口射流火焰頂端處的窗口射流相同卷吸量的火源高度。而且，假定位于火焰頂端處的空氣卷吸與開(kāi)放空間中的火災(zāi)相同。        三、煙氣層有關(guān)參數(shù)計(jì)算        煙層高度對(duì)人員疏散是一個(gè)重

21、要的影響因素，人員在到達(dá)安全位置之前，應(yīng)希望疏散過(guò)程中不會(huì)在建筑煙氣中穿過(guò)。        封閉空間的煙氣填充過(guò)程        直到煙氣層界面下移到垂直開(kāi)口的上邊緣為止，煙氣始終在封閉空間的上部累積，如圖 5-4-7 所示。由于熱膨脹，過(guò)量的空氣被擠出封閉空間。當(dāng)煙氣層降低到開(kāi)口上界面以下位置時(shí)，隨著新鮮空氣的進(jìn)入，煙會(huì)流出封閉空間。        四、煙氣流動(dòng)的計(jì)算方法及模型選用原則        （一）概述 

22、      在火災(zāi)科學(xué)的研究方法中，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)過(guò)程或某火災(zāi)分過(guò)程階段的模擬研究是一個(gè)飛躍。它具有信息代價(jià)少、模擬工況靈活、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，流體數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)一步完善，將成為未來(lái)研究火災(zāi)問(wèn)題的主要手段?；馂?zāi)的計(jì)算機(jī)模擬方法的核心是火災(zāi)模型，火災(zāi)模型是由火災(zāi)各分過(guò)程子模型在特定的模擬平臺(tái)上融合而成的。        運(yùn)用數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算防火的發(fā)展過(guò)程，是認(rèn)識(shí)火災(zāi)特點(diǎn)和開(kāi)展有關(guān)消防安全水平評(píng)估的重要手段，尤其對(duì)建筑物的性能和設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)尤為重要。經(jīng)過(guò)最近二、三十年的研究，在火災(zāi)煙氣流動(dòng)研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)

23、展出了多種分析火災(zāi)的數(shù)學(xué)模型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有大約 6070 種比較完善的火災(zāi)模型可供使用。綜合實(shí)際計(jì)算要求和客觀條件限制，對(duì)火災(zāi)過(guò)程的同一個(gè)分過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，各火災(zāi)模型采用的子模型形式往往是不同的。各子模型形式從不同的角度、不同的程度對(duì)分過(guò)程采用合理的簡(jiǎn)化形式進(jìn)行?；?。同一分過(guò)程采用不同的子模型形式時(shí)，其適用范圍內(nèi)的模擬結(jié)果可能都是合理的。有的模型適用于模擬計(jì)算火災(zāi)產(chǎn)生的環(huán)境，主要反映出建筑在火災(zāi)時(shí)室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化、火災(zāi)中煙氣的流動(dòng)、煙氣中有毒氣體的濃度、火災(zāi)中人員的可耐受時(shí)間等；有的模型適用于計(jì)算建筑、裝修材料的耐火性能、火災(zāi)探測(cè)器和自動(dòng)滅火設(shè)施的響應(yīng)時(shí)間等。   

24、    火災(zāi)過(guò)程是可燃物在熱作用下發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，與周?chē)沫h(huán)境有著密切的相互作用。任何一種火災(zāi)模型都是以對(duì)實(shí)際火災(zāi)過(guò)程的分析為依據(jù)，各種火災(zāi)模型的有效性取決于對(duì)實(shí)際過(guò)程分析的合理性?；馂?zāi)數(shù)值研究的困難主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面： 第一，火災(zāi)事件具有隨機(jī)性特點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)生活中可能出現(xiàn)的火災(zāi)場(chǎng)景數(shù)不勝數(shù)；第二，對(duì)于大多數(shù)火災(zāi)過(guò)程很難進(jìn)行深入的機(jī)理方面的分析?；馂?zāi)研究涉及空氣動(dòng)力學(xué)、多相流、湍流的混合與燃燒、輻射以及導(dǎo)熱等多學(xué)科知識(shí)，許多相關(guān)內(nèi)容在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域還都是研究的熱點(diǎn)，其中某些現(xiàn)象至今仍無(wú)法建立成熟的理論對(duì)其進(jìn)行解釋；第三，火災(zāi)過(guò)程中可能發(fā)生燃燒的物質(zhì)多種多樣，因此

25、無(wú)法應(yīng)用單一的數(shù)學(xué)模型及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述物質(zhì)由聚合狀態(tài)熱解為可燃?xì)怏w并發(fā)生燃燒的過(guò)程。        建筑火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模型有隨機(jī)性模型和確定性模型兩類。隨機(jī)性模型把火災(zāi)的發(fā)展看成一系列連續(xù)的事件或狀態(tài)，由一個(gè)事件轉(zhuǎn)變到另一個(gè)事件，如由引燃到穩(wěn)定燃燒等。而由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)有一定的概率，在分析有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和火災(zāi)事故數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)這種事件概率的分析計(jì)算，可以得到出現(xiàn)某種結(jié)果狀態(tài)的概率分布，建立概率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。而確定性模型是以物理和化學(xué)定律為基礎(chǔ)，如質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等基本物理定律。用相互關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)公式來(lái)表示建筑物的火災(zāi)發(fā)

