a于CFAST的狭长受限空间火灾模拟方法研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 基于cfast的狭长受限空间火灾模拟方法研究 姓名：范宁 申请学位级别：硕士 专业：安全技术及工程 指导教师：袁树杰 20090601 摘要 摘要 受限空间火灾事故会导致人员伤亡和财产损失。无论是隧道还是矿井巷道， 它们在几何结构上有一个共同的特性，那就是长宽之比、长高之比相当大，又都 是受限空间。这就需要我们对这种狭长受限空间类型的火灾事故加以研究。 本文研究应用模拟室内火灾的c f a s t 软件来模拟狭长受限空间火灾。在对 c f a s t 模型进行深入理解分析之后，首先考察了前人的实验模型和实验数据，然 后利用c f a s t 模型建立了尽可能接近他们实验模型的逻辑模型，来验证c f a s t 模型在狭长受限空间火灾模拟中的有效性、可靠性。通过合理的划分子区域个数， 对非矩形断面采用面积等价原则替换为矩形断面，合理地选择模拟数据是可以利 用c f a s t 来模拟狭长受限空间火灾的并能得出和试验结果基本一致的结论。 最后用c f a s t 模型模拟了在不同风速、不同火源功率情况下淮南洞山城市 公路隧道火灾。对隧道模型作简化处理之后，模拟了在不同情况下的烟气层流动 扩散规律和温度场变化情况。通过研究发现，在无风情况下c f a s t 模型在烟气 扩散规律和烟气层温度场变化规律的模拟上都较为合理，但是在有风情况下，对 烟气扩散的模拟效果不佳。本文的研究结果可以为狭长受限空间火灾模拟工作提 供了一种方法，为隧道火灾救援和安全设计提供理论依据。 关键词：火灾；受限空间；区域模拟；c f a s t , 温度场；烟气层高度 图【4 4 】表【6 】参【5 1 】 分类号：t d 7 5 摘要 a b s t r a c t c o n s t r a i n e df i r ea c c i d e n tw i l lc a u s ec a s u a l t i e sa n dp r o p e r t yl o s s e s w h e t h e rm i n e r o a d w a yo rt u n n e l ，t h e yh a v eac o m m o ni d e n t i t yo ng e o m e t r i cs 眦t u r e b o t hr a t i oo f l e n g t h w i d t ha n dt h er a t i oo fl e n g t h h e i g h ta r eb i g ，a n db o lo ft h e ma r el i m i t e db y s p a c e t h i sr e q u i r e su st od om u c hr e a r c ho nt h i sl o n g n a r r o wc o n f i n e ds p a c ef i r e ， i nt h i sp a p e r , c o n s o l i d a t e dm o d e lo ff i r eg r o w t ha n ds m o k et r a n s p o r t - c f a s tw a s u s e dt os t i m u l a t et h el o n g n a r r o wc o n f i n e ds p a c ef i r e a f t e rm a d ea ni n d e p t ha n a l y s i s t oc f a s t , p r e d e c e s s o r s e x p e r i m e n t a lm o d e la n de x p e r i m e n t a ld a t aw a si n s p e c t e d ，a n d t h e nu s ec f a s tm o d e la sc l o s ea sp o s s i b l et os e tu pa l le x p e r i m e n t a lm o d e lo ft h e l o g i co ft h e i rm o d e l ，t ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec f a s tm o d e lo fs i m u l a t i n g t h el o n g - n a r r o wc o n f i n e ds p a c ef i r e t h r o u g ht h er a t i o n a ld i v i s i o no ft h en u m b e ro f s u b r e g i o n a l ，r e p l a c i n gn o n r e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o nt or e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n 