（热能工程专业论文）教学楼走廊火灾烟气流动的数值模拟.pdf

嗡尔滨了程大学硕士学经论文 摘要 教学楼是学校的主要建筑，其内入员相对琵较集中、学生人数密度大， 篝鸯霭上教学楼体积大、易燃对象多，火灾隐患融刻存在。教学楼肉一旦发生 火灾，走廊麓加快火灾烟气熬蔓延，严重影嫡人员逃生。毽此应该重视对教 学楼走癣火灾烟气流动豹研究。 本文首先建立了场模拟数学模型；其次研究了火源的设定、热释放速率 的值及其随时间的变化等火灾场景的基本要素；最后运用火灾场模拟软件 f d s ，利用大涡模拟方法对一高校五层教学楼走廊的火灾场景进行数值模拟 研究。本文有针对性的模拟了三种类型的火灾场景，包括：1 、不溺的通风拜 翟类型的火灾场景；2 、楼层相丽、火源大小福丽僵火源位置不露的火灾场景； 3 、火源位嚣福霹、火源大小耜同毽楼层不潮静火灾场景。 对模拟结果进毒亍了对院分析，结果表明：火滚热释放速率共6 m w 时， 教学楼走廊一层发生火灾，走艨内的情况是安全的，楼梯闻的湿度随饕楼梯 闻嵩度的增加舞麓很快，2 0 0 s 内上升将近5 0 ，对人员逃生构成威胁；火源 在中间层的情况下，烟气层高度、温度、能见度都符合安全标准；顶层发生 火灾时，走廊内的烟气在3 0 0 s 之詹开始大量弥散，特别是在距离火源位置超 过4 0 m 的走廊内，烟气层高度在1 6 m 左右，4 0 0 s 之后，距离火源超过2 0 m 的地方烟气温度都在3 0 以上，最高将近粥，对人员的安全疏散有一定蟾 藏脐。 通过戳上研究得壅了一些结论，可以给教学楼火灾安全工程磷究人员鞠 教学楼人员疏教熬研究者提供定的参考，为进一步的深入研究提供资料。 关键词：火灾：烟气；数值模拟；教学楼；走廊 哙尔滨工程大学硬学经论文 a b s t r a c t t e a c h i n gb u i l d i n gi st h es c h o o l sa n dc o l l e g e sm a i nb u i l d i n g 。i nt h et e a c h i n g b u i l d i n g , s t a f fa r er e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e d ，e s p e c i a l l yt h es t u d e n t - q u a n t i t y sd e n s i t y i sl a r g e a n db e c a u s eo ft h el a r g ev o l u m e , t h e r ea r em a n yi n f l a m m a b l eo b j e c t s 。 t h e r e f o r e , t h ef i r eb 赫a n df i r eh a z a r de x i s ta ta l lt i m e s 。i nc a s eo ff i r ei nt e a c h i n g b u i l d i n g , t h ec o r r i d o rc a na c c e l e r a t et h es p r e a do ff i r es m o k e ，a n dp r e v e n tt h e p e o p l ee s c a p i n g s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yo nc o r r i d o r sf i r es m o k e m o v e m e n ti nt e a c h i n gb u i l d i n g f i r s t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef e l dm o d e lw a se s t a b l i s h e d a n dt h eb a s i c e l e m e n t so ft h ef i r es c e n a r i ot h e nw e r ed e t e r m i n e ds u c ha st h ef i r es o u r c e t h e v a l u eo fh e a tr e l e a s er a t ea n dt h ec u r v eo ft h eh e a tr e l e a s er a t e f i n a l l y , c o r r i d o r f i r ei naf i v e s t o r yc o l l e g et e a c h i n gb u i l d i n gw a ss i m u l a t e db yf i r ef i e l ds i m u l a t i o n s o f t w a r ef d s t h i sp a p e rh a st a r g e t e dt h r e et y p e so fs i m u l a t e df i r es c e n a r i o s ， i n c l u d i n g ：t h ed i f f e r e n tv e n t i l a t i o