（工程热物理专业论文）列车车厢内火灾的数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 本文采用大涡数值模拟和s m a g o r i n s k y - y o s h i z a w a 混合亚格子尺度模式，以及 基于无限快速化学反应的混合分数燃烧模型，对y w 2 5 k 型空调硬卧车乘客区的火 灾现象进行了数值模拟研究。由于热烟气的弱可压缩性，采用了适合低马赫数形 式的三维非稳态n a v i e r - s t o k e s 方程的近似形式，数值研究车厢内热烟气的输运过 程。 文中对s m a g o r i n s k y 亚格子模式系数c 。的不同取值对于计算结果的影响做了 研究，一定范围 o 1 4 ，0 1 8 1 内的取值，对于计算结果的影响较小，考虑到列车车厢 内火灾属于受限空间火灾，以及热烟气受浮升力驱使流动的特性，取c 。= 0 1 6 。 在研究中，采用模拟风洞提供不同风速，根据相对速度原理，以模拟列车车 厢的不同运行车速状态。通过对不同释热率情况下，以及不同风洞风速的情况下 的车厢内火灾过程的研究，初步探讨了车厢内火灾发展、烟气运动和温度分布规 律。 在研究中发现，列车处于静止状态时，车厢内火灾所引发的热烟气流动形式 受火源释热率大小变化的影响程度较小。火源释热率的变化对于车厢内温度场的 分布影响明显，随着火源释热率的增大，远离火源区域的空间的温度上升程度加 大。火源释热率越大，车厢内热烟气的温度层下降的速度越快，下降的高度越低， 并且热烟气的温度分布呈明显的分层现象。车厢卧铺隔板和床板对于热烟气在卧 铺室间的蔓延有明显的阻挡作用，并造成卧铺室之间上部的温度层呈间断分布。 利用风洞提供的不同风速，研究了不同运行速度状态下的车厢内火灾状况。 研究中发现，风速的变化，对于车厢内火灾流场的影响显著。随着风速的加大， 火焰中心逐渐偏离火源中心，热烟气向上游回流的距离和烟气层厚度都逐渐减小， 直至消失，最后热烟气完全向下游流动蔓延。火焰下方的卷吸现象和上方的顶棚 射流现象逐渐消失，热烟气流动完全由上游入流空气所控制，并加快向下游蔓延。 同样，风洞风速对于车厢内温度场分布影响显著。随着风速的加大，火焰区高度 逐渐下降，火焰中心的温度也逐渐降低，并逐渐沿着车厢地板表面水平向下游扩 散。热烟气随着风速的加大，逐步加大了向下游流动蔓延的趋势；下游区域里在 6 0 s 一1 2 0 s 时间内，5 0 。c 一1 0 0 。c 的热烟气层就下降到地板表面。随着风速的加大， 短时间里，在车厢内下游的过道上和卧铺室内，都充满了热烟气，热烟气温度的 分层现象不明显。 从研究中可得到：对旅客列车车厢这种受限空间而言，当发生火灾时，所引 发的热烟气在短时间内就能在整个车厢内蔓延。不论是在过道上，还是在卧铺室 重庆大学硕士学位论文 内，热烟气层的下降速度非常快，5 0 。c 一1 0 0 。c 的热烟气在1 2 r n i n 左右就能下降 到离地板l _ ，l 左右的高度；尤其对于运行状态下的旅客车厢而言，5 0 。c 一1 0 0 。c 的 热烟气在1 2 m i n 内就能完全充满在火源下风处的车厢空间。因为热烟气的生成和 蔓延的速度很快，会给乘客的逃生带来巨大的困难，以至造成重大的人身伤害。 所以，火灾初始阶段的及时发现和有效控制火灾是非常重要的：对于已经不可避 免的火灾发生后，旅客列车及时停车，使人员在短时间内有效迅速地逃离火灾现 场，对于减小火灾造成的伤亡事故也是很重要的。本文对火灾防护设计和安全管 理方面提供以下建议t 1 ) 在旅客列车车厢内安装烟气探测系统，并与可视化监视系统及车厢端门的开 启系统整合； 2 ) 当旅客列车车厢内发生火灾后，必须马上停车，并打开车门供旅客迅速逃离 火灾现场； 3 ) 车厢内应安装烟气控制系统，当火灾发生后，提供一定量的新鲜空气，使烟 气维持在一定的高度上，方便旅客有效地逃离。 关键词：大涡模拟，烟气输运，亚格子尺度模型，列车，受限空间，火灾 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p a r t m e n tf i r es c e n a r i oo fy w 2 5 kt r a i nw a ss i m u l a t e d n u m e r i c a l l ya n di n v e s t i g a t e db yu s i n gl a r g ee d d ys i m u l a t i o n , s m a g o r i n s k y - y o s h i z a w a m i x e ds u b - g r i ds c a l em o d e l ( s g s ) a n dt h em i x t u r e - - f r a c t i o nc o m b u s t i o nm o d e lb a s e d i n f i n i t e l yf a s tc h e m i s t r yk i n e t i c s f o rt h ew e a kc o m p r e s s i b i l i t yo fh o ts m o k e ，t h e p r o c e s so fs m o k em o v e m e n tw a ss t u d i e db yu s i n gt h e f i l t e r e dt h r e e - d i m e n s i o n a l c o m p r e s