埘t i l a r e ae q u i v a l e n tp r i n c i p l e ，a n dc h o o s i n gr e a s o n a b l ea n a l o gd a t ac a ns t i m u l a t et h el o n g - n a r r o wc o n f i n e ds p a c ef i r ea n dg e tr a t i o n a lr e s u l t s f i n a l l y , c f a s tm o d e lw a su s e dt os t i m u l a t i n gf i r ei nd o n g s h a nt u n n e l 、加m d i f f e r e n tw i n ds p e e da n dd i f f e r e n tf i r ep o w e r a f t e rs i m p l i f yt h em o d e lo ft u n n e l ，t h e f l o wo fs m o k el a y e ra n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dw a ss i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h r o u g ht h es t u d yf o u n dt h a tt h es p r e a da n dt e m p e r a t u r ec h a n g e so fs m o k el a y e ra r e m o r er e a s o n a b l ei nc a s eo fr i ow i n d ，b u ts m o k ef l o ww h e nt h e r ei sw i n di nt h e c i r c u m s t a n c e s t h er e s u l t so ft h i sa r t i c l ec a np r o v i d eam e t h o do fs i m u l a t i n gf i r ei n l o n g - n a r r o wc o n f i n e ds p a c e ，a n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt u n n e lf i r es a f e t y d e s i g na n df i r er e s c u ew o r k f i g u r e4 4t a b l e6r e f e r e n c e5 1 k e yw o r d s ：f i r e ，c o n s t r a i n e ds p a c e ，z o n es t i m u l a t i o n ，c f a s t c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 7 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：驾砰月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文 导师签名 日期d 年月f 印 日期中g 风。日 绪论 l 绪论 通常把在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害称为火灾 1 l 。随着我国 经济建设的快速发展，人们对交通运输的要求越来越高，各种铁路、公路交通隧 道和地铁的数量不断增加，以缓解不断增长的交通压力，但交通事故发生的次数 也随之增加。交通隧道火灾事故会导致人员伤亡和财产损失。在几何结构上有一 个共同的特点，那就是长宽之比、长高之比相当大，又都是受限空问，因此称为 狭长受限空间1 2 1 。这就需要我们对此类火灾加以研究。 由于狭长受限空问自身的特殊性，就使得消防安全变得非常重要。在狭长受 限空间内，空间相对封闭、疏散条件差，一旦发生火灾，热烟气不能及时排除， 热量聚集，内部温度上升快，且不易扑救，容易造成较大的事故。正因为如此， 在现实情况中，因交通事故、车辆起火等，酿成火灾并造成伤亡的例子国内外均 很多。因此，对狭长受限空问火灾进行研究具有十分重要的意义。表l 列出了一 些隧道火灾的事故案例。 表1 隧道火灾案例 t a m e1c a g e so ff i r ei nt u n n e l s 近几十年来对狭长受限空间火灾的研究，计算机模拟成为国内外的重要内容 之一，一些数学分析和数理统计方法引入到了狭长受限空间火灾科研中。通过使 用计算机这一强有力的工具，使得火灾过程的理论模型能够应用于火灾科学的研 绪论 究和实际的火灾安全工程。火灾过程的计算机模拟是在描述火灾过程的各种数学 模型的基础之上进行的，它试图从工程科学的角度出发，分析研究火的发生、发 展，烟气的蔓延以及火灾对周围环境的影响。