no p e n i n g s ，t h ed i f f e r e n tf n el o c a t i o n si nt h e s a m es i z eo nt h es a m ef l o o ra n dt h ef i r es c e n a r i o si nd i f f e r e n tf l o o r si nt h es a m e l o c a t i o nw i mt h es a m es i z e t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h es i m u l a t i o n s , t h er e s u l t ss h o wt h a t ： t h es a m ef i r es i z ei st h a tf i r eh e a tr e l e a s er a t ei s6m w w h e nt h ef i r ei si na c o r r i d o ro nt h ef i r s tf l o o ri nt h et e a c h i n gb u i l d i n g ，t h es i t u a t i o ni nt h ec o r r i d o ri s s a f e 。b u tt h eg a st e m p e r a t u r ei ns t a i r sb e t w e e nt h es t a i r w e l lr a p i d l yi n c r e a s e sw i t h t h es t a i r w e l lh e i g h tg r o v a n g a n dt h et e m p e r a t u r er i s e st o5 0 cd u r i n g2 0 0 s ， w h i c hp o s e sat h r e a to nt h es t a f ft oe s c a p e ；w h e nt h ef i r ei si nt h em i d d l ef l o o r , t h e s m o k el a y e rh e i g h t , s m o k et e m p e r a t u r ea n dv i s i b i l i t ya r ei nc o m p l i a n c ew i t h s a f e t ys t a n d a r d s w h e nt h ef i r ei so nt h et o pf l o o r , s m o k ei nt h ec o r r i d o rb e g i n s s p r e a d i n ga f t e r3 0 0 s ，p a r t i c u l a r l yt h es m o k el a y e rh e i g h ti sa b o u t1 6 mw h e r et h e ， d i s t a n c ei sm o r et h a n4 0 ma l o n gt h ec o r r i d o rf r o mt h ef i r es o u r c ep o s i t i o n ，a n d 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 4 0 0 sl a t e rt h es m o k et e m p e r a t u r ei sa b o v e3 0 w h e r et h ed i s t a n c ei s2 0 ma w a y f r o mt h ef i r es o u r c e ，t h eh i i g h e s tn e a r l y5 0 。cs o m e w h e r e ，s oi t sat h r e a to nt h e p e r s o n n e le v a c u a t i o n f r o mt h er e s e a r c h s o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sw e r ed r a w n t h ec o n c l u s i o n s a r eo fg r e a t i m p o r t a n c e a n d a p p l i c a t i o n i nf i r e p r e v e n t i o na n de v a c u a t i o n ， e s p e c i a l l y f o rt h es t a f fs t u d y i n gt e a c h i n gb u i l d i n gf i r e s a f e t ye n g i n e e r i n ga n d p e r s o n n e le v a c u a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ew o r kw i l lb eab a s ef