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user: 3. 数据分析与结果讨论 3.1. 火源热释放速率 火源热释放速率主要根据t 2 模型来进行计算，本文在此模型基础上构建了火灾发展的完整模型来计算火灾的热释放速率。在实验中通过记录点火时间和熄灭时间，然后根据温度检测系统记录的数据进行如下步骤计算，汇总出火源的热燃放速率随时间的变化图。 t 2 模型：主要采用模型描述火灾过程中热释放速率过程。不考虑火灾的初期准备过程时，其模型如下： Q = b t 2 (1) 图3. (a) 充分燃烧阶段；(b) 熄灭阶段 式中：Q：火源的热释放速率，kw； b：火灾发展系数 b = Q o 2 / t o ，kw/s 2 ； t：火灾的发展时间，s； to：火源热释放速率Qo = 1 MW时所需要的时间，s。 火灾发展系数b表征火灾蔓延的快慢，根据NEPA的分类，火灾发展阶段可分为极快、快速、中等、和缓慢四种类型。 本文在模型的基础上，采用预先给定最大热释放速率和火灾衰减阶段的方法构造火灾发展的t 2 完整模型，其数学描述如式(2)所示： Q = b t 2     0 ≤ t ≤ t 1 (2) Q = Q max             t 1 ≤ t ≤ t 2 (3) Q = b ′ ( t − t 3 ) 2     t 2 ≤ t ≤ t 3 (4) 式中： b ′ 火灾衰减阶段的系数， b ′ = ( t 2 − t 3 ) 2 ，w/s； Qmax火源的最大热释放速率，kw； t 1 火源热释放速率达到最大值Qmax时所需要的时间，s； t 2 火源热释放速率开始衰减时所需要的时间，s； t 3 火源热释放速率衰减至0时所需要的时间，s。 实验通过测量不同时刻所对应的火源热释放速率，每秒记一次数据，最后通过数据筛选，绘制出整个燃烧过程中燃烧速率随时间变换的曲线。 图4所示，可以看出在整个过程中火源的热释放速率大致呈现上升—平稳—下降这样一个趋势。起火阶段初期火源热释放速率较小，火灾发展速度较慢，可以推测出在发展过程中，火势不稳定。随着时间推移，火源热释放速率逐渐加快，火势加强，燃烧向充分发展阶段过渡。在燃烧的充分发展阶段，可燃物猛烈燃烧，燃烧处于稳定期，火源热释放速率达到整个过程的最大值，且可燃物的燃烧速率接近定值，火灾温度上升到最高点。随着燃料的不断消耗，燃烧强度减弱，明火消失，燃烧速率逐渐减慢，进入熄灭阶段。 3.2. 燃烧过程中气体浓度分析 泡沫塑料的主要成分有的是聚苯乙烯，有的是聚氯乙烯聚氨酯，泡沫塑料在燃烧时多为不完全燃烧，浓烟含有大量的CO、CO 2 、HCHO、HCN等有毒性气体，我们通过实验对部分气体浓度变化进行了测定，统计分析结果如下： 1) 燃烧过程中二氧化碳浓度的分析 根据图5火焰上方二氧化碳浓度随时间变化曲线可以看出，二氧化碳含量随时间分布基本上是先增大后减小，二氧化碳的浓度从t = 120 s~360 s一段时间内浓度较高，而该阶段为火焰的全面发展阶段，燃烧较旺盛，消耗氧气产生大量二氧化碳。而本实验是在自然通风的条件下进行的，其中二氧化碳体积分数最高时可达到1%，二氧化碳属于窒息性气体，过高浓度的二氧化碳会使呼吸中枢神经系统先兴奋后抑制，最后导致呼吸中枢麻痹。空气中二氧化碳的体积分数达到1%时，对人体有害，达到10%，会使人窒息．浓度达17%~18%时，吸入量大时即可发生“闪电样”死亡。因此、在化工安全与环境、医学中毒急救等方面、把过高浓度的二氧化碳作为“致因物质”而归称为“毒气”。本实验中虽然二氧化碳浓度最高为1%，不会使人窒息死亡，但若持续时间长，也会使人窒息，对人体产生危害。因此，设置机械排烟系统对于火灾发生时烟气的输送十分重要。 图4. 火焰热释放速率图 图5. 