与烟气运动直接相关的火蔓延过程， 其计算模拟理论已经走过了从统计模型到经验模型再到物理模型的科学发展历程 ( 3 1 。在这些计算模拟理论的基础上研究人员研制出了一系列火灾模拟软件，由于 这些软件都具有相当深度的领域知识，在很大程度上能模拟火灾过程，而且结果 比较令人满意，c f a s t 就是其中之一。 c f a s t 是区域模型 4 1 模拟软件，过去常常用来计算火灾中整个建筑里的烟、 火灾气体和温度的分布情况。c f a s t 是f a s t 5 】的一个升级程序，它并入了原来 c c f m v e n t s 6 中的大部分内容，而且采用了新的、更快的数值解算技术。利用 它能够对多房间结构建筑环境的火灾进行预测。它的原理是使用常微分方程来处 理一个给定初始值的火灾问题。这些方程是根据质量、能量、动量守恒定律、热 力学第一定律，理想气体状态方程等定律来预测压力、两个分层的层高、温度和 内焓的值的。使用范围在i m s 和1 0 0 0 m 3 之间。大量实例证明，它能够很好地预 测火灾发展和烟气传播的规律，这是因为c f a s t 是从能量、质量、动量守恒方 程和理想气体状态方程出发，推导出状态参数的预测方程( 压力，温度等) ，然后 利用计算机求解这些方程，从而得出火灾发展和烟气传播的规律。 本章概略介绍狭长受限空间火灾的特性以及国内外研究现状：简要介绍狭长 受限火灾模拟模型。 1 1 狭长受限空间火灾综述 1 1 1狭长受限空间火灾的特性 狭长受限空间的外围一般是士壤或岩石，发生火灾时，热烟气不能及时排除， 热量聚集，内部温度上升快，狭长受限空间火灾特性如下1 7 ，8 】： ( 1 ) 成灾时问短。失火爆发成灾的时间一般为5 “ 一1 0 m i n ，持续时间与狭长受 限空间内的环境有关，一般在3 0 m i n 到几个小时之间。 ( 2 ) 温升速度快，狭长受限空问内起火1 0 s 后，火源附近燃烧热释放速率迅 速增大；开始灭火后，温度直线下降，而洞外露天火灾区域的温度则是慢慢上升， 这主要是由于狭长受限空间体积小，又近似密闭状态，燃烧产生的热量不易散发。 ( 3 ) 氧含量急剧下降，产生高毒性c o ，使人容易中毒致命。 ( 4 ) 受狭长受限空间的净空限制，火焰向水平方向延伸，炽热气流可顺风传 2 绪论 播很远，可燃物的能量最多1 0 传给烟气，大部分传给衬砌和围岩，故烟气温度 随距离的增加而迅速下降，但由于洞壁加热后的辐射热，温度可以保持很长一段 时间。 ( 5 ) 疏散困难。狭长受限空间横断面小，道路狭窄，加之火灾发生时人们情 绪紧张，造成拥挤混乱。此外，物资疏散也极其困难，在短期内疏散几乎不可能。 ( 6 ) 烟、热危害严重，烟气首先集中在狭长受限空间顶部，而很长一段时间 狭长受限空间的下部仍是新鲜空气。当洞内有较大的纵向风流时，会使狭长受限 空间全断面弥漫烟气，使人迷失方向并可能中毒死亡。 ( 7 ) 狭长受限空间内火场引起的局部热气流可逆风移动，当洞内纵向风速较 小时，热气流可以到达上风方向洞口，从而使消防人员难以从上风方向到达火场。 ( 8 ) 探测扑救困难。狭长受限空间发生火灾，消防人员很难接近火源扑救。 如果火灾发生在整条狭长受限空间中心，从狭长受限空间出口到火灾现场有时有 上千米甚至更长距离，加之缺乏照明，扑救更加困难。 1 1 2 狭长受限空间火灾的控制与救援 隧道内一旦发生火灾，应该采取有效的通风排烟措施，降低隧道内的温度， 控制有毒烟雾的蔓延，为逃生、救援提供有利条件。 首先正常通风应立即改变为事故通风，并根据预案设定，将风速控制到一定 范围内，尽量减少传到人体上的热负荷。此外还要避免因纵向风流的湍流和涡流 作用而使洞内烟雾弥漫，最大程度地为人员避难创造条件。第三通风还应有利于 消防队员救火，使消防人员能从上风方向接近火场，开展灭火工作。 隧道发生火灾后，应该尽量防止火势的扩大。沿隧道纵向，通风应尽量减少 火场高温气体的扩散，防止炽热气流引燃火场以外的可燃物，使火场扩大。 1 2 国内外狭长受限空间火灾研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外针对狭长受限空问的火灾安全问题，开展了大量的研究，目前的研究重 点主要集中于不同火灾场景时对热释放速率( h e a tr e l e a s er a t e ) 的确定【9 】，以及 临界风速与热释放速率关系式的拟合。由于发达国家的隧道比较多，他们一般在 废弃隧道中进行火灾的全尺寸实验研究。 ( 1 ) 狭长受限空问火灾的试验研究 3 绪论 西班牙有一个隧道综合防灾基地，那里有试验隧道、高温测试站、辅助建筑 和设施。主要进行真实条件下的火灾通风和灭火设备试验，不同类型火灾探测和 灭火系统试验，隧道结构和设备的防火耐火测试，高温风机试验和消防队与紧急 事件处理机构培训等。该基地已经进行了大量的隧道火灾、通风和灭火系统性能 试验【1 0 l 。 挪威在r u n e h a m a r 隧道进行了大型的隧道防灾试验【1 1 1 。主要研究重型货车的 火灾发展规律、h r r 峰值、火灾增长速率、不同货物火灾的有毒有害烟气量、车 辆间火灾蔓延规律、消防及救生的可能性和隧道顶部温度发展规律。