s i b l en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n su n d e rl o wm a t h - n u m b e ra p p r o x i m a t i o n t h ed i f f e r e n ts m a g o r i n s k ys u b 一鲥dm o d e lc o e f f i c i e n t s ( gi se q u a lt oo 1 4 ，o 16 a n do 18 ) w e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h r e ec a s e sh a ds i m i l a rr e s u l t s ，a n dt h e nt h ee f f e c t so ft h em o d e l c o e f f i c i e n t sw e r en o tv e r yl a r g ef o rt h e s ec a s e s i nt h i ss t u d y , gw a sr e f e r e n c e df r o m d a t af o ri n d o o ra i r f l o ww i 廿lf o r c ec o n v e c t i o n ( g - = 0 1 6 ) ，b e c a u s et h ef l o wo f h o ts m o k e w a sd r i v e db yt h ev e r ys t r o n gb u o y a n c y a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v ev e l o c i t yt h e o r y , t h ed i f f e r e n tw i n ds p e e d sw e r ep r o v i d e d b yt h es i m u l a n tw i n dt u n n e lt os i m u l a t et h ed i f f e r e n tr u n n i n gs t a t u so ft h et r a i n b y s t u d y i n gt h ef i r ep r o c e s s e su n d e rd i f f e r e n th e a tr e l e a s er a t e ( h r r ) a n dd i f f e r e n tw i n d s p e e d , t h el a w so ff i r ed e v e l o p m e n t , s m o k em o v e m e n t a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nl a w w e r ed i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i f f e r e n th r r sh a v el i t t l ee f f e c to nt h ef l o wf o r mo f h o ts m o k e ，w h e nt h et r a i nc o m p a r m e n tw a ss t a t i cs t a t e b u t , t h ev a r i a t i o no fh r rh a s v e r ys t r o n ge f f c c to nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc o m p a r t m e n t a sh r ri n c r e a s i n g , t h et e m p e r a t u r eo ft h ez o n ef a rf r o mt h ef i r es o u r c ew a sr a i s e dm o r eq u i c k l y b i g g e rt h e h r rw a s ，t h ef a l l i n gs p e e do fs m o k et e m p e r a t u r el a y e rw a sm o r eq u i c k l y , t h ef a l l i n g h e i g h tw a sm u c hl o w e ra n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fh o ts m o k es h o w e do b v i o u s e s t r a t i f i c a t i o n t h ec l a p b o a r d so ft h es l e e p e r - c o m p a r t m e n ta n dt h eb e db o a r d sb l o c k e d o f ft h eh o ts m o k e p r o p a g a t i o n ，w h i c hm a d et e m p e r a t u r ed i s c o n t i n u o u so nt h et o po f t h e s l e e p e r - c o m p a r t m e n t