消防物联网：解析建筑火灾蔓延机理

建筑火灾发展通常都会经历一个由小到大、由发展到熄灭的过程,其发生、发展直至熄灭的过程在不同的环境下会呈现不同的特点。

(1)建筑火灾蔓延的机理

建筑物内火灾蔓延是通过热传播进行的,其形式与起火点、建筑材料、物质的燃烧性能和可燃物的数量等因素有关。在火场上燃烧物质所放出的热能,主要是以热传导、热辐射和热对流几种方式实现,并影响火势蔓延扩大。3种传热方式示意图如图11.3所示。火场上实际进行的传热过程很少是一种传热方式单独进行,而是由两种或3种方式综合而成,通常热辐射是引起火灾蔓延的主要因素。

图11.3　3种传热方式示意图

1)热传导

热传导又称导热,属于接触传热,是连续介质就地传递热量而又没有各部分之间相对的宏观位移的一种传热方式。固体、液体和气体物质都有这种传热性能,其中以固体物质为最强,气体物质最弱。对于起火的场所,热导率大的物体,由于能受到高温迅速加热,又会很快地把热能传导出去,在这种情况下,就可能引起没有直接受到火焰作用的可燃物质发生燃烧,造成火势传播和蔓延。

2)热对流

热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。通过对流形式来传播热能的,只有气体和液体,分别称为气体对流和液体对流。火灾中,流动着的热气流加热可燃物质,以致达到燃烧程度,使火势蔓延扩大,被加热的气体在上升和扩散的同时,周围的冷空气迅速流入燃烧区助长燃烧。而液体对流进行传热影响火势发展,通常是装在容器中的可燃液体局部受热后,以对流的传热方式使整个液体温度升高,蒸发速度加快,压力增大,以致容器爆裂,或蒸汽逸出,遇火源发生燃烧。

3)热辐射

热辐射是以电磁波传递热量,无论是固体、液体和气体,都能把热量以电磁波(辐射能)的方式辐射出去,也能吸收别的物体辐射出的电磁波而转变成热能。火场上的火焰、烟雾都能辐射热能,辐射热能的强弱取决于燃烧物质的热值和火焰温度。物质热值越大,火焰温度越高,热辐射也越强,达到被辐射物质的燃点就引起火灾蔓延。

(2)建筑火灾发展的几个阶段

对于建筑火灾而言,最初发生在室内的某个房间或某个部位,然后由此蔓延到相邻的房间或区域,以及整个楼层,最后蔓延到整个建筑物。其发展过程大致可分为火灾初始阶段、火灾增长阶段、火灾全面发展阶段和火灾衰减阶段。图11.4为建筑室内火灾温度-时间曲线。

图11.4　建筑室内火灾温度-时间曲线

1)火灾初始阶段(https://www.xing528.com)

建筑物发生火灾后,最初阶段只局限于着火点及其周围的可燃物燃烧。此阶段火灾燃烧面积不大,火势仅限于起火点附近,室内温差大,在燃烧区域及其附近存在高温,而室内平均温度不高。火灾发展速度缓慢,火势不稳定。火灾初始阶段持续时间的长短不定,取决于着火源的类型、可燃物性质和分布以及通风条件等,一般为5～20 min。

2)火灾增长阶段

在建筑火灾初始阶段后期,火灾燃烧面积迅速扩大,室内温度不断升高,热对流和热辐射显著增强,进入火灾增长阶段。此时,气体对流加强,燃烧面积扩大,燃烧速度加快,可燃物品和结构受热并开始分解。

3)火灾全面发展阶段

当发生火灾的房间温度达到一定值,积聚在房间内的可燃物分解产生的可燃气体突然起火,整个房间都充满了火焰,房间内所有可燃物表面卷入燃烧,这种在一限定空间内可燃物的表面全部卷入燃烧的瞬变状态,称为轰燃。进入轰燃阶段,标志着火灾从增长阶段进入全面发展阶段。轰燃发生后,室内可燃物出现全面燃烧,可燃物热释放速率很大,室温急剧上升,并出现持续高温,温度为800～1 000℃。之后,火焰和高温烟气在火风压的作用下,会从房间的门窗、孔洞等处大量涌出,沿走廊、吊顶迅速向水平方向蔓延扩散。同时,由于烟囱效应的作用,火势会通过竖向管井、共享空间等向上蔓延。

4)火灾衰减阶段

在火灾猛烈阶段的后期,随着室内可燃物数量的减少,火灾燃烧速度减慢,燃烧强度减弱,温度逐渐下降,当降到其最大值的80%时,火灾则进入熄灭阶段。随后房间内温度下降显著,直到室内外温度达到平衡为止,火灾完全熄灭。

(3)建筑火灾蔓延的途径

在火场上,烟气流动的方向通常是火势蔓延的一个主要方向。建筑物发生火灾,烟气在建筑内的流动呈现水平流动和垂直流动,且两种流动往往是同时进行的。具体来讲,建筑火灾蔓延的途径主要有:门、窗、洞口、房间隔墙、闷顶、楼梯间、各种竖井管道、楼板上的孔洞、穿越楼板或墙壁的管线和缝隙等。

1)垂直蔓延

建筑物内发生火灾,由于热对流的存在,火灾烟气往往通过门洞等各种开口、孔洞蔓延,灾情扩大。当烟火在走廊内流动时,一旦遇到楼梯间、电梯井、竖向管道、厂房内的设备吊装孔等,则会迅速向上蔓延,且在向上蔓延的同时也向上层水平方向蔓延。在外墙面,高温热烟气流会促使火焰窜出窗口向上层蔓延。

2)水平蔓延

对主体为耐火结构的建筑来说,造成水平蔓延的主要途径和原因有:未设适当的水平防火分区,火灾在未受限制的条件下蔓延;洞口处的分隔处理不完善,火灾穿越防火分隔区域蔓延;防火隔墙和房间隔墙未砌至顶板,火灾在吊顶内部空间蔓延;采用可燃构件与装饰物,火灾通过可燃的隔墙、吊顶、地毯等蔓延。

据实验测量,火灾初起时,烟气在水平方向扩散的速度约为0.3 m/s;燃烧猛烈时,烟气扩散的速度为0.5～3.0 m/s;烟气顺楼梯间或其他竖向孔道扩散的速度为3.0～4.0 m/s。而人在平地行走的速度为1.5～2.0 m/s,上楼梯时的速度约为0.5 m/s,人上楼的速度大大低于烟气的垂直方向流动速度。因此,当楼房着火时,如果人往楼上跑是有危险的。对着火层以上的被困人员来说,迅速逃生自救尤为重要。