o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o n k e yw o r d s ：f i r e ；s m o k e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t e a c h i n gb u i l d i n g ；c o r r i d o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以骥确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：确 圜期：痧孑年万尉盖嚣 蹬尔滨工稷大学硕士学位论文 第1 章绪论 羔1 本课题研究的必要性 建筑耪走廊型逶道终诲建筑物酌重要组成部分，是火灾对人员逃生蕊必 经之路。发生火灾时，翅气经开启的 了或密进入走廊，沿走廊肉通道周嗣弥 漫。建筑物发生火灾时，走廊能迅速扩大火灾烟气弥漫的范围，这将严重妨 碍人员疏散和消防救援工作。因此建廊烟气流动特性的探索研究，对通风排 烟系统的设计、人员安全疏散设计、减少火灾所造成的人员伤亡和财产损失 等具有非常重要的意义l 。 近年来，中圈经济快速发展，教育事遭蒸蒸露上，尤其是近年来高校不 断扩招健在校生勰摸逐年扩大。大幅度的扩招在加快培养离素震人才的陵时 也繁来一系列药阀题，特别是一些安全隐患闷题，比如说火灾，戈其是教学 楼火灾。因为学校静教学楼是一个人员集孛的场所，在这种专用教学楼中， 学生人数密度大，露且具有较离的火灾负荷和较多的起火因素，一旦发生火 灾，烟气蔓延很快，极易造成严重的人员伤亡。近年来校园内火灾事件屡有 发生，下面列出了国内外部分典型火灾。 国内典型火灾：2 0 0 4 年1 0 月1 3 日，长春理工大学研究生教学楼突发火 灾，无人员伤亡；2 0 0 4 年1 2 月2 王匿2 0 时5 9 分，哈尔滨工业大学建筑学院 土木楼发生大火，楼内近千名学生及时疏散，近百名学生被安全营救塞火场， 事故没有造成人爨伤亡；2 0 0 6 年6 胃嚣墨，孛央民族大学南主褛6 楼发生 火灾，学生安全骧教；2 0 0 6 年量0 冀1 邂，赫疆竟州党校新建综合教学楼发 生火灾，无人员伤亡；2 0 0 6 年l o 周1 6 日，长沙理工大学教学楼发生火灾， 大火洗劫实验室。 国外典型火灾：1 9 9 0 年，加利福尼亚大学伯克利分校设在一栋1 9 5 7 年 建筑的木制多层建筑内兄弟会会所失火，造成3 名学生遇害，2 人受伤，损 失超过2 1 0 万美元；1 9 9 6 年，托卡罗莱那大学一兄弟会会所发生火灾，造成 5 入死亡，3 入受伤；2 0 0 0 年，新泽西娜塞顿霍笨大学一栋1 9 5 2 年建造薛6 层宿舍发生火灾，造成3 大死亡，5 4 人受像，其中有2 名消防驳贯、2 名警 害受饶。 啥尔滨丁程大学磺七学位论文 由此可见，教学楼容易发生火灾，量危害相当严整。为尽壁避免教学楼 火灾和减小教学楼火灾发生时酶损失，爰确邋把握火灾豹发生发展过程，深 入研究火灾发生时烟气、温度等的规律就显得十分必臻了。 1 2 研究方法的选择 随着羊淳技的发展，社会的进步，入髑对火灾现象及其危害有了较深酶理 解，消防意识逐步增强。衣对不燕火灾现象进行研究鹃过程中，研究方法的 选取是一个关键问题网。 1 2 ，l 实尺寸实体实验研究 实尺寸实体实验研究是针黠不嗣类型建筑，完整地合理逸褥现和演讫火 灾过程，依靠各种测试手段测定表，征火灾烟气流动特性的典型参数，如温度、 燃烧产物浓度等的空闻分裔及箕随时闯的变化。分析测试数据，研究具体现 蒙，归纳定量关系，搦示潮气流动的确定性规律，同时，它为计算机模拟提 供了实验数据和经验公式。它是一种最为可靠、最具说服力的方式。 早在1 9 7 3 年，美国亚特兰大城市建设部就进行了实尺寸火灾实验 瓣。实 骏对象是谴予亚特兰大嘉的1 4 层h e n r yg r a d y 宾馆。着重对其加压楼梯 闻与掘垂电梯井进行了实验研究。阕年进行的火灾研究还有布簧克林理工学 院( b r o o k l y np o l y t e c h n i ci n s t i t u t e ) 指导的对纽约幢觊层办公楼进行的火灾 实验1 4 l 。德国、热禽大、酷本也先簏开展了系别的实尺寸实体火灾实验。 实尺寸实体实验所具有的优点有：最接近实际情况，对火灾本质特征、 变化规律的认识起极其重要的作用翻。 实尺寸实体实验所具有鹃缺点有： f 王) 实验费用嵩暴。首先，要进行实体实验就必须建立实体建筑，这是 笔巨大的投资；其次，要为实体建筑配备一套完整的测试系统，这也是一 笔不小的开支；当火源为实际火源时，每一次的实验费用也不少。 萄设定熬实验工凝有限。一是由于实验费用太离，进行翡实验次数不 可能太多；= 是实体建筑的改造形式有限。 ( 3 ) 实验的可重复性较蓑。由予影响火灾发震过程的因素太多，有些因 素难以精确再现，因此一般实际火源在相同工况下的实验重复性较差玲】。 2 涂尔滨工程丈学磺掌德论文 羔2 2 缩小比例模拟实验研究 缩小比例模拟实验研究分为两种情况，是根据实体建筑的尺寸，按一 定的院例建立起模型建筑，在模型中进行实验，并将在模型孛掰获得懿数据， 按一定酌楣 媛准剐还原成实体建筑的数撵。舅静就是采用盆水模拟酌方式。 盐水实验模拟研究方法属于小尺寸模拟试验。