t h ef i r es i t u a t i o n so ft r a i nc o m p a r t m e n tu n d e rd i f f e r e n tw i n ds p e e dp r o v i d e db y w i n dt u n n e lw e r es t u d i e d n ev a r i a t i o no fw i n ds p e e dh a ss t r o n ge f f e c to nt h ef l o w f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h et r a i nc o m p a r t m e n tf i r e a sw i n ds p e e di n c r e a s e d , t h e c e n t e ro ft h ef l a m eh a dd e p a r t u r e df r o mt h ec e n t e ro ft h ef i r es o u r c eg r a d u a l l y , a n dt h e r e f l u e n c ed i s t a n c et o w a r d st h eu p s t r e a md i r e c t i o na n dt h et h i c k n e s so fh o ts m o k eh a d i i i 重庆大学硕士学位论文 d e c r e a s e dg r a d u a l l yu pt od i s a p p e a r f i n a l l y , t h eh o ts m o k es p r e a d e dt o w a r d st h e d o w n s t r e a m m e a n w h i l et h ep h e n o m e n ao fa i re n t r a i n m e n ta n ds m o k ec e i l i n gj e tw e r e d i s a p p e a r e dg r a d u a l l yb e c a u s eo fa u g m e n to fw i n ds p e e d t h ef l o wo fh o ts m o k ew a s c o n t r o l l e df u u yb yt h ei n e i d e n c e da i ra n dt r a v e l e df a s tt o w a r d st h ed o w n s t r e a m t h e e n h a n c e m e n to fw i n ds p e e dm a d et h eh e i g h ta n dt e m p e r a t u r eo ft h ef l a m er e d u c e ，a n d t h ef l a m eg r a d u a l l yd i f f u s e dt o w a r d st h ed o w n s t r e a md i r e c t i o na l o n gt h el e v e lo ft h e f l o o r b o a r d a s s p r e a d i n gi nd o w n s t r e a md i r e c t i o n , h o ts m o k ew i 也t e m p e r a t u r e 5 0 。c - 10 0 。cf i l l e du pt h ed o w n s t r e a mt r a i nc o m p a r t m e n ti n6 0 s - 12 0 s t h ec o n c l u s i o nc o u l db em a d ef r o ma b o v ea n a l y s i so ft r a i nc o m p a r t m e n tf i r e ：a s f o rt h ec o n f i n e ds p a c e ，t h eh o ts m o k ec o u l dp r o p a g a t ev e r yq u i c k l yi nt h ef u l lt r a i n c o m p a r t m e n t , a sl o n ga sf i r et o o kp l a c e t h ef a l l i n gs p e e do fh o ts m o k ew a sq u i c kv e r y m u c h , w h e t h e rp a s s a g eo rs l e e p e r - c o m p a r t m e n t , a n dt h eh o ts m o k ew i t ht e m p e r a t u r e 5 0 。c - 1 0 0 。