建筑火灾中材料表面入射热通量确定方法简析

李 飞，舒中俊

(1.郴州市消防支队，湖南 郴州 423000； 2.武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

建筑火灾中材料表面入射热通量确定方法简析

李 飞1，舒中俊2

(1.郴州市消防支队，湖南 郴州 423000； 2.武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

可燃材料在火灾中的受热程度直接决定其实际的火灾危险性。材料表面的入射热通量是表征材料受热程度的关键参数。在综述现有文献的基础上，归纳总结了可燃材料在火灾中受热分析的基本理论和材料表面入射热通量的计算方法，这些基本理论和方法对正确评价材料的火灾危险性和模拟室内火灾的发展过程具有重要意义。

建筑火灾；可燃材料；入射热通量；净热通量

建筑火灾发生、发展的过程，实际上也是可燃材料在入射热流的作用下不断被引燃着火的燃烧过程。材料表面接受的入射热通量的大小是材料发生着火和火焰传播重要因素之一，因此，分析确定可燃材料在火灾环境中的受热过程和入射热通量的大小对评价材料的火灾危险性具有重要的作用[1-2]。

1 火灾中的热传递

要分析材料在火灾的受热过程，首先必须了解热传导、热对流和热辐射这三种火灾中热传递的基本方式[3]。

1.1 热传导

物体各部分之间不发生相对位移，仅靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导是分子能量输运过程，可以用傅立叶定律表示，即单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反，其数学表达式为：

可燃材料表面在引燃前，主要依靠热传导方式内向进行传热，聚合物内部的热传递影响着聚合物热分解过程，从而影响聚合物的燃烧过程。热传导过程在固体着火、表面的火焰传播、壁面热损失以及材料的防火阻燃中尤为重要，对于热塑性聚合物形成液池燃烧时，液体导热也必须考虑。

1.2 热辐射

因热的原因而产生的电磁波在空间的传播称为热辐射，热辐射过程不需要借助于介质。热辐射传递能量与温度的4次方成正比。因此，在火灾条件下，由于火焰和烟气的温度很高，热辐射是占主导地位的传热方式。来自火焰、热烟气及高温表面的辐射热流是材料火势增长的驱动力。

火焰和燃烧产物的热辐射是一个复杂过程，确定时必须了解温度随时间和空间的变化、烟尘大小的分布及其浓度以及发射和吸收气体组分的浓度。从理论上讲，如果已知上述参数就能够计算辐射传热量，但这对真实火灾而言并不现实。通常只能采用实测和经验关系式合理估算。通过描述火焰的平均热辐射通量可以克服上述困难，即：

式中，上划线表示时间平均值以及湍流脉动项的最大值。这里并未考虑空间变化，因为它会使问题复杂化。此外，发射率取决于燃料性质和火焰形状。火焰或气体的发射率可简单地表示为：

式中，Kg为吸收率;l是火焰的平均长度或特征尺度。l为1～2m的火焰接近黑体发射体，εg≈1。

1.3 热对流

流体之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。对流传热的特点是靠近壁面附近的流体层中依靠热传导方式传热，而在流体中则主要依靠对流方式传热，热对流总是伴随着热传导。热对流是火焰和外界进行热传递的主要方式之一。热对流在热辐射较小的火灾初始阶段尤为重要。通常火灾条件下用对流换热系数h(W·m-2·K-1)表示流体流动对温度场的影响，即：

式中，T为流体温度;Ts为固体壁面温度。

2 入射热通量

2.1 净入射热通量

火灾中材料受热的程度通常以其暴露表面接收的热通量(也称热流密度)的大小表征。材料在引燃前其暴露表面接收的热通量主要由对流热通量和辐射热通量两部分组成[4-5]，材料表面在火灾中的受热情况如图1所示。

图1 火灾中材料表面受热示意图

就材料的对热反应而言，其表面接收的净热通量尤为重要。净热通量表示为：

在实际应用中，边界总热通量通常采用水冷热流计测量，热流计表面温度近似与环境温度(T∞)相同，设定表面温度为环境温度后，式(5)变为：

冷却热流计表面能使对流换热最大，同时使辐射热损失最小。因此，冷却的热流计可测得最大入射热通量。使用热流计测得的总入射热通量(按式(6)计算)与实际热通量之间的关系如下：

