翻译丨老李 编辑丨天蓝 校对｜张吴璟耘 木月
一
引言
2000年初，来自澳大利亚的Shan Raffel首次提出了SAHF模型。经过同仁们对该模型不断争论，加之美国消防员Ed Hartin的革新，该模型改成了B-SAHF。
该模型成为对火场进行判读的工具，B-SAHF几个字母代表的是建筑、烟气、气流、热量和火焰，本文的主要目的是详细阐述气流这一变量。
二
气流
1
烟气为什么能够流动？
浮力
流体力学理论相对复杂，包含有很多物理参数。本文将尝试描述发生火灾时，会所发生的一些现象。
火灾发生时，起火点的位置至关重要。起火点周围会产生较多热烟气，热烟气温度远高于周围冷空气。众所周知，物体被加热时，会出现膨胀现象（热胀冷缩）。对固体和液体来说，体积的膨胀非常有限。而相反的是，对于气体（烟气）来说，温度的升高意味着大规模的体积膨胀。
由于体积增大，气体密度相应降低，也就是说单位体积的气体质量会减少。譬如，315℃的烟气密度相当于常温时空气密度的一半，表明温度升高会导致物体密度下降。
我们不禁要问：物体间的密度差异，真的有那么重要吗？为了便于理解，我们先进行一次假设：
首先，设想一个有水的浴缸，将一个乒乓球置于浴缸的底部；然后，松手，乒乓球会上浮到水面。原因是由于乒乓球和水之间存在密度差，这称之为阿基米德定律。
乒乓球所受到的浮力与乒乓球的体积，还有乒乓球和水之间的密度差成正比关系，乒乓球的重量远小于它在水中所受的浮力，这就是为什么乒乓球在水中会上浮的原因。
由于烟气密度低于周围空气密度，热烟气会上浮。当热烟气上浮时，会与周围冷空气混合，这会导致烟气温度降低，热烟气和冷空气之间密度差减小，烟气所受浮力也会因此减小。
当烟气温度降至周围空气温度时，会停止上浮，我们通常可以在吸烟者聚集的房间内观察到此现象。
与乒乓球不同，我们并不是研究单个烟粒子，而是连续流动的热烟气。由于顶棚、侧壁等固定边界的限制，热烟气不会无限地上浮。这就好像我们在水族箱底部放置了若干乒乓球，乒乓球上浮撞击顶板后会沿顶板水平移动。
同样地，热烟气上浮撞击天花板后，会沿天花板方向水平流动。
压力差
影响气流状态的另一种原因是：气流两侧区域之间的压力差。
以水坝为例，大坝两侧的水位，一边较高，一边较低，水位较高一侧的压力要远高于水位较低一侧，以此保证水始终从高压区流向低压区，且压力差越大，水流量越大，直至两侧不再存在压力差。
上述现象同样适用于解释气体流动，空气呼吸器（BA）是消防员所熟知的一个例子，在空呼气瓶中，气瓶的压力要远远高于外界空气的压力。
当打开空呼时，强大的压力会迫使瓶内的空气排放到外界。在这个过程中，瓶内空气向外流动很快且伴随有斯斯声响。
根本原因在于，瓶内空气与外界大气之间压力差过大。随着空呼中的空气量减少，瓶内压力随之下降，噪声会逐渐消失。然而，空呼与外界间的空气流动还会持续一段时间，直至瓶内压力与大气压相同。
发生火灾时，某个特定区域会出现“超压”现象，一旦有开口出现，空气便会流动，直至火场与外界之间的压力差消失。
图1 大坝示意图
2
烟气流动后，会发生什么？
火灾的发展过程，取决于火场规模大小，如果火势继续增长并扩大，释放的能量会增加，产烟量也会相应地增加。
Karlsson和Quintiere在他们的书《Enclosure Fire Dynamics》中描述了火灾发展过程，描述很抽象，但与现实很接近。
具体来说，提出了从火灾初期到全面发展阶段的四种不同压力曲线。
在初期阶段，由于房间内充满热烟气，会呈现“高压”状态，热烟气不断扩散蔓延，造成房间压力升高。如果房间内存在开口，压力会相应地降低。
图2中的A描述了火灾初期的情况，起火点周围产生大量烟气，烟气向上运动并在顶棚处形成稳定的烟气层。发生火灾时房间内冷空气会被挤压至室外，火场内会形成一定的高压区。
图2给出了A、B两种情形下的压力曲线。横轴表示压力，朝右表示压力增加的方向，纵轴表示高度。
图2 压力曲线A和B（图表：Karlsson＆Quintiere）
标有Po的直线表示大气压，离地面越高，大气压就越小；标有Pi的曲线表示房间内部的压力，图表中显示Pi曲线位于Po线右侧，说明内部压力要稍高于外部压力；且Pi线大致平行于Po线，表明房间内部分气体温度与外界空气温度相同。
同样地，房间内压力也会随高度增加而降低。房间内烟气层高度对应的Pi值为临界值，超过该高度，Pi压力曲线斜率会变大。这是因为，烟气层温度要远高于周围空气的温度，烟气密度也就越低，烟气质量低于周围空气质量。
因此，随着房间高度变高，压力下降也会越快即Pi压力曲线斜率会变大。
随着火势发展增长，烟气层会下降，这意味着Pi发生变化的高度也会降低。Pi线向左移动且更接近Po线，Po仍旧表示大气压随高度变化的直线，且在整个火灾发展过程中都不会发生变化。简单地来说，这并不是火灾发生引起的变化，而是反映大气的情况。
随后，当烟气层下降至门开口高度以下时，由于热烟气的流出，房间内压力将符合另一条压力曲线的变化规律，这条压力曲线称为曲线B，此阶段仅持续几分钟。
在这个阶段，冷空气和热烟气均可通过开口进行气体交换，会很快地消除房间内“高压”状态。此过程为过渡阶段。