其特点是不网介质的模拟； 冀基本思想是用演浮的盐水在清水中运动和扩教来模拟火灾烟气在空气中熬 蔓延和热量传递1 6 j 。 缩小吃铡模拟实验的优点：一是实验周麓短、投入少、设备简单、节省 费用；二是真实或观、便于观察、分析；三是可重复性好并且不污染环境； 更重要的是这种技术提供了一种对复杂结构避行研究的更为经济静方法。嚣 此是西前在火灾的研究工作中有着极强翡生命力的研究方法。 但是随着碜 究麴深入，人们发现盐水模拟实验存在一定的闯题吼 董) 边界条释豹耀儆阕题。首先，在烟气层( 或盐水层) 内所俸的忽略鹈性 和热传导效应的合理假设，不适用予靠近受限空间边界的区域。 国盐泰瀛豹初始动量不爻零导致了模拟麴误差瓣题。 ( 3 ) 目前，盐水实验模拟还无法模拟火灾烟气层内的辐射换热和化学反 应。 ( 4 ) 盐水实验模拟的定量测量闻题。 羔。2 。3 计算机模拟研究 火灾科学是以实验为基础的科学，因此火灾科学实验的方法学研究占有 搪当重要麴她盘。火灾燃烧过程的研究、火灾现象黪模掇与纛现等研究工俸 需要综合利用各种高科技手段，并运用正确的理论工具对所获得的数据进行 分辑和解释。由于火灾现象的复杂性，想要定量研究火灾理论，有必要借助 计算机数值模拟。由于火灾现象也遵循自然界中普遍存在的规律，基于此， 建立了火灾过程的计算机模拟研究方法。 火灾规律的计算机模拟研究可分为专家系统、网络模掇、区域模拟和场 模拟。 1 2 3 1 专家系统 3 哈尔滨1 = 程大学硕七学位论文 _mmm l 专家系统的计算机模拟方法是以火灾实验及计算机研究为基础，通过收 集、测量和分析实际建筑物火场和模拟实验的数据，根据专家经验对已有的 数据进行分析，用计算机对所得数据进行整理，得出消防专业人员实用的经 验公式及图表，并编成计算机程序供查询。借助计算机的数据库、图形和图 像功能便可以方便而形象地得到火灾过程。专家系统属于经验模拟，是火灾 过程计算机模拟的第一个层次。它具有速度快、操作简单等优点。但它往往 只是针对火灾过程中某一局部问题，是对火灾过程浅层次的模拟【8 】。 1 2 3 2 网络模拟 网络模拟主要采用网络模型。网络模型是把建筑物的每一个受限空间视 为一个单元体( 即网络节点) ，假设每个单元体内部的物理参数和温度、烟气 浓度、压力等参数均匀一致，火灾过程的发展表现为构成建筑物的各单元内 部参数的变化。模型应用质量平衡方程、流体运动方程、烟气浓度方程以及 烟气温度方程。通常应用火灾温度、烟气产物与时间的特性函数来描述火情。 网络模型的输入数据为气象数据( 如室外空气温度和室外风速等) 、建筑特征 ( 如几何尺寸、建筑材料和开口条件等) 、火源特性以及室内特性( 如室内初始 温度、送风和排烟情况等) 【5 】。 1 2 3 3 区域模拟 建筑火灾区域模拟方法是由哈佛大学的e m m o n s 首先提出，该方法一般 将每个房间分为两个区域：上层烟气及下层空气，并假定各区域内部各物理 量均匀一致，然后由质量、能量守恒原理及理想气体定律导出一组常微分控 制方程，来预测上( 下) 层温度、烟层界面高度、风口质量流量、热流量、壁 面温度等参数随时间的变化1 9 】。模型中火源的设置通常需要用户输入时间一热 释放速率( h e a tr e l e a s er a t e ，简称h r r ) 曲线，材料的热物理特性等。壁面材 料的热物性尽管随温度有所变化，但通常被视为常数。这种假设的根据在于， 在所需的温度范围内，材料的热物性数据十分缺乏，而且对大多数材料来说， 这些数据随温度的变化相对较小。 区域模拟主要适用于描述建筑结构之间的流体传输过程，如相邻房间烟 气通过水平开口( 如门、窗等) 的传递。由于该方法计算代价低，同时在多数 4 哈尔滨1 二程大学硕士学使论文 场合下其结果也能满足工程需要，因而在建筑火灾评估及分析上得到了较为 广泛的重褫与应用。区域模拟将整个建筑火灾过程看成由一系捌松散耦合的 分过程所组成。但对于复杂几何形状、有强火源或强通风的房间，其误差将 会很大以至失去真实性，此类情况不寰使用区域模拟。 1 2 3 4 场模拟 场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及其随时间变 化的模拟方式，将着火室划分为二维或三维的许多网格，其数量从几千到几 露万不等，甚至还要多，通过求解连续性方程、动量方程、能量方程、组分 方程以及湍流特性方程来得到火灾过程中各状态参数，即温度、速度和组分 浓度的空闻分布及其随时间变化。通常所使用的求解方法有有限差分法、有 限元法、边界元法等等。 与区域模拟相比，场模拟应用于火灾场景模拟研究的主要优越之处在予， e l j 于场模拟划分的网格数目较大，对于火灾的发生发展、火场温度分布、烟 气流动状况及其组分浓度等参数随时间的动态变化可给如相当详细的描述， 便于使用者对火场及烟气流动的详细信息进行了解和掌握。 烟气运动场模拟研究是伴随着湍流理论研究的深入和计算机性能的提高 两不断发展的。墨前较成熟的湍流模拟方法可分为以下三秸疆磁：r e y n o l d s 时 均方程模拟( r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r s t o k e se q u a t i o n ，简称则州s ) 方法、直 接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，篙称d n s ) 方法和大涡模拟( l a r g ee d d y s i m u l a t i o n ，简称比s 1 方法。 