即：

因此，通过测量总的入射热通量就可避免使用热烟气温度及其热辐射系数，这两者很难通过计算获得。计算材料表面的净热通量还需知道式(8)中的局部换热系数(h)和材料表面热辐射率(εs)。材料表面的热辐射率可采用合理的估算值。局部换热系数主要取决材料表面结构，其取值范围从0.010(对于平直墙面)到0.050(火焰达到顶棚)。

2.2 火羽的热通量

当0.5

2.3 热烟气层对净热通量的影响

房间内局部燃烧产生的热烟气在房间顶部集聚形成热烟气层。热烟气层将预热房间的围护结构(边界结构)。如果局部燃烧的火焰厚度不足以遮挡光线的通过，那么，高温热烟气对房间边界结构也会贡献一部分热通量[1,4]。

有多种燃烧模型可用来预测室内燃烧时上部热烟气层的温度。在具体应用中，使用经验公式预测热烟气层的温度同样可行。这些经验公式分别适用于有一个开口的房间(可自然通风或强迫通风)，也适用于完全封闭房间。McCaffrey、Quintiere和Harkelroad提出了自然通风条件下的计算公式：

式(13)和式(14)中，t为燃烧时间(s)；α为热扩散系数；δ为房间边界构件的厚度(m)；ρ为房间边界构件的密度(kg·m-3)；Cp为房间边界构件的比热容(kJ·kg-1·K-1)；k为房间边界构件的导热系数(kW·m-1·K-1)。

Karlsson和Magnusson研究认为式(12)中的常数C是关于室内起火位置的函数。当火焰位于房间中央，C值取6.83；若火焰位于墙角，C值取9.22。墙角火燃烧时由于空间结构的限制，使得卷吸进入火羽的空气减少，冷却作用较弱，所以烟气温度较高。

对于强迫通风的情况，Deal和Beyler提出了如下的计算公式：

如果已知开口的通风速率，也可使用式(11)计算自然通风时室内热烟气层的温度。

对于含有热薄型围护结构(如钢结构)的房间，Peatross和Beyler提出了使用修正系数对换热系数进行修正，从而对墙的热损失进行量化。因此，对于有热薄型结构的边界，换热系数则可按下式计算：

图2 处于热烟气中的内墙面热通量随热烟气层温度的变化

实际上，热烟气层和墙面之间同时存在热对流和热辐射。然而，可以将热烟气层假设为黑体，能够很好地估算墙面上总的热通量。因此，来自热烟气层的热通量可以按以下关系计算：

则有，

在火羽区，边界表面的净热通量为火焰热通量和热烟气层热通量的总和：

假定辐射衰减的主因是具有灰体特性的烟气和火羽引起，这样，随着发烟量和光程(如火焰的厚度)的增加，热烟气通过火焰传到边界表面的热辐射率反而减小，见式(21)。如果火羽是光薄型(遮光性很低)，来自烟气层的热辐射损失很小，可忽略，见式(22)。若火羽是光厚型(遮光性很强)，则来自烟气层的热辐射几乎不能穿过火羽。因此，边界表面的热通量只与燃烧火羽本身有关，见式(23)。

3 结束语

材料的火灾燃烧性能对火灾的发生、发展和危害具有决定性作用，是评价材料火灾危险性的依据。材料在火灾中表现出的燃烧性能与材料所处的热环境密切相关，也就是说，材料在火灾中受热程度决定其危险性的实际大小。全面分析了解材料在火灾中的受热过程及程度对正确认识和评价材料的火灾危险性，以及深入开展室内火灾理论研究和数值模拟都具有重要意义。

[1] 舒中俊,杜建科,王霁.材料燃烧性能分析[M].北京：中国建材工业出版社，2014.

[2] 杜建科,舒中俊,朱惠军,等.建筑材料的燃烧性能与试验方法[M].北京：中国建材工业出版社，2013.

[3] 杜建科,王平,高亚萍,译.火灾学基础[M].北京：化学工业出版社，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.

(责任编辑 马 龙)

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

李飞(1978— )，女，湖南邵阳人，工程师； 舒中俊(1964— )，男，湖北京山人，教授。

D631.6;O551.3

A

1008-2077(2015)06-0014-04