3
发展阶段和全面燃烧阶段
火灾到了发展阶段时，烟气层沉降。房间内烟气温度继续升高，同时消耗了大量空气。由于房间内空气不足，室外空气会被吸入房间来满足火灾继续燃烧的条件。此时，房间内压力符合曲线C变化趋势。
Pi曲线（房间内部压力）继续向左移动，直至移动到室外地面压力高于房间内部压力所在位置点。由于烟气层进一步下降，相比图例B来说，此时烟气层距地面高度更低，且房间内形成两个独立的区域。
烟气层以下区域温度与室外温度大致相同，此区域内两条压力线平行，根据房间高度，气压会等同速率降低。
由于房间内压力小于大气压，由此形成了从外向内的气流，而该气流用于补充火势发展的需要。
图3 压力曲线C和D（图表：Karlsson＆Quintiere）
另一个区域由烟气层构成，该区域内Pi线发生转向，这意味着房间内部压力和外部压力的差异正在减小。在某一点，表示房间内部压力（Pi）线与表示外部压力（Po）的线相交，此时内部压力等于外部压力，称之为中性面。
通常，中性面位于烟气层底部上方10cm处。在实际火场中，烟气层底部可作为中性面参考标准。
中性面上方，两条压力线将继续沿各自的路径变化，导致内外之间产生新的压力差。房间内压力大于室外压力，且该压力差异随高度变化增加。中性面上方高度越高，内外压力差越大。而中性面以下不会出现这种情况，该区域内外压力差都保持不变。
中性面上方有烟气流动，当烟气层温度升高且受热上浮越高时，其流速会随之增加。在压力分布区域C中，下方新鲜空气向内流动，上方热烟气向外流动，此过程一直持续到轰燃的发生。
发生轰燃所需的时间取决于火场荷载和室内具体情况，如前所述，发生轰燃时间在过去几十年中已大大缩短。轰燃发生的时间通常需要3-4分钟，而火势蔓延速度慢或房间开口太小，造成的缺氧都会导致轰燃延迟发生。
发生轰燃后，房间内不会再出现两个温度不同的区域，整个房间的温度大致相同。此时，烟气不再分层，但开口底部仍有新鲜空气流入室内，不同于火灾初始阶段明显的烟气分层现象，此时烟气完全充满了整个房间。
图3中D描述了该阶段的压力分布，外部气压Po保持不变，室内压力曲线发生新的变化。考虑到整个房间的温度大致相同，室内压力曲线不会有拐点。
事实上，室内温度高于室外温度，意味着室内空气密度远低于室外空气密度，室内压力反而降低得更快即斜率变大。两条压力线交点代表中性面，此时室内压力与室外压力相同。
中性面以下，空气从外向内流动；中性面以上，热烟气从内向外流动。
图4 室内火灾双层流动，烟气层从门顶部流出，空气从开口底部流入（照片：Nico Speleers）
三
实际应用
上文首先描述了压力差形成及气流流向，随后讨论了房间火灾发展不同阶段压力分布情况，在进行火场判读时，可加以运用。
烟气从起火点向室外运行的轨迹称为流动轨迹，通过对气流流向的判断，并结合火灾发展知识可获取大量火场信息。当然，这仅适用于较小房间（房间面积小于70m2、高度不超过4m）火灾。
1
观察烟气层高度
通过烟气层高度可以判断火灾发展阶段有关信息，如果顶棚处烟气层厚度较小，火灾可能处于初期阶段。然而，这并不能100%确定，如果较高处有通风口，可能会影响到烟气层厚度。
然而，如果烟气层厚度达到约1m，则表明火灾进入了发展阶段。最新研究表明，通风控制型火灾发展到轰燃所需时间大约为2-4分钟，随着火灾向轰燃发展，烟气层会进一步下降。
当烟气层下降至距地面1m左右时，火灾发展已接近轰燃。
因此，烟气层高度的变化可判断火灾发展的速度和发生轰燃的时间。
2
观察烟气流速
本文开头介绍了，温度差异会引起烟气的流动，温差越大，烟气流速越快。
当烟气流速比较快时，很容易就能观察到烟气的湍流状态。通过观察烟气流速可评估火灾的强度，火势发展猛烈会产生更多热量，造成温差变大，从而导致烟气流动加快。
因此，可以根据流速判断火灾发展是否处于发展阶段。这也是判断火灾发展，处于哪个阶段的一个特征。
3
判断起火点的位置
通过气流流向，可获取起火点的位置信息，众所周知，烟气会从火点向外蔓延。使用热成像仪，观察烟气形态时，可以确定烟气流向。可以根据朔源烟气流动，确定火灾发生的具体位置。
除此之外，还可得到以下结论：当打开房门，发现室内烟气不发生明显流动，可能意味着起火点没有在该房间里。
当然，还必须考虑到，开门之前人员不要处于烟气流动的路径上。打开房门可以侦察判断火点位置，但需要注意的是，开门造成的气体流动，会为火灾发展提供所需的氧气。
参考文献
[1] Enclosure fire dynamics, Bjorn Karlsson & James Quintiere, 2000
[2] Binnenbrandbestrijding, Koen Desmet & Karel Lambert, 2008 & 2009
[3] Shan Raffel, www.cfbt-au.com
[4] Ed Hartin, www.cfbt-us.com
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