火灾温度特性及其数值模拟方法

在自然火灾中，实际温度并非一个恒定值，它受到燃料/空气比、向环境的热损失（主要通过辐射）等一系列复杂燃烧条件的动态影响。一般而言，对于自由燃烧的湍流扩散火焰，其最高温度通常在 800-1200°C 的区间内。而在通风开口受限的密闭空间内，火灾温度的极限值也大致在 1200°C 左右。

图1 室内火灾不同发展阶段的通用描述

图2 符合 EN 1363 或 ISO 834 标准的标准时间-温度曲线

然而，在某些极为有利的燃烧条件下，尤其是存在机械通风时，火灾可能发展出极高的温度。例如，隧道火灾就是一个典型场景。当燃料为普通的纤维素材料时，隧道内的火灾温度可接近 1400°C。2003年在挪威进行的一系列隧道火灾试验中就测量到了如此量级的温度，该试验模拟了装载木托盘和家具的拖车着火的情景。如此高的温度会对隧道壁造成毁灭性的热负荷，导致混凝土衬砌发生爆裂并成块剥落。这直接说明了为何隧道衬砌结构必须按照远高于其他建筑物的耐火标准进行设计。准确评估材料在极端高温下的行为，是确保结构安全的关键。

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火灾的发展阶段

一个发生在开口受限的房间或隔间内的火灾，其发展过程（如图1所示）通常可划分为几个 distinct 阶段：

1. 增长阶段 (Growth Stage)：火灾初期，其发展基本不受周围结构的影响。这一阶段的火灾强度由燃料本身决定，即“燃料控制型”火灾。随着火势增强，温度上升，更多可燃烟气被释放出来。此阶段可持续数分钟到数小时不等。

2. 轰燃 (Flashover)：当火势发展到某个临界点，会突然急剧增长，最终引发轰燃。轰燃是火灾发展过程中的一个决定性事件，它标志着火灾从一个房间或隔间内的局部火源，转变为一场可能将热量和烟雾扩散至整栋建筑的、更为严重的灾难。

3. 后轰燃阶段 (Post-Flashover)：轰燃之后，火灾会耗尽隔间内所有可用的氧气，此时转变为“通风控制型”或称“充分发展”的火灾。燃烧速率取决于能进入火灾隔间的氧气或空气量，即由隔间开口的尺寸和形状决定。在此阶段，火灾会产生大量热量、烟雾和有毒气体，温度至少达到 600°C，并随着周围结构（墙壁、地板和天花板）被加热而持续升高。过量的可燃烟气会从开口涌出，在外部形成喷射的火焰。

建筑构件的防火设计，其目标正是为了抵御这种充分发展的火灾。在工程实践中，这类火灾通常通过所谓的“标准火灾曲线”（如图2）进行模拟。这条时间-温度曲线旨在模拟后轰燃阶段的典型火灾场景。

火灾的数值模拟方法

从原理上讲，隔间火灾的发展可以通过三种数值模型进行模拟：

• 单区域模型 (One-Zone Models)：这是最简单的模型，它假定整个隔间内的气体体积处于均匀一致的温度下。模型中的质量流动由浮力驱动——热的火灾烟气比环境空气轻，从开口上部流出，而冷的空气则从下部流入补充。火灾温度的发展取决于周围结构的热惯性以及开口的尺寸和高度。较低的热惯性（通常意味着低密度材料）和较大的开口会导致火灾增长更快、温度更高。单区域模型非常适合模拟充分发展的火灾。

图3 室内火灾的双区域模型，包含一个上部热烟气层和一个下部环境温度层

• 双区域模型 (Two-Zone Models)：如图3所示，这类模型将火灾隔间划分为两个区域：一个充满火灾烟气的上部热区和一个处于环境温度的下部空气区。这种划分使其更适合模拟轰燃发生前的火灾发展过程。

• 计算流体动力学模型 (CFD Models)：这是目前最先进的模拟方法。CFD模型将整个隔间划分为大量微小的体积单元，从而能够对任意火灾条件下的温度场、烟雾浓度以及有毒气体组分的分布进行精细分析。CFD模型功能极为强大，但其代价是需要巨大的计算资源和详尽的材料物性数据作为输入。