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挖掘排烟设计背后的火焰模型

发布于:2021-05-20 09:31:20 来自:建筑设计/建筑规范 [复制转发]

在排烟量、储烟仓以及清晰高度的确定中,不同的场合方法都不一样,其实这些都和火灾火焰模型有密切关系。只是规范没有明确说出来。下面挖掘排烟设计背后的火焰模型。

火焰高度模型

根本上来说,固体火灾都是气体火灾,固体在高温下分解出可燃气体,可燃气体在上升的过程中,与空气接触发生燃烧,从而形成火焰。

火焰的产物就是热量、烟雾以及一些有害气体。根据 #规范设定  火灾基本上认为是单点着火。

燃烧过程中,与可燃物表面连接会形成稳定的火焰,这一部分火焰清晰可见、稳定,并且温度非常高,这一部分可以称为:稳定火焰。

高温气体在上升的过程中,剧烈的膨胀,并与空气混合。

让那些原本在火焰内部,没有机会接触到氧气的可燃气体,迅速燃烧。

一直到可燃气体燃烧掉完,火焰也终止了。

这一部分可以称为:间歇火焰

 从上面可以明显区分:稳定火焰和间歇火焰。

一般说的火焰是稳定火焰和间歇火焰之和。由于间歇火焰是变化的,一般取值其50%几率以上有火焰的高度。

通过 [[烟规4.6.11]] 可以计算出火焰高度:

烟羽流质量流量计算宜符合下列规定:

    1 轴对称型烟羽流:

    式中:Qc——热释放速率的对流部分,一般取值为Qc=0.7Q(kW);

    Z——燃料面到烟层底部的高度(m)(取值应大于或等于最小清晰高度与燃料面高度之差);

    Z1——火焰极限高度(m);

    Mρ——烟羽流质量流量(kg/s)。

可以根据 #热释放速率 计算出,对应的 #火焰极限高度 

1.5MW,2.683m;

3.5MW,3.291m;

3.0MW,3.540m;

4.0MW,3.972m

一般来讲,民用建筑中,设置喷淋状态下 #热释放速率 基本上在(1.5WM,4.0WM)之间。

为了简化认识, #规范认为 :一般火灾的火焰高度都超过3m。

如此3m以下烟气的核心温度和火焰温度差不多,都非常高。而且火焰内部还有非常多高温可燃气体,因没有接触到氧气,而无法燃烧。

如果在 #净高不大于3m的走道或空间 中, 火焰接触到吊顶后,火焰的运动方向,从垂直向上转变90°,顺着吊顶散开。这种状态称为: 顶棚射流

吊顶的降温作用,让火焰中没有燃烧的可燃气体温度降低到自燃点以下,无法完成燃烧。

一方面减少了火场的烟气量和发热量,另一方面也为后期全室轰然增加了隐患,这是 #净高不大于3m的走道或空间 这种情况主要的特点。

规范专门把这种情况单独确定为一种类型,其排烟风口、排烟量等设置都有自己的特点。

如果净高足够高,让火焰完全展现,即火焰中的可燃气体全部参与了燃烧,进行了放热反应。热量都已经释放完毕。

根据燃烧的原理,燃烧前后气体的物质的量基本保持不变,也就是一份氧气,变成一份二氧化碳。如果不考虑温度的变化,体积基本不变,也就气体流量基本一样。

由于反应非常剧烈,时间很短,这个过程,间歇火焰的核心温度,相比稳定火焰核心温度 下降很少。

  #规范认为 这个阶段火焰热量完全散发,但是核心温度降低比较少,烟气温度非常高,和 #净高不大于3m的走道或空间   相当。相比 #净高不大于3m的走道或空间 ,烟气量变化并不是太明显。

如果净高更高, #净高大于6m的场所 ,高温的烟气进一步上升,不断的和周围空气融合,并且开始横向扩展。

由于和环境空气迅速融合,烟羽的核心温度急剧降低,烟气量也急剧攀升。

根据 [[烟规4.6.6]] 相关公式的含义:火焰中的可燃气体全部参与燃烧,烟羽开始膨胀,并且核心温度开始下降。

这些公式不适合稳定火焰区、间歇火焰区。也就是说 #净高不大于6m的场所 是不能采用这些公式的:热量没有完全释放出来,很难通过可燃物判断其参与燃烧的有多少。

当烟羽平均温度下降到一定值时,烟气的升力不足,不能进一步往上前进了。

[[烟规4.6.8]] 给出判别的依据:

[[烟规4.6.8 ]] 当储烟仓的烟层与周围空气温差小于15℃时,应通过降低排烟口的位置等措施重新调整排烟设计。

不同 #热释放速率 的火灾,到达 [[烟规4.6.8]] 的高度条件都不一样。

为了方便防排烟的标准化设计, #规范认为 这个界限为 9m 。也就是大于9m的空间,烟层并不会进一步上升,烟气的体积流量也进一步增加了。

[[烟规4.6.3]] 对上述的结论,进行了确认:

计算排烟量时, #净高不大于6m的场所 的场所按照统一的标准计算。

#净高大于6m的场所 按照公式或者表格计算。

对于大于9m的空间,认为烟气量的体积流量等于9m的情况。

总结如下: 3m以下为火焰层,3-6m之间为完全燃烧层,6-9m为烟羽膨胀层,9m以上为少烟层。


火焰平面模型

在火焰高度模型中认为, #净高大于6m的场所 火焰已经完全燃烧,得到了充分的发展,这一种类型的排烟量可以通过 [[烟规4.6.6]] 来计算。

这只有部分的正确性,如房间面积很小(大于50㎡,小于100㎡),净高很高(大于6m),很明显不适合这种模型。主要原因是水平方向上火焰的发展受到了限制。

这里大致推断一下,水平方向不受限,大概是多大。推断只是方便对规范的一种理解,不作为工程实践。

火灾空间是否受限,这是一个非常高深的理论问题,我们并不打算从这里入手。

从火灾过火面积入手,喷淋限定火灾规模,基本上能够覆盖绝大多数过火面积,水平方向不受限,以喷淋系统规范规定的作用面积:160㎡作为基点考虑。

根据 [[自动喷水灭火系统设计规范 GB50084-2017]]

    9.1.2 水力计算选定的最不利点处作用面积宜为矩形,其长边应平行于配水支管,其长度不宜小于作用面积平方根的1.2倍。

假定面积160㎡为12X18m的矩形,考虑到过火区域周边需要有足够的空气,每边预留1m的空间,这样为14x20m矩形区域,大约280平米,取整为300㎡。

可以认为当面积大于等于300㎡, #净高大于6m的场所 才能认为是不受火灾没有受到限制。

这也可以作为[[建规8.5.3]]的一种解读。

    8.5.3 民用建筑的下列场所或部位应设置排烟设施:*

    ...

    4 公共建筑内建筑面积大于300m2且可燃物较多的地上房间;

    ...

总结如下:房间面积不大于300㎡时,认为火灾没有得到充分的燃烧。


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