火焰上方二氧化碳体积分数随时间变化曲线 2) 燃烧过程中氧气浓度的分析 由图6火焰上部氧气浓度随时间变化曲线可以看出，在点燃之后的一段时间，空间中氧气浓度趋于平稳，随着时间推移，氧气浓度不断下降，在t = 100 s~300 s这段时间里，氧气浓度较低，最低浓度可以达到19.8%。而该段时间为火焰燃烧的充分发展阶段，燃烧剧烈会消耗大量氧气。t = 300 s之后随着燃烧强度减弱，氧气浓度逐渐上升，最终趋于平稳，燃烧进入熄灭阶段。在一般环境中，人们吸进的空气，按体积计算，氧气占20.93%，空气中正常含氧量为21%，氧含量缺少时，就会导致人员窒息。当氧气含量为12%~15%时，人的呼吸就会急促、头痛、眩晕、浑身疲劳无力，动作迟钝；当氧气含量为10%~12%时，人就会出现恶心呕吐、无法行动乃至瘫痪；当氧气含量为6%~8%时，人便会昏倒并失去知觉；当氧气含量低于6%时，6~8分钟的时间内，人就会死亡；当氧气含量为2%~3%时，人在45秒内会立即死亡。在本实验中燃烧时氧气最低浓度略低于正常浓度，较为安全，但应该根据实验提出加强性意见，使燃烧时氧气浓度趋于正常，从而利于人员疏散。 图6. 火焰上部氧气消耗图 3) 燃烧过程中一氧化碳浓度分析 从图7中可以看出一氧化碳浓度在120~360 s时，即为火焰的充分发展阶段时，浓度较高，最高为87 ppm。50 ppm为成年人置身其中所允许的最大含量，200 ppm (2~3) h后，有轻微的头痛、头晕、恶心，400 ppm 2 h内前额痛，3 h后将有生命危险。800 ppm 45 min内头痛、恶心，(2~3) h内死亡。1600 ppm 20 min内头痛、恶心，1 h内死亡。一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而使血红蛋白不能与氧气结合，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。 国家对一氧化碳浓度作业时间规定： 1) 一氧化碳浓度达到160 ppm可工作15~20分钟。 2) 一氧化碳浓度达到80 ppm可工作30分钟。 3) 一氧化碳浓度达到40 ppm可工作60分钟。 4) 一氧化碳浓度达到24 ppm以下可连续工作。 本实验在燃烧过程中产生的一氧化碳浓度较高，超过成年人所允许的最大含量50 ppm，再对照国家对一氧化碳浓度作业时间规定，在该种可燃物燃烧状态下，必须在30分钟之内撤离才能避免对人体的伤害。 3.3. 燃烧过程中距火焰不同位置电偶温度的分析 根据图8~10对比室内火灾发展过程图可以看出：对于火焰正上方的单颗电偶来说，离火焰越近，电偶的温度越高，随着距离火焰越远温度依次降低，但每颗电偶的温度随时间变化的趋势大致相同。从长度方向来看，中间位置即离火源最近的两颗电偶温度最高，其他位置电偶的温度值以及变化趋势大体一致。从沿高度方向每层电偶的平均温度来看，处于最高层的电偶平均温度最高，然后随高度下降依次递减。结合三个图可以看出，在0~120 s，处于火灾的起火阶段，温度较低，变化不大。在120 s~360 s，此时温度较高，呈现上升趋势，燃烧较猛烈，某一点最高温度达到800℃。360 s以后，温度逐渐下降趋于平缓，进入熄灭阶段。 图7. 一氧化碳浓度随时间变化图 图8. 火焰正上方电偶温度随时间变化 图9. 每颗电偶树的平均温度 图10. 高度方向每层电偶的平均温度 3.4. 上、下烟气层平均温度分析 如图11，分别对1~4层和4~7层烟气层各测点的温度进行整理计算，求出上、下部热烟气层的平均温度，见图9，从整体上来看，上、下烟气层平均温度变化趋势基本相同，在燃烧到120 s之前，上下烟气层平均温度低，即室内平均温度低，火灾发展速度较慢。在燃烧至120~360秒这一段时间内，上部烟气层的平均温度较下部烟气层高，最高温度可达到120℃，燃烧至360秒之后，下部烟气层平均温度略微高于上部烟气层。上、下烟气层平均温度降至60℃左右，即室内平均温度大约降至到最高温度的80%，则认为火灾进入熄灭阶段。 图11. 上、下烟气层平均温度