王。2 。4 本文的研究方法 本文选用美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ，简称n i s t ) 于2 0 0 2 年l l 胃发布的专用于模拟建筑火灾场景的 场模拟软件f d s ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t i o n ，简称m s ) ，其主要原因有： ( 圭_ 网络模拟京处理长度远大子宽度和高度的走廊时，软件将走廊著作 个节点，这样非常不合理。当烟气在走廊中蔓延的时候，随着烟气向远离 火源区域流动，烟气的温度、浓度等参数在不同位置将会盟显不同。将整个 走廊的状态参数假设为均匀致，显然是不正确的。 5 哈尔滨工程大学硕士学4 1 7 ：论文 ( 2 ) 在长度远大于宽度和高度的走廊中，随着烟气向远离火源区域的扩 散，上部烟气不断卷吸下部的空气，温度越来越低，上层烟气层和下层空气 层之间的密度差越来越小，烟气下沉，烟气的整体分层现象将不再魂显，此 时区域模拟将不再适用。 鳓r e y n o l d s 时均方程模拟法是对流动交量在时闻和空间上求平均值，并 且引进r e y n o l d s 应力项。r e y n o l d s 应力是两个脉动值乘积的时均值，在建立 两个脉动值乘积的时均值方程过程孛，叉会引入三个脉动僮乘积的时均僮， 为使方程封闭，又必须对三个脉动值乘积的时均值建立微分方程，而在这一 过程中又出现了四个脉动速度乘积的时均值，这在理论上是一个不封闭的困 难。 ( 4 ) 直接模拟( d n s ) 方法是使用同一尺寸网格直接对原始的n s 方程求 解，不使用模型假设。因此要求网格尺寸是够小，对计算机硬件要求j i 常高。 目前的计算机性能无法满足d n s 计算的要求，因此无法用于工程计算。 岱) 大涡模拟( l e s ) 方法中网格划分较细，大于照格尺寸鲍涡旋结捣用j # 稳态的n a v i e r s t o k e s ( 简称n s ) 方程直接求解，而小尺度的涡旋采用一种近似 的模型。由于采用了这种近似，所以其精度低予d n s 。同时l e s 对计算枫内 存和速度要求远低于d n s 。 综上所述，本文采用f d s 中的大涡模拟( y e s ) 方法进行研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 。l 国内研究现状 近年来，我国在火灾科学研究方面，尤其是在走廊火灾研究方面做了大 量工作，也取得了一定的成绩。 我国的研究者在走廊火灾研究方面所作的工作主簧有： 理论与实验方面：梅秀娟、陈涛和张文良对“入防 规范中可供人员 疏散的两种走道，即避难走道和疏散走道进行了讨论，分析了二者的关系及 异同，另外，介缨了工程上对避难走道的另一种提法一“防烟通廊”的概念。 公安部四i l 消防研究所在已经建立的“地下商业街实体火灾实验室”的基础 上，对该实验室进行了适当的改造，增设了避难走道( 或防烟通廊) 及其前室， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使该实验室具有了对避难走道进行实体火灾实验研究的功能，增加了该实验 室的研究内容。杨立中等【1 2 】通过实验研究了火灾烟气毒性成分在水平方向上 的迁移规律。结果发现，火灾烟气危害性成分在水平方向上的演变非常相似， 而不同高度水平面上的烟气成分浓度有差别。这主要是建筑结构中各种开口 或者空气流动造成的。霍然和李源洲掣”】对长走廊进行了全尺寸实验，研究 了各种不同排烟温度和速度。冯文兴1 1 4 j 等利用模拟狭长通道的小型实验台研 究了火灾烟气传播过程中毒性成分的空间分布规律。 数值模拟方面：何亚平【1 5 】等通过数值模拟与实验对比，提出了烟气层温 度沿一条走廊分布可近似由一个函数的指数形式表示的观点。运用非稳态方 法更准确地计算了通道内烟气流温度的动态变化，为防排烟系统和人员疏散 系统设计提供了基础数据。香港理工大学的周允基【1 6 】用c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称f d s ) 通过对一个房间一走廊结构的烟气模拟，得出热势 力( 如浮力) 是诱发火灾的主要因素，并决定烟气在空气中的运动。谢元一和王 厚华【l j 应用网络模型方法，将建筑物走廊型通道合理地划分为多个节点进行 模拟，获得了各节点烟流性状的发展变化规律，证明走廊型通道的多节点划 分方法正确，预测软件实用可靠。张鹏1 1 7 】等应用场模拟方法，对有自然通风 的建筑物通道内的火灾烟气运动进行了数值模拟。模拟得到的通道内烟气温 度的分层分布与实验数据基本相符合，烟气对环境空气卷吸量的计算值也与 已有经验关系式的结果相一致。他利用数值模拟还研究了热释放速率对通道 内火灾烟气运动的影响。结果表明，在有自然通风的条件下，热释放速率的 增大对通道上层热烟气的温度和速度有较明显的影响，导致火灾的危害性变 大。