26、展過(guò)程。如果給定有關(guān)空間的幾何尺寸、物性參數(shù)、相應(yīng)的邊界條件和初始條件，利用這種模型可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。        在開(kāi)展火災(zāi)危險(xiǎn)性分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮火災(zāi)發(fā)展的確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，單純依據(jù)任何一種模型都難以全面反映火災(zāi)的真實(shí)過(guò)程。出于火災(zāi)研究的定量分析和定性分析需要，大家更關(guān)心的是火災(zāi)過(guò)程的確定性數(shù)學(xué)模型。本節(jié)主要介紹火災(zāi)發(fā)展的確定性火災(zāi)模型，包括有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、區(qū)域模型、場(chǎng)模型和場(chǎng)區(qū)混合模型。        （二）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?#160;       多年來(lái)，人們?cè)?/p>

27、與火災(zāi)斗爭(zhēng)的過(guò)程中收集了很多實(shí)際火場(chǎng)的資料，也開(kāi)展過(guò)大量的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了很多數(shù)據(jù)，并分析、整理出了不少關(guān)于火災(zāi)分過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t是指以實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)研究的一些經(jīng)驗(yàn)性模型或是將一些經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图由现匾臒嵛镄詳?shù)據(jù)編制成的數(shù)學(xué)模型。它是對(duì)火災(zāi)過(guò)程的較淺層次的經(jīng)驗(yàn)?zāi)M，應(yīng)用這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以?duì)火災(zāi)的主要分過(guò)程有較清楚的了解。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌谄渌碚撃Ｐ湍軌驅(qū)鹪纯臻g以及關(guān)聯(lián)空間的火災(zāi)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行估計(jì)，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ＞窒抻诿枋龌鹪纯臻g的一些特征物理參數(shù)，如煙氣溫度、濃度、熱流密度等隨時(shí)間的變化，因此經(jīng)常被稱為“局部模型”，常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀忻绹?guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)

28、研究院（NIST）開(kāi)發(fā)的 FPETOOL 模型、計(jì)算煙羽流溫度的 Alpert 模型和計(jì)算火焰長(zhǎng)度的 Hasemi 模型。        （三）區(qū)域模型        20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)哈佛大學(xué)的 Emmons 教授提出了區(qū)域模擬思想：把所研究的受限空間劃分為不同的區(qū)域，并假設(shè)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)是均勻一致的，而質(zhì)量、能量的交換只發(fā)生在區(qū)域與區(qū)域之間、區(qū)域與邊界之間以及它們與火源之間。從這一思想出發(fā)，根據(jù)質(zhì)量、能量守恒原理可以推導(dǎo)出一組常微分方程；而區(qū)域、邊界及火源之間的質(zhì)量、能量交換則是通過(guò)方

29、程中所出現(xiàn)的各源項(xiàng)體現(xiàn)出來(lái)。區(qū)域模型一般還有如下的假設(shè)：        1）各個(gè)控制體內(nèi)的氣體被認(rèn)為是理想氣體，并且氣體的相對(duì)分子質(zhì)量與比熱視為常數(shù)。        2）受限空間內(nèi)部壓力均勻分布。        3）不同控制體之間的質(zhì)量交換主要由羽流傳遞作用與出口處卷吸作用造成。        4）能量傳遞除部分由質(zhì)量

30、交換造成外，還包括輻射與導(dǎo)熱。        5）受限空間內(nèi)部物質(zhì)的質(zhì)量與熱容相對(duì)墻壁、頂棚與地板可以忽略。        6）忽略煙氣運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，認(rèn)為一切運(yùn)動(dòng)過(guò)程在瞬間完成。        8）忽略壁面對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的摩擦阻礙作用。        區(qū)域模型通常把房間分為兩個(gè)控制體，如圖 5-4-8 所示，即上部熱煙氣層與下部冷空氣層。人們普遍認(rèn)為區(qū)域

31、模型模擬給出的近似與相當(dāng)接近。區(qū)域模擬是一種半物理模擬，在一定程度上兼顧了計(jì)算機(jī)模擬的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在消防工程界具有廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用區(qū)域模型既可以在一定程度上了解火災(zāi)的成長(zhǎng)過(guò)程，也可以分析火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散過(guò)程。目前，區(qū)域模型在建筑室內(nèi)火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模擬中具有重要地位。如果無(wú)需了解各種物理量在空間上的詳細(xì)分布以及隨時(shí)間的演化過(guò)程，模型中的假設(shè)十分趨近于火災(zāi)過(guò)程的實(shí)際情況，可以滿足工程需要。但是區(qū)域模擬忽略了區(qū)域內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，不能反映湍流等輸運(yùn)過(guò)程以及流場(chǎng)參數(shù)的變化，只抓住了火災(zāi)的宏觀特征，因而其近似結(jié)果也是較粗糙的。        目前，世界各國(guó)的研究者建

32、立了許多室內(nèi)火災(zāi)區(qū)域模擬的模型，以 CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4 以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的 FAC3 等為典型代表。常用的區(qū)域模型有 ASET 和ASET-B、HARVARD-V和FIRST、CFAST和HAZARD 1 模型。        （四）場(chǎng)模型        火災(zāi)的場(chǎng)模擬研究是利用計(jì)算機(jī)求解火災(zāi)過(guò)程中各參數(shù)（如速度、溫度、組分濃度等）的空間分布及其隨時(shí)間的變化，是一種物理模擬。場(chǎng)是多種狀態(tài)參數(shù) （如速度、溫度與組份濃度）的空間分布，是通過(guò)計(jì)算這些狀態(tài)參數(shù)的空間分布隨著時(shí)間的變化來(lái)描述火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的數(shù)學(xué)方程集合。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)的不斷成熟以及計(jì)算機(jī)性能的提升，場(chǎng)模型越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到火災(zāi)研究領(lǐng)域?；馂?zāi)的孕育、發(fā)生、發(fā)展和蔓延過(guò)程包含了流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和相變，涉及質(zhì)量、動(dòng)量、能