cf e l lt ol ma b o v et h et r a i nf l o o rd u r i n ga b o u t1 - 2 r a i n o nt h er u n n i n g t r a i np a r t i c u l a r l y , t h eh o ts m o k ew o u l df i l lu pt h ew h o l ec o m p a r t m e n ts p a c ei nt h e d o w n s t r e a mo ft h ef i r ea tt h a tp e r i o d i t sd i f f i c u l tt h a tp a s s e n g e r sc o u l dl e a v es a f e l y a w a yf r o mt h et r a i nb e c a u s et h ef o r ma n ds p r e a d s p e e d so fh o ts m o k ef i l l e dt h e c o m p a r t m e n tw e r ev e r yq u i c k s oa tt h ee a r l ys t a g eo ft h ef i r e ，i t sv e r yi m p o r t a n tt o d e t e c ta n dc o n t r o le f f e c t i v e l yt h ed e v e l o p m e n to ft h ef i r e w h e nt h ei n e v i t a b l ef i r et o o k p l a c e ，t h et r a i nm u s tb es t o p p e di m m e d i a t e l ys ot h a tt h ep e o p l ec o u l dl e a v es a f e l yf r o m t h et r a i n t h e r e f o r e ，t h ef o l l o w i n gr e c o m m e n d a t i o n sf o rb e t t e rp r o t e c t i o nf i r ed e s i g na n d s a f e t ym a n a g e m e n tc o u l db em a d ef o rt r a i nc o m p a r t m e n tf i r e ： 1 ) i nt h et r a i nc o m p a r t m e n t , s m o k ed e t e c t i o ns y s t e mm u s tb ei n s t a l l e dw h i c h i n t e g r a t e dw i t ht h ev i d e oc a m e r am o n i t o r i n gs y s t e ma n d t h eo p e n i n gm e c h a n i s m so ft h e d o o r s 2 ) t h et r a i nm u s tb es t o p p e di nc a s eo ff i r e ，a n do p e nt h ed o o rs ot h a tt h e p a s s e n g e r sc o u l dl e a v es a f e l yf r o mt h et r a i nq u i c k l y 3 ) s m o k ec o n t r o ls y s t e m ss h o u l db ei n s t a l l e di nt h et r a i nc o m p a r t m e n tw h i c h s u p p l i e df r e s ha i r 8 0t h a tt h es m o k el a y e rk e e pa tah i g hl e v e l ，i no r d e rm a tt h e p a s s e n g e rc a ng e te f f e c t i v e l ya w a y k e y w o r d s ：l a r g ee d d ys i m u l a t i o n , s m o k em o v e m e n t , s u b g r i ds c a l em o d e l ，t r a i n c o n f i n e ds p a c e ，f i r e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入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，也不包含为获得重迭太堂 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： 到来峰 签字日期： 渺年乡月2 步日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权重庭太堂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( ) ，在主年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 口 ( 请只在上述一个括号内打“ ) 学位论文作者签名：刮未峰 签字目期：沙噼年歹月衫日 导师签名： 签字日期：砂呼年，月专7 日 1 绪论 1绪论 1 1 引言 火灾是燃烧失去控制后四处蔓延的一种灾害性现象，自人类有史以来，火灾 就成为人类最持久、最剧烈的灾害之一。在经济高速发展的现代社会，火灾的科 学防治已经成为社会安全保障的重要组成部分。然而，由于火灾现象自身的复杂 性，以及科学理论和科技手段等方面的限制，人类对火灾的科学认识在历史上长 期停留在表象观察和数据统计层次上，一直未能形成以揭示火灾复杂性本质为目 标的相应学科。