邱旭东、高甫生和王砚玲【1 8 】专题研讨采用场一区复合模型模拟起火层内 的烟气运动过程，分析了走廊通道内三种机械排烟方案的烟气控制效果。模 拟结果表明，与排烟量相比，排烟口的位置和数量对排烟效果的影响更大， 排烟口应尽量远离疏散出口。施微和高甫生等1 1 9 j 采用场一区复合模型模拟火 灾发生时高层建筑条形走廊内的自然排烟过程，结果显示当走廊长度超过 3 0 m 时，走廊内采用自然排烟不能保证人员的安全疏散。 1 3 2 国外研究现状 随着建筑的不断发展，国外很多专家学者对建筑火灾走廊内烟气的流动 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特性开展了大量的理论研究和实验工作，并且在研究方法上不断改进。国外 的研究者在走廊火灾研究方面所作的工作主要有： 理论与实验方面：b a i l c y 2 0 】等人讨论了火灾时烟气蔓延的区域火灾模型， 以及除这个模型外的新模型一走廊子模型，并发表了要实现这一新的子模型要 更准确地预测烟雾流过走廊的流量等言论。h o p k i n s o n 2 1 j 通过对真实火灾的分 析研究，强调了当火灾生时切断空气供应源，有效关闭走廊门的重要性。 m e r r i l lg a l l o w a y 2 2 j 等设计使用且修改了n i s t 的火灾危险性模型块，通过几 个小规模的全尺寸实验，实际测试发现氯化氢衰变在防火防烟中能起到很重 要的作用。b l a y1 2 3 j 等给出了一些关于烟气运动在内嵌室走廊配置载有火源情 况下的计算结果，并提出了两维稳态速度场和温度场。h e s k e s t a d 2 4 】等对一个 由1 9 米长的走廊相连三个房间的模型进行了连串的防火测试，模拟了门窗 开关和有无通风等多种情况下火灾烟气在走廊中蔓延情况。l y n c h 和l l o y d z 5 j 在房间和走廊进行了小规模实验，研究了瞬态场模型，实验研究数据显示， 与原来已经公布的研究数据有一些重大的分歧。 数值模拟方面：h a d j i s o p h o c l e o u s l 2 6 j 运用计算流体力学模型模拟了相互联 系的走廊内的烟气流动规律，为设计排气系统和走廊中人员疏散提供了重要 的参考模拟结果。t h o m a s l 2 7 1 从流体的常规计算公式出发，加入麦卡弗里回归 公式后通过模拟提出：根据烟气在走廊中运动规律，采用新技术可以大大减 少火灾损失和费用。k i mm y u n gb a e 2 8 】采用了一个新的可视化技术，通过激 光片介绍揭示烟雾散布在一条走廊的情况。v a nd el e u r 2 9 】在一着火房间与走 廊相邻的火灾场景中，用数值计算模拟了二维稳态湍流流动的热烟气流动， 发现烟气在模拟的几种情况中都有很明显的分层现象。q u i n t i e r e 3 0 j 研究了走 廊烟雾流场情况，根据速度测量和观察烟雾，发现目前的预测模型对于烟气 层高度和流率在走廊实验中的局限性。j o n e s 3 1 j 在区域模型的基础上，加上横 向动量方程，成功模拟了火灾烟气在走廊中的运动情况，并提出了浓烟在走 廊中蔓延的预测模型。 通过国内外研究状况的对比发现，我国在走廊火灾方面的研究极其有限， 走廊火灾理论不成系统，走廊火灾实验方面更为单薄。因此，我国走廊火灾 的完整科研体系尚未形成，还需要在相关领域进行进一步的深入研究。 埝尔滨t 稷大学硬学位论文 ；i i。i l l l l l l i m li l l li l l l i - i i im li l l l l i 1 4 本文的主要内容 本文围绕教学楼走廊火灾进行研究，主要对其火灾发生时走纛内烟气蔓 延酶特性和瓶律避行分析磷究，蔽戴总结了教学楼火灾时走廊内烟气层离凄、 烟气层瀣度和缝见度豹分毒规律。根据些已经在这方西取褥成果的研究经 验，本文豹主要内容分为四部分，具体内容如下： ( 1 ) 分析讨论了豳内外的研究现状，并根据髓前的研究方法，通过对火 灾数值模拟方法的研究分析与对比，确定适合教学楼走廊火灾的模拟方法。 ( 2 ) 针对研究方法选择的结果，对模拟方法的数学物理模型进行深入的 研究，并通过模型的建立与方程中重要源项的离散，建立和本文相符的数学 物理模擞。 移) 确定教学楼走癔火灾时煞部分参数，舞火灾载萄密度、火灾增长觳 子鞫火源热释敖速率等，靼完成火灾场景的设定，为后续豹数值模拟计算王 作奠定基础。 ( 4 ) 运用c f d 计算流体软件中的场模拟软件f d s 4 模拟教学楼走廊火灾 烟气的运动情况。本文着重分析了不同楼层，火源位置相同的情况下，两个 走廊的烟气层高度、温度等参数分布规律；同一楼层，火源位置不同的情况 下，火灾烟气参数在走廊中的的分布规律。 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章场模拟的理论基础 f d s 3 2 3 3 】中采用的是由r e h m 与b a u m 3 4 】发展的简化的n s 方程组，该方 程组可以描述因化学释热及浮力作用而诱发的低速气体流动。f d s 全面地考 虑了火灾烟气运动的各个分过程：湍流部分分别采用高级数值模拟方法直接 模拟( d n s ) 及大涡模拟( l e s ) 处理；辐射换热采用了有限容积模型；燃烧模型 基于h u g g e t 提出的“状态关联思想，定量给出反应物与生成物之间的关系。 