从隧道火灾 试验的结果来看，并不仅仅是油罐车才能产生巨大的火灾规模，危险级别低的木 材家具等也能产生快速的温度增长，最高热释放速率达到了2 0 2 m w 。而且火源 的下游温度非常高，燃烧的火焰区间可以快速扩展到7 0 m - - 1 0 0 m 。该隧道试验基 地在2 0 0 5 年以防水薄膜( p v c ) 和柴油油盘火为模拟火源进行了火灾试验研究，最 高空气温度达到1 1 0 0 。2 0 0 6 年对以柴油油盘火为火源对8 0 m m 聚丙烯纤维喷 涂混凝土防护材料进行了试验分析，峰值热释放速率为5 0 m w ，最大空气温度达 到1 2 5 0 。c i l 2 1 。 荷兰b e n e l u x 隧道火灾试验i l 引，主要研究目标是纵向通风对隧道早期火灾的 影响：烟气分层或混合变化规律、烟气的前端风速、临界风速；研究强制通风对 h r r 和隧道环境的影响；自动喷淋系统灭火效能、产生蒸汽量、喷淋系统延迟动 作对隧道消防的影响等。 从试验结果来看，无论在通风还是未通风条件下，在火源下游1 0 0 到2 0 0 m 的区间内，逃生人员几分钟内将会受困在烟气中，能见度将会使得逃生路线难以 确定。 ( 2 ) 计算机数值模拟 英国火灾中心的c o x 1 4 1 等人较早地采用c f d 方法研究公路隧道火灾问题，建 立了j a s m 数学模型，研究通风、坡度和不稳定火灾的影响模拟结果，包括不同 纵向通风风速下隧道内中型火灾的温度场、流场，烟气浓度场的动态发展。模拟 结果与奥地利z w e n b e r g 模型【l5 j 实验结果吻合较好。之后，b e a r d ，d r y s d a l e 和 b i s h o p l l 6 j 于1 9 9 5 年着手利用计算机模拟来研究调查纵向通风隧道内发生的火灾 以及火势在物体间的蔓延问题。日本m d o b a s h i t l 7 l 运用数值模拟方法对采用纵向 和横向通风系统的隧道在火灾模式下的紧急通风进行了研究，并将研究成果应用 到日本当年j 下在建设的h i g a s h i y a m a 隧道，另外还通过对一维对流扩散方程的数 值求解，分析了烟气密度随时问和空l j j 的变化。法国的e d e m o u g e 和d e i a c r o i x i l 8 】 4 - 绪 论 采用三维的c f d 方法计算并分析了横向火灾通风下的烟气流动。美国的s s l e v y 和j r s a n d z i m i e r t l 9 1 等人利用c f d 方法进行三维瞬态模拟，探讨t e dw i l l i a m s 隧 道火灾时排风量和烟气控制效果之间的关系。 1 2 2 国内研究现状 相比于国外在隧道火灾方面较为系统深入的研究而言，我国对此进行的研究 较为分散。在试验研究方面，主要以在实验室进行的模型试验为主，研究内容着 重于通风控制火灾时狭长受限空间的温度、火灾的消防方法、火灾分区形成的研 究，对火灾时的火焰动态特性以及隧道火灾发展的规律涉及不多。在数值模拟方 面，主要是使用f d s 、f l u e n t 、p h o n i c s 等通用软件进行数值模拟计算，或者以国 外软件为基础开发程序，研究火灾时的烟气流动状况。 ( 1 ) 试验研究 近年来，杨其新 2 0 j 等学者进行了秦岭终南山特长公路隧道防灾救援技术的研 究，通过火灾模型试验研究火灾时隧道内温度的发展变化规律，提出了火灾阶段 划分和隧道火灾的预防救援措施。试验中采用调节隧道内燃烧油料量的方法模拟 不同规模的隧道火灾。彭伟【2 1 j 等在云南阳宗隧道( 单向三车道) 、大风垭口隧道( 单 向双车道) 和元江l 号隧道( 单向双车道) 进行火灾试验。考察了隧道内纵向风速对 火源上方烟气温度的影响。 由于火灾的试验研究需要耗费大量的人力物力，我国在此方面进行的工作并 不太多，而且主要以小尺寸的模型试验为主。 ( 2 ) 计算机数值模拟 我国在狭长受限空间火灾数值模拟研究方面起步较晚，西南交通大学、清华 大学对此做了较多的工作。西南交通大学在s e s 软件的基础上开发了一系列地铁 环控软件，其中f s c 软件f 2 2 】可模拟地铁系统发生火灾时热烟气流动状态和污染物 浓度，为紧急情况下选择最佳通风方案提供参考。冯炼【2 3 1 等利用软件对筹建中的 深圳地铁火灾以及通风方案进行了数值模拟。朱颖心1 2 4 】等开发了隧道网络烟气模 拟程序( t u n n e ln e t w o r kf i r e ) ，在此基础上开发了一套地铁热环境模拟分析软件 s t e s s ，对天津地铁、深圳地铁进行了数值模拟。舒宁、徐建闽【2 5 j 采用a n s y s 软 件对公路隧道的火灾通风进行仿真，研究火灾时烟气在隧道内的流动状况，模拟 时火源简化为中心温度为1 0 0 0 k 的高温点，未考虑火灾的动念特性。雷兵1 2 6 1 利用 p h o e n i c s 软件对成都天府隧道的烟气场进行了数值模拟。李先庭【2 7 j 等学者建立了 场模型模拟地铁隧道的烟气流动，研究表明，在3 m w 的热释放速率下，2 m s 的 5 一 绪论 纵向风速可抑制火灾热烟气向上游流动，并且机械通风时，隧道坡度对烟气流动 的影响不大。