2 0 世纪7 0 年代以来的二三十年间，迅速崛起的燃烧理论、科学计 算技术、非线性动力学理论、系统安全理论、宏观与小尺度动态测量技术，以及 信息技术等，为系统地针对火灾复杂性问题进行科学攻关提供了充分的理论支持 和技术手段，从而为火灾安全科学的发展创造了良好的契机。世界主要发达国家 在8 0 年代后期以来都开始针对前沿性的火灾科学问题开展国家级研究和国际间合 作，各国的火灾科学研究基地不断扩大，国际火灾安全科学学会( i n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o no ff i r es a f e t ys c i e n c e ，i a f s s ) 以及各地区性的火灾科学技术协会也相 继成立，致力于团结各国的研究人员协力开展前沿性火灾安全科学研究。作为一 门以火这一古老现象为基本研究对象的新兴学科，火灾安全科学以其鲜明的前沿 性，交叉性和挑战性，已经逐步发展成为一个特色鲜明、充满生机与活力的工程 科学领域。 2 0 世纪中叶以来，战后的全球在经济复苏的同时也越来越感受到火灾的威胁， 火灾的剧烈程度与经济的发达程度往往呈现出正相关关系，经济发达地区的火灾 造成的损失一般远高于经济不发达地区。以我国1 9 9 9 年的火灾数据为例【1 】，图1 是我国在该年的火灾直接损失( d i r e c tp r o p e r t yl o s s e s ，d p l ) 情况( 不含森林、草 原、军队火灾) ，其中阴影标识的省份分别是我国沿海经济发达的江苏，浙江，福 建，山东和广东。可以看出，在这些经济发达地区相应的火灾损失比其他经济较 不发达地区的火灾损失要大得多。以上5 个省份在1 9 9 9 年全年共发生6 05 4 9 次 火灾，导致l0 1 7 人死亡，受伤15 8 2 人，并造成5 3 0 x1 0 8 元直接财产损失，这 三项损失指标分别占中国当年总损失的3 7 1 ，3 4 6 和3 7 ，3 4 7 的特( 重) 大火灾发生在这5 个省份，造成的损失占全国特( 重) 大火灾损失的3 5 5 。大规 模的森林和草原火灾在造成重大生命财产损失的同时，还往往对生态环境产生恶 劣影响。1 9 9 7 年的印度尼西亚森林火灾所产生的污染性烟尘波及一些东南亚国家， 严重影响了这些国家正常的生活节奏，大火造成的生态平衡破坏给东南亚气候变 化带来长期影响：1 9 8 7 年的大兴安岭火灾和1 9 9 6 年的内蒙古森林草原火灾，都 重庆大学硕士学位论文 给我国的生态环境造成了严重破坏。无论是在当今中国还是在其它国家，减少火 灾对生产、生活及资源环境的危害都已经成为国家的重大需求。要满足这一重大 需求，科技减灾是必由之路。火灾科技防治的总体目标是通过发展先进的火灾防 治技术，并依赖科学的火灾安全工程设计体系和火灾的科学管理与应急预案体系， 来实现火灾防治有效性和经济性的科学统一。 _ bc def ghijk1m op qrltuv w xyz a b c d e 雷市 图11 9 9 9 年中国各省、自治区、直辖市火灾直接财产损失比较 f i g 1c o m p a r i s o no ft h ef i r ei n d u c e dd p lf o ra l lp r o v i n c e si nc h i n a ( f l o r a t h e d a t a o f l 9 9 9 ) 火灾过程是一种具有复杂性本质的科学研究对象，其孕育、发生和发展包含 着湍流流动、相变、传热传质和复杂化学反应等物理化学作用，是一种涉及物质、 动量、能量和化学组分在复杂多变的环境条件下相互作用的三维、多相、多尺度、 非定常、非线性及非平衡态的动力学过程，该动力学过程还与作为外部因素的人、 材料、环境及其它干预因素等发生相互作用。火灾的复杂性包括两方面的内容： 火灾的确定性。这里所说的确定性，是指所考察的火灾动力学系统其环境条件 和火源条件均已给定，从而对该系统火蔓延过程和烟气运动的动力学描述在数学 上是确定的。这种确定性火灾动力学系统在物理和数学上表现出来的复杂性源于 火灾系统自身各构成要素之间的耦合性和时空的非均匀性等非线性作用，以及火 灾系统与其外部因素的耦合构成的非线性作用。火灾的随机性。当火灾被作为 一种灾害事故来看待时，从总体上看，其发生原因、发生形式、发生环境、可燃 物种类及其分布等诸多因素是不确定的，这就形成了火灾发生和发展的随机性。 随机性是构成火灾复杂性的另一方面的重要内容，也是一般灾害现象共有的特征。 对火灾的科学认识实际上就是对火灾的确定性和随机性这两种复杂性的深入 2 柏 筠 o l l t 泼io一交蓐窍留是蠲 1 绪论 认识。认识这两种复杂性的科学手段截然不同。研究火灾确定性规律的手段是模 拟，包括试验模拟和计算模拟，描述方法是运用体现质量，动量，能量以及化学 反应基本规律的微分方程或其简化形式；研究火灾随机性规律的手段是统计，描 述方法是概率论。火灾安全科学的任务就是要科学地认识火灾系统的复杂行为， 并发展相应的技术原理以对这种复杂性行为加以合理的控制和利用。 1 2 火灾安全科学研究方法简介 火灾现象本质上是失去控制并造成危害的燃烧，火灾安全科学则主要致力于 研究环境条件不断变动的失控燃烧现象，即火灾现象。就火灾体系的可燃物和几 何条件的复杂性和多变性、火灾体系受环境和气象因素影响的程度、火灾体系与 灭火手段的相互影响、以及火灾体现与人的行为的相互影响等方面而言，火灾过 程要比一般的燃烧过程复杂得多，所以火灾问题的研究非常复杂。 