f d s 中包含了大涡模拟( l e s ) 及直接模拟( d n s ) 两种数值模拟方法。本文采用 大涡模拟( l e s ) 方法。 2 1 流体动力学模型 f d s 中采用的流体动力学模型是简化的n s 方程组，其适用于描述低马 赫数流动问题。运用空间滤波的方法对n s 方程进行处理，从中滤除高频小 幅的压力变化( 声波) ，保留了温度、压力等物理量的大幅变化。经过这样处 理后的方程具有椭圆偏微分方程的特征，适用于模拟低速、热对流的流动过 程。在大涡模拟中，对于大尺度涡采用直接求解的方式进行计算，而小尺度 涡应用模化的方法计算其耗散作用。描述场模拟所用到的控制方程主要有质 量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程和状态方程。 ( 1 ) 质量守恒方程： 等冉( 刖) = 0 ( 2 1 ) 西 v7 、7 式中：p 气体密度，k g m 3 ； u 速度矢量，m s ，u - - - - ( 甜，y ，w ) 。 ( 2 ) 动量守恒方程： t 0 ( p u ) + v ( 胛u ) + 印= p g + v 下 ( 2 - 2 ) 式中： f = 一詈( v u ) i + 2 x s ( 2 3 ) l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 西= 糖+ 詈j 弘4 ， 岛= 城乡叩 式中：t 粘性应力张量，p a ； g 重力加速度矢量，m s 2 ； 流体的动力粘性系数，p a s ； p 压力，p a ： 瓯 一变形速率张量，一。 ( 3 ) 能量守恒方程： 昙( 川+ v ( p 加) = 面d p + 口_ 一v q + ( 2 - 6 ) 由于耗散函数与火源的热释放速率相比非常小，可以忽略不计，因此通 常取= 0 。则能量守恒方程式( 2 6 ) 可化为： 式中：h q 口8 ( 4 ) 组分方程： 式中：z d i 矿 ( 5 ) 状态方程： 昙( 州冉( 肪u ) = 面d p + 口。一v q ( 2 - 7 ) 比焓，j k g ： 热流密度，w m 2 ； 体积热源，w m 3 ； 耗散函数，w m 3 。 昙( ) 冉( 秽u ) = v 。( p p v z ) + 彤( 2 - 8 ) 组分i 的质量分数，k g k g ： 组分i 的扩散系数，m 2 s ； 单位体积内组分i 的生成率或消耗率，k g ( m 3 s ) 。 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 p = 鲁叫丁军 式中：r 通用气体常数，r = 8 3 1 4j ( m 0 1 k ) ； m 气体分子量，k g m o l ； m 组分f 的分子量，k g m o l 。 将式( 2 8 ) 中的所有组分相加即为质量守恒方程，因此有： r = l ；魂”= o ；z p d , v r , = o 2 2 低马赫数假设 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 火灾烟气流动速度较低，为了获得以音速传播的信息，计算时需要采用 很小的时间步长，大大增加了计算耗时，这在实际计算中是很不经济的。 针对火灾流场的特点，r e h m 和b a u m 3 4 1 在1 9 7 8 年首先提出了热驱动浮力 流的模型方程，后来美国标准技术局( n i s t ) 的m c g r a t t a n 与其合作者在此基础 上对该模型做了进一步的修正，将状态方程式( 2 9 ) 进行了简化，他们把压力 p ( 五，t ) 分解为背压p o ( t ) 、静压一风g z 和流动引起的压力扰动p ( 薯，) 三个部 分，即： p = p o p 。g z + p ( 2 - 1 1 ) 式中： 风环境大气密度，k g m 3 ； z 重力场中竖直方向的坐标，m 。 通常情况下风为常数，而一成g z 和p 很小。但如果研究的是封闭空间内 的火灾现象，在起火增长阶段风会随时间增大；如果研究的是高度方向尺寸 以千米为量级的大空间，则阮不再为常数，而是一个随高度变化的量。 对于低马赫数流，可以假定温度和密度成反比。因此，在能量守恒方程 ( 2 - 7 ) 和状态方程( 2 - 9 ) 中，可将压力p ( 薯，) 用空间平均压力p 。( ，) 来代替，则 通用控制方程组可化为适用于低马赫数流的模型方程组： a ， 等+ v ( p u ) = 0 ( 2 - 1 2 a ) 1 2 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 ，亟型+ v ( 胛u ) + 即：腭+ v t ( 2 - 1 2 b ) 昙( 例+ v ( p 办u ) = 百d p o + 雪”一v q ( 2 - 1 2 c ) 昙( 圳冉( p 珈) = v ( 旭v r ) + 啦。