此外，陈建忠、李家龙【2 8 】提出了控制火灾烟流的计算模型。 试验模拟是根据民用、工用建筑中结构特点及设备特点建立的具有代表性的 实体模型，在一定程度上能体现典型场合的特点，但是随着新型建筑结构的多样 化、工业设备的复杂化及火场介质的危险化，这就对我们的试验场所提出了更高 的要求，但是在现实情况中，由于投资大、建设周期长、要求较高，条件较为复 杂等原因，试验场所往往就存在场景单一、试验设备更新率较低等问题。 另一方面，试验研究在宏观上虽然可以模拟并贴近火场情况，但对于某些特 殊场所的细部模拟比较粗糙，而随着经济的不断发展，各类建筑的火灾危险性越 来越大，其对火灾安全性的要求也不断增高，要求配套的消防装备不断更新。这 就对火灾模拟提出了更高的要求。因此，传统的试验研究已经越来越不能满足火 灾模拟的需要。 随着信息技术的不断进步，计算机模拟在火灾科学的研究上起到了越来越重 要的作用。其中火灾过程的计算机模拟就是揭示火灾机理和规律的主要手段之一， 运用燃烧学、传热学和流体力学的基本原理，结合现代数学和计算机技术的先进 成果，建立描述火灾过程的基本方程、理论模型、数值方法，并编制计算程序和 实施计算，把试验过程中的数据及结果转变为直观的、以图像或图形信息表示的、 随时间和空间变化的物理现象或物理量，使人能够在虚拟世界中直接对具有形体 的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术不仅改善了人机界面、使得信息 的获取更直观和自然，而且便于研究人员把握过程的整体演进，发现其内在规律， 缩短研究周期，极大地提高工作效率。 所以说，相比而言计算机模拟比火灾实体试验更具有经济效益和实用价值。 1 3 火灾数值模拟模型 1 3 1 概述 目前火灾发展模型主要有三种：区域模型、网络模型和场模型。 ( 1 ) 网络模型把一个受限空问作为一个控制体，假设每个单元体内部的状态 参数( 如气体温度、组分浓度) 是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个模拟空 问的各单元内部参数的变化。网络模型可以考虑多个房间，能够计算离起火房问 较远区域的情况，但其计算结果比较籽l 糙。模拟软件有日本的b r i 、加拿大的i r c 、 英国的b r e 、美国的n b s 、荷兰的t n o 。这些模型部假设烟气流动与空气流动 6 绪论 形式一样，烟气与空气立刻混合并均匀分布。迄今为止，网络模型已由稳态模拟 模型如b r ll 、b r e 、i r c 、n b s 等，发展到以b r l 2 、o f p 、t o o t h 、m f i r e 为代表的非稳态模型。 ( 2 ) 区域模型程序主要有f i r s t 、c c f m 、c f a s t 、v e n t s 等。以c f a s t 为例，它是一种计算火灾与烟气在建筑物内蔓延的区域模拟程序，通常把房间分 为两个控制体，即上部热烟气层与下部冷空气层。马洪亮等学者利用c f a s t 软 件，模拟了矿井巷道火灾的特性。区域模型计算时间短，可以快速估计火灾时隧 道内烟气层厚度。不足之处在于它假定在房间上部形成一层稳定均匀的热烟气层， 这与隧道火灾并不相符，所以还需要进一步完善程序的燃烧模型，合理选择紊流 模型，恰当设置边界条件，并用更多完整详实的试验数据来考察验证c f a s t 程 序的准确性，以期更好地利用它进行隧道火灾研究，这也是本文最终要解决的问 题。 ( 3 ) 场模型把一个房间划为几百甚至上千个控制体，因而可以给出室内某些 局部的状况变化。软件主要有f d s 、f l u n t 、p h o e n i e s 等。场模型可以比较细致地 模拟预测火灾时的速度场和温度场，它主要用于模拟火灾状态下流体的流动、传 热、多相流、化学反应、燃烧等问题，特别是能够很好地模拟大规模火灾试验的 烟气回流现象，但计算时问长，对温度场预测不太准确。 1 3 2 区域模拟软件及其发展 区域模型的概念是美国哈佛大学e m m o n s 教授最先提出的。目前区域模型已 经发展到成熟阶段，它用于模拟室内火灾烟气运动过程。 为了便于研究着火建筑室内的状态变化情况，通常根据实际火灾以及实验观 察，将着火房间划分为若干区域，分别研究区域内的状态变化，这种模拟方法称为 区域模拟，所建立的数学模型称为区域火灾模型。区域模拟分为单区域、双区域 和三区域。双区域是根据下而的现象提出的f 2 9 1 ：火灾发生后，热烟气在浮力作用 下总是向上运动，并且在顶棚及四周壁面限制下，在房间上部形成一个热烟气层， 而下层则基本上是新鲜空气。这样，每个房间被分为上层( 热烟气层) 和下层( 冷 空气层) 两个控制体，在每个层里，各个物理量是处处相等的，冷热气层之间的 质量交换仅通过羽流进行，在两层的界面上忽略扩散和掺混。对于每个层建立质 量和能量气j ：恒方程，结合用于描述其它物理过程的附加微分方程及代数方程，即 可构成描述室内火灾发展过程的方程组，其它的物理过程包括火焰荆流，门、窗 及其它风口处的门洞射流，辐射换热、对流换热以及材料的热解过程。 一7 绪论 表2 区域模拟模型 t a b l e2m o d e lo fz o n es i m u l a t i o n 1 9 8 3 年，q u a i n t e r i 刈基于区域模型的理论，采用合理的数学、物理假设，建 立起描述室内火灾发展过程的数学模型。此后，这种模型获得了很大发展，采用 这种模型的软件在工程中获得了广泛应用。如果无需了解各种物理量在空间上的 详细分布以及随时问的演化过程，两层的假设十分趋近于火灾过程的实际情况， 对于工程应用，这种模型是比较可靠的。 表2 中的这些模型来自于7 个国家，其中有4 种模型仅能模拟通风状况下的 单室火灾过程，其余的6 种模型可以模拟多室火灾过程。在可以模拟多室火灾的 6 种模型中，b r a n z f i r e 、f i r ew i n d 模型着重处理轰燃后的火灾过程，其它模 型可以模拟火灾全过程。表2 中的所有模型都要求使用者输入燃烧释热量随时问 的函数变化关系。这些模型大都可以运行于p c 平台。在这些模型当中又以c f a s t 在计算结果分析方面最为完善。 1 3 3c f a s t 模型的局限性 c f a s t 的一个重要局限就是缺少火灾发展模型。改编当前可用的火灾模型使 其直接包含在c f a s t 中也是不太现实的。c f a s t 对用户设定的火灾，是以在一 个时问段内的物质燃烧的能量和质量释放速率来表示。这些数据是通过一定比例 量热计测量得到的，这就不可避免的出现一些误差，如： ( 1 ) 对于大尺寸量热计，将一个物品( 例如椅子桌子书柜) 放在一个收集罩下 面，并在它的旁边设置一个5 0 k w 的燃气炉( 模拟一个废纸篓) ，对它烘烤1 2 0 s 8 绪论 使其点燃然后，燃烧过程就在假设的“自由燃烧“ 状态下进行。潜在的不确定源 包括实验仪器的测量误差和测量能量和质量释放速率时燃烧没有达到自由燃烧的 程度。 ( 2 ) 在使用小比例量热计测量数据时，程序可以将结果外推到物品全尺寸的 情况下，但是这些程序都是基于经验关系数据设计出来的，这样就会限制了它们 的精确性。 ( 3 ) 提供的数据和程序仅仅与火源燃烧有直接的关系。当有多种物质同时燃 烧时，模型并不考虑这种复合燃烧之间的协同关系，因此对于多个物品同时燃烧 ( 通过辐射和对流交换能量) ，模型就不能很准确的估算了，甚至差距很大。 对于所有的火灾区域模型的基本假设是每个房间都可以被分为若干个小控制 体，每个控制体的内部温度和组分都是均匀的。在c f a s t 中，除了着火房间有 一个附加的羽流区域外，所有的房间都只有两个区域。房问内两个区域之间的边 界就是分界面。通常可以观察到在接近火的空间中，由于浮力作用而出现分层， 在实验中可以看到层内的温度变化与层问的温度差相比是很小的。 除了上述基本的区域假设以外，模型还融合了一些公认的理论( 例如守恒方 程) ，当只有数据而没有理论的时候，则使用经验关系式( 例如流动和卷吸系数) ； 而当理论和数据都没有的时候，就会使用近似值。 以下是在c f a s t 中使用的区域模型的常见的局限性和一些特定的表现。包 括： ( 1 ) 燃烧受到供氧量的限制，然而这种受限火灾并不会受到辐射的影响而提 高它的燃烧速率，但会受到房间内供氧量的影响。如果输入了一个较大的质量释 放速率，模型就会遵循这个输入值，直到房间内的氧气量不足以供应可燃物燃烧。 当未燃烧的可燃物随着门洞射流流出房问的时候，同时带走很多的氧气，它会被 程序跟踪，如果这种混合气体在用户指定的可燃范围之内，它就会在门洞射流中 燃烧；如果不在范围之内，它会被一直跟踪下去，直到它最后作为末燃烧的i 叮燃 物被收集起来或是在通风口燃烧。着火房间和每个通风口处的热量释放和总的热 量释放，在模型的输出中都有详细的记录。由于质量和能量都是守恒的，所以总 量就会被修正。又因为燃烧并不发生在邻近燃烧着的物体附近，所以实际燃烧掉 的质量可以比用户指定的质量少，他们之间的差就是未燃烧的可燃物。 ( 2 ) 只有在受限火灾中才用到氧气燃烧的化学配比。这里用户制定的碳氢化 合物的比率和物质生成率都被模型用来预测浓度。在氢、碳和氧分子之间保持着 一个平衡。在一些条件下，较低的含氧量会改变燃烧的化学性质，结果会使诸如 9 绪论 c o 之类的未完全燃烧产物的生成量增加。程序中也提供了如何调整c o c 0 2 比率 的说明，然而现在还没有弄清楚这些化学反应之间的关系，以便在模型中建立这 种关系。 ( 3 ) 卷吸系数都是以经验确定的值。这些值的微小误差会对火羽流或气体流 出房门时羽流中的流动产生微小的影响，然而在c f a s t 这样的多室模型中，随 着流动过程通过许多房间的时候，这些微小的误差就会成倍增加，在最远处的房 间就可能会导致一个非常大的误差。从一项权威的实验中获得的数据表明，当前 大多数区域模型中使用的卷吸系数的值在房间配置为三个的时候可以得到很好的 结果，然而对于更多的房间数量，需要进一步研究来获得更多的数据。 ( 4 ) 在实际火灾中，烟气被引入每个房间的下层主要是由于在房间连接处的 混合和来自沿墙面向下的流动( 气体和墙面接触的地方，气体的温度和浮力都被降 低) 。与计算火羽流卷吸系数一样，这里也使用了同样的经验推导得到混合系数， 但没有包括沿墙面向下的流动，这将导致对下层温度和物质浓度的估计不足。 ( 5 ) 模拟长度不宜超过1 0 0 m 。 c f a s t 模型已经被提交给n i s t 和其他研究机构进行广泛的评价研究。虽然 在研究中，模型和实验还存在明显的差距，但它们大都可用模型和实验的局限性 来解释。和所有的预测模型一样，最好的预测模型是通过对模型局限性和提供给 计算的输入数据的清楚理解而获得。 1 4 问题的提出和主要研究内容 狭长受限空间发生火灾时将产生的大量高温烟雾，不仅对其自身结构产生严 重的破坏，并且对空问内车辆、人员的逃生具有极大的威胁。因此，我们在进行 狭长受限空间火灾的研究中，只有对狭长受限空间内的温度场、烟气浓度场有足 够的认识，才能顺利的丌展救援行动，确保救援工作的科学性和有效性。 目前国内外还没有丌发出专门针对狭长受限空问火灾的模拟软件。对狭长受 限空间火灾进行的计算机模拟，基本上都是根据狭长受限空问自身的特点，在进 行初始条件设置时对模拟对象采取一些假设或近似处理，利用其他类型火灾模拟 软件来实现对其模拟的，其中用得较多的是场模拟的几种软件( f d s 、f l u e n t 、 p h o n i c s ) ，其结果还是比较令人满意的，但也存在一些问题，如模拟时间较长， 对温度场的描述不够理想等等。 一般来说c f a s t 软件由于其操作方便、运算速度快、可以免费使用等特点， 在建筑火灾模拟中得到了很好的应用，并具有非常可信的模拟结果。但是利用区 1 0 绪论 域模拟软件c f a s t 来对狭长受限空问进行火灾模拟的研究目前还比较少，因此 利用其对狭长受限空间模拟的模拟结果是否可靠还有待检验，因此本文对其在狭 长受限空间火灾模拟中的应用上进行研究。 课题主要研究内容： ( 1 ) 首先调研了国内多个相关研究单位实验模型和实验数据，然后在c f a s t 中建立尽可能接近他们实验模型的物理模型。 ( 2 ) 通过模拟来验证c f a s t 模型在狭长受限空间火灾模拟中的科学性、有效 性。 ( 3 ) 最后用c f a s t 模型模拟了在不同风速、不同火源功率情况下淮南洞山城 市公路隧道火灾。对隧道模型作简化处理之后，详细分析了在不同情况下的烟气 层流动扩散规律和温度场变化情况。 ( 4 ) 根据模拟结果提出了相应火灾防治与救灾建议。 研究方法与技术路线： 通过现场调研和阅读大量国内外文献，并充分理解区域模型和c f a s t 模型 的原理，获取火灾发生发展的机理，分析烟气、温度规律和受哪些因素影响，最 后利用c f a s t 软件模拟火灾。 2c f a s t 模犁基本原理 2 c f a s t 模型理论基础 2 1c f a s t 模型概述 c f a s t 是一个区域模型，常常用来计算火灾中整个建筑里的烟、火灾气体和 温度的分布情况。在一个用户设定的火灾中，它能计算出随着时间的推移火灾烟 气的扩散情况和建筑物内的温度。推荐使用范围是建筑物体积在l 到l o o o m 3 之 间。c f a s t 是f a s t 和c c f m v e n t s 两个模型的组合。实例证明，它能够很好 地预测火灾发展和烟气传播的规律。c f a s t 是从能量、质量、动量守恒方程和理 想气体状态方程出发，推导出状态参数的预测方程( 压力、温度等) ，然后利用计 算机求解这些方程，从而得出火灾发展和烟气传播的规律。由于守恒方程和理想 气体状态方程是普遍成立的，因此任何可能产生的误差不会来自于方程本身，而 主要来自于对问题的假设和简化。所以可以通过对现象的准确把握和合理简化来 减小误差，同时对c f a s t 模型程序结构的j 下确理解和适当修改，也有助于得出 合理的结果。 运行c f a s t 模型所有要用到的数据都包含在原始数据文件中。这些文件中包 含关于房间尺寸( 子区域尺寸、建筑材料特性) ，房问之间的联系( 水平开口，垂直 开口和机械通风口) ，火灾特性( 火灾大小及燃烧物产生率) ，以及喷淋器、探测器 和目标物体的规格( 位置、尺寸、热传递特性) ，材料是由它们的热传导率、比热、 密度、厚度以及燃烧特性来定义的。 c f a s t 的输出数据是一些灵敏的变量，这些变量是用来评估处在火灾中的建 筑物环境的，包括每个子区域的上层气体和下层气体的温度，天花板、墙壁、地 板温度，每层当中可见的烟和气体浓度，目标物温度和喷淋装置激活时间。 c f a s t 模型中的许多输出数据对大部分的输入还是不敏感的，但是场景定义得 越准确，结果就越精确。由于热释放速率为火灾流动提供驱动力，因此它就成了 c f a s t 模型中最重要的变量。而其他的一些和房间几何尺寸相关的变量( 如房间高 度、通风口尺寸) 输入则相对容易定义。 首次公开发布的c f a s t 是1 9 9 0 年6 月的1 0 版，这个版本是由f a s t 3 改编而来 的，第二版是在1 9 9 4 年作为h a z a r d l 2 的组成部分发布的。首个3 x 系列是在1 9 9 5 年 发布的，c f a s t 模型是在之后的5 年发展起来的，它能够更好地描述烟气在门窗丌 口问的流动，天花板和地板之间的热传导以及在不规则形状房间中的传播状况。 在2 0 0 0 年，发行了第四版本，包括墙体中水平热量传导，走廊中水平烟气流动。 