( 2 - 1 2 d ) 加) = 鲁锄莩 ( 2 m ) 低马赫数流修正模型的作用有两个：( 1 ) 用p o ( f ) 代替p ( t ，f ) ，过滤掉比 火灾热驱动流速度高很多的声波，这样数值计算的时间步长不再受到高速声 波的限制，而仅取决于火灾热驱动流的速度；( 2 ) 修正后的状态方程使原来 的方程组中独- o r 变量的个数减少了一个，简化了方程的求解。 2 3 模型方程的进一步变形与简化 2 3 1 动量方程的变形与简化 简化动量方程( 2 1 2 b ) 首先需要定义涡矢量，这里定义涡矢量为： = vxu ( 2 1 3 ) 应用矢量恒等式： ( u v ) u = 去v i u l 2 一u ( 2 1 4 ) 将式( 2 1 4 ) 代入到式( 2 1 2 b ) d ? ，整理得： p ( 詈一u + 丢v i u l 2 + 即= 腭+ v f c 2 耶， 在式( 2 1 5 ) 等号两边同时减去静压梯度p , o g 可得： p ( 0 uu + 三v l u l 2 ) + 即一p 。g = ( 夕一成) g 冉f ( 2 舶) 由式( 2 - 11 ) 可得： 即= p 。g + 即( 2 1 7 ) 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) q b 可得： 哈尔滨工程大学硕十学位论文 一ou+三viot2u 1 2 + 詈= 如一成) 川f ( 2 - 1 8 ) pp l 。叫。 j 、7 h 为总压，贞0 有： 日2 如1 2 + 去 ( 2 - 1 9 ) v 日2 三v | u 1 2 + v p 风 ( 2 2 0 ) 2 以 、 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 8 ) 中可得： -ux+vh+、万10t一去卜= 土p l r 训g + v f ( 2 - 2 1 ) p 成j 1 一尸 j 、7 式( 2 - 2 1 m 1 去卜项可忽略不计删该方程可变化为： 瓦0 u - u + v 日= 扣l j 。一成) g 冉f ( 2 - 2 2 ) 8 t p 14 。 j 、 对式( 2 2 2 ) 求散度，则可以得到如下方程： v 2 日：一掣坷f ( 2 - 2 3 ) 式中： f ：一( u x t 。+ p - p og + v f 、i ( 2 - 2 4 ) 在壁面上有： 掣叫鲁(2-25)on 。 讲 式中，f 在壁面法向上的分量为e ；有外力的壁面的速度法向分量的变化率 为孕，初始速度均为o 。 o t 在自由边界上： 日= l u l 2 2 流出计算区域( 2 - 2 6 ) h = 0沉八计算区域 当有流体流出计算区域时，假设边界上的压力变化为o ，h 在同一流线 卜为常麴：当右流体流入计笪阿域时假设无限沅友h 的h 为0 。 1 4 呤尔滨t 程大学颈士学侮论文 入计算区域时相邻网格的值。 通过以上分析，模型方程组可简化为： 鲁再( 俨瑚 a阻_uxo+v一=土民一po)g+v,lu v hp vat p 一| l l 、4 弘归万i妒川g)+(上pcptpopc t j 警芦u纠i出 昙( 础) 丹( u ) = v ( p p v r ) + 魄舯 风= 鲁硼毅老 v ：h ：一塑型一v f f ：一r u x t o + p - p 0g + v f 1 2能量方程的蛮形与简化32 为当流体流 由于能量方程( 2 。1 2 c ) 含有速度教度v u ，求解时收敛速度太慢， 带来很大的困难。因此，需对模型方程组作进一步的简化。 混合气体的定压比热容e 尹与组分f 的定压比热容，的关系为： 勺= 勺，r f 式中：。拳定压比热容，j ( k g k ) ： c 川组分f 的定压比热容，j ( k g - k ) 。 混合气体的烩h 与组分的焓囊的关系为： 乃= 红r 强 秘 沁 肼 馆 乏 乏 乏 艺 也 艺 z 呦 惭 m 嘲 m 嘲 哪 黼 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 式中：h 红 其中， 比焓，j k g ： 组分i 的比焓，j k g 。 扛( 丁) = 丘，( 丁) a t 式中，上标0 表示基准状态。 方程进一步简化如下： ( 1 ) 比热容与温度无关 h d tc p j t 则 红( 丁) = 丘，( r d t = c p , j 丁 办= 忽z = r z c 一r = t c y , tp 工一i i p ii ( 2 ) 组分i 的比热吞的比值为常数，则有： “寿) 砉 将式( 2 3 4 ) 代入状态方程( 2 - 12 e ) 中，得： 础) = 鲁甲r 丁军( 砉 叫军务= 等加p 将式( 2 3 3 ) 代入式( 2 - 3 5 ) 可得： p o ( ，) = y y - _ 2 1 加p = 等肪 、 对焓求全导数，并将式( 2 3 6 ) 代入可得： ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) f 2 - 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) p 詈= 昙( 例+ v ( p h u ) = 斜知卜 寿肿 p 3 7 ， = 上y - l f ，、, 亟d t 慨v u 1 6 哈尔溟工程大学硕士学佗论文 将式( 2 - 3 5