1 2 2c f a s t 模型基本原理 第五版改良丁燃烧化学，第六版1 3 。1 包含了新的w i n d o w s 用户图形界面，修订了输 入文件和模型，本文使用的是第六版。 2 2c f a s t 模型使用的预测方程 2 2 1 双层区域模型推导方程 c f a s t 作为一个双层区域模型它把一个房间划分为两个控制体，一个为相 对较热的上层( 记为i _ 】v ) ，一个为相对较冷的下层( 记为i = ，) ，如图1 所示。 图1 双层区域壤型 f 蝴t w o - l a y e r z o n e m o d e l 在每一层中的气体都有自己的质量m 、内烩与、密度岛、温度t 、体积k ， 整体压力设为p ，这样共有1 1 个变量。它们通过方程( 2 1 ) ( 2 7 ) 约束联系起 来，有： n = 飓v , ( 2 1 ) 置= c z ( 2 - 2 ) p=母榍(2-3) v = k + k ( 2 4 ) 我们计算密度、内能，并对每层使用1 次理想气体法则得到7 个变量的微分 计算公式。设恒定体积和恒定压力下的比热分剐为。和o ，通用气体常数r ， 热容比被表示为，= o ，o ，而r = o o ，对于空气c ，；1 0 0 0 c j 姆k ， ，= 1 4 。 一三里坠墨! 塑型垄奎堕里 一 并定义： 厂等2 嘲 m b 。对于受限火灾来说，热释放速率是由可燃物质的多 少和0 2 含量的最大值决定，受限火灾的热释放速率可以被减少到指定的值以下， 2c f a s t 模型基本原理 该值可根据可燃物的数量或氧气的浓度得出。 一般来说，火灾模拟中，通常使用有效燃烧热，这可以用锥形量热计等实验 设备测得，但这种方法的缺点是没有把分解速率与从火焰或房问反射回来的辐射 联系起来，在实际火灾中，分解速率和反射辐射是一个重要因素，需加以考虑。 所以在应用中采取的设定要应尽可能地接近实验状态。 释放出的热焓转变成辐射热和对流热有： q rf i r e ) = z r q f 龟( f i r e ) = ( 1 一垃，( 2 - - 1 6 ) 这里的是辐射热释放速率占整个热释放速率的百分比，对流热释放速率龟就 变成了火羽流的驱动条件。对于确定的火灾，上层和下层都有辐射，而对流部分 只在上层起作用。 在下面的讨论中，历，是燃烧掉的可燃物的总量，这个值被初始化为所有可燃 物的总量。如果没有足够的氧气来支持完全燃烧，这个值就会随之减少。噍妇代 表前一区域剩下的总的未燃碳氢化合物，魂妇会逐渐减少，直到最终的历厂。这样 我们在每个区域中都会得到一致的描述，使之成为能独立于被分析的区域而调用 的运算法则。热释放速率彰为： q=廊，xnc(2-17) 其中以为单位质量的燃烧热。 砉火戽佩相邻房闻 图2 燃烧和卷吸区域示意图 f i 9 2s c h e m a t i co fe n t r a i n m e n ta n db u r n i n gr e g i o n s 对于受限火灾，热释放速率受到可供燃烧的氧气多少的限制。燃烧发生在三 个地方。 区域1 ：起火房间下层的部分羽流中。 1 6 2c f a s t 模型基本原理 区域2 ：也是在起火房间，但是在上层的部分羽流中。 区域3 ：在邻近的房间内将空气从下层带到上层的出口烟流中。 火源是火灾的重要组成部分。火源的大小、尺寸、类型等对热释放速率的变 化起着决定性的作用，特别是对狭长受限空问火灾，因此对于狭长受限空间火源 的设定要非常谨慎。火灾模型分为稳态和非稳念两种：释热量为定值的火源为稳 态火灾，释热量随时间变化的火灾即为非稳念火灾。目前绝大多数火灾模型中的 火源都没有包含燃烧模型，其主要原因是燃烧是一个相当复杂的物理化学过程， 对其进行数值模拟是一项极其艰巨的任务，在目前状况下还无法完全实现。因此 各种火灾模型都把热释放速率作为确定火灾发展的基本输入参数。在设计新建筑 或分析现有建筑的火灾安全状况时，建筑物内可能发生火灾的热释放速率也就成 了决定火灾发展及火灾危害的主要参数，也是采取消防对策的基本依据，因此具 有重要的参考意义。释热状况是人们根据对火灾燃烧的认识( 主要是对可燃物特 性的认识) 假设的。此参数设定的越合理，所用消防设施的有效性和经济性越好。 这种工作又叫做火灾功率的设定。 火灾初期的热释放速率是控制火灾主要关心的问题之一。一般从起火到旺盛 燃烧阶段，热释放速率大体按指数规律增长。h e s k e s 切d 删指出，这可用下面的二 次方程描述： q = , 4 t - t d ( 2 - - 1 8 ) 式中： q 一火灾功率，旷火灾增删( k w s 2 ) ，一点火后的时间，岛一开始有效 燃烧所需的时问。 通常在研究中不考虑火灾的前段酝酿期，即认为火灾从出现有效燃烧时算起， 于是热释放速率公式可写为： q = a t 2 ( 2 1 9 ) 防火工程师常用t 2 型火灾来近似非稳念火灾，因此非稳态火灾又被称为f 2 型 火灾。纳尔森进一步指出，火灾的初期增长可分为慢速、中速、快速、超快速等 四种类型。各类火灾增长系数见表3 。 有些物品按f 规律燃烧一段时间后，热释放速率便趋向于某一确定值，例如 泄露气体的射流火、油池火、某些热塑料火等。这些情