火灾的模拟研究是现阶段常用的研究方法，其理论基础是承认火灾过程遵循 确定性【2 】的规律，这种规律既可以在模拟实验中再现，也可以抽象成控制火灾过程 的数学表达式( 微分方程或代数方程) ，可以通过简化和近似，逐个研究影响火灾 的各个分过程和各主要因素的作用，逐步揭示火灾的机理和规律。一种是小尺寸 模拟实验研究，例如，用受限空间相似模型中的烟气运动模拟室内火灾烟气的运 动【3 4 】。另一种模拟研究方法是计算机模拟，在计算机模拟理论方面，作为三种主 要的火灾烟气流动模拟方法，区域模拟( z o n em o d e l i n g ) 、场模拟( f i e l dm o d e l i n g ) 和场区网模拟( f i d d z o n e - n e t w o r km o d e l i n g ) 的研究已经获得了很大的进步。 区域模拟( z o n em o d e l i n g ) 是以受限空间中的火灾过程作为研究对象的一种 半物理模拟。8 0 年代初，美国哈佛大学的埃蒙斯( h w e m m o n s ) 教授第一次运 用质量、能量和动量守恒的原理，用数学分析的方法描述了火灾过程，奠定了区 域模拟的理论基础。区域模拟把所研究的受限空间划分为不同的控制容积( 即区 域) ，并且假定各个控制容积内的参数是均匀的。通常，对于室内火灾的划分方式 是两区域模型，即上层的热烟气区和下层的冷空气区。区域模拟中，区域之间的 质量交换认为主要由羽流( p l u m e ) 和通风口的掺混作用造成。区域模拟已经经历 了相当长时期的发展，成为许多实际火灾问题的工程计算的基础，在火灾安全设 计中扮演着重要的角色。虽然区域模型取得了引人瞩目的成功，但是仍然存在着 许多缺附5 】：首先，区域模型对于所发身的火灾环境，只能提供有限的信息。由于 各参数变量在所划分的区域内取平均值，因而对于重要的空间尺度的分辨率低， 因而不能跟踪火灾场景中一些重要的局部效应。其次，区域模型的主要缺陷在于 必须事先了解流动构造的知识，但这些知识需要从实验或相关理论论述中得到， 所以对于每一种特殊火灾场景而言，区域模拟所涉及的假设都要进行验证，这就 3 重庆大学硕士学位论文 意味着区域模型的发展永远都离不开实验研究的支持。再次，区域模型对于所研 究的火灾问题的准确性不高。例如，对于具有复杂几何空间的室内火灾，就很难 使用相应的区域模型进行研究。最后，当所划分区域内的参数发生细微变化时， 区域内的流动构造也会发生相应的变化，这就可能导致预先假设的区域模型无效， 从而产生错误的结果。 随着计算流体力学( c f d ) 的迅速发展，它也开始应用于火灾科学的研究， 即是火灾问题的c f d 模拟或场模拟。场模拟方法提供了一种更加符合实际的火灾 模拟研究的途径。场模拟的理论依据是质量守恒、动量守恒、能量守恒以及组分 浓度守恒定律。火灾过程中的物理状态参数的变化遵循着上述守恒定律，场模拟 方法对所研究的火灾场景采用较高的空间和时间分辨率，并对上述守恒方程进行 数值求解，可得到相关变量的分布。在理论上，场模拟方法能够提供火灾整个过 程的信息，以及火灾流场任意给定点上的局部特征，但是场模型的计算成本远远 高于区域模型。同区域模拟相比，场模拟方法有下述特点【5 】：首先，场模拟在时间 和空间上的分辨率高于区域模拟，故而能够跟踪火灾场景中的一些重要的局部效 应。其次，场模拟方法所遵循基本的物理原则和热力学定律，对于任何考虑的体 系都满足。在理论上，场模拟方法将流动结构和火灾环境的改变都考虑在内，因 而适用于任何情形。再次，场模拟对所研究的火灾现象的准确度比区域模型高。 最后，场模拟对于任何参数设置的流动结构都能有效进行模拟，提高了研究的精 确度。 1 3 课题的提出 铁路旅客列车是目前最适合我国国情的重要的交通工具。但是由于车厢密度 大，活动空间小，列车处于高速运动状态，一旦发生火灾，火势发展迅速，燃烧 蔓延快，火灾引发的烟气在车厢内会迅速地蔓延，并在短时间内充满整个车厢， 造成重大人员伤亡和经济损失。当车厢内发生火灾时，在短时间内所产生的大量 的燃烧热和浓密的烟雾，以及各种新型高分子合成材料燃烧时产生的有毒和刺激 性气体，是造成人员伤亡的主要原因。同时混杂着高温可燃性气体的烟气的迅速 流动，容易引起火势的进一步蔓延和扩大，造成更大的损失。因此，研究列车车 厢内的火灾烟气的产生、流动特征和温度场的分布规律，对于列车火灾的研究和 防治有重要的意义。 目前国内对于列车火灾烟气的研究主要是采用实物模型实验，杜红兵等人【3 】 在1 9 9 8 年利用火灾科学国家实验室燃烧风洞提供的流场，模拟运行列车的速度场， 以国标y w 2 2 车厢的1 5 缩尺模型为研究对象，定量测试了模拟运行列车车厢内 烟气的温度场，定性考察了火灾时烟气的流动和蔓延特性。徐志胜等人【4 】以相似理 4 l 绪论 论为依据，以旅客列车卧铺车厢1 ：5 的模型为研究对象，利用燃烧风洞提供的流场 模拟列车在隧道中运行的速度场，进行了旅客列车隧道火灾模拟实验。 采用数值模拟方法对列车车厢内火灾进行研究，从目前国外的相关文献来看， 尚未得到足够的应用；从国内来看，在这方面的研究仍属于空白，因而将列车车 厢内火灾的数值模拟研究作为研究课题的提出，对于火灾安全科学的研究方法用 于我国旅客列车消防研究工作而言，其具有重要的意义。随着计算流体力学( c f d ) 的迅速发展，开始应用于火灾科学的研究，即火灾问题的c f d 模拟或场模拟。场 模拟方法能够提供受限空间火灾整个过程的信息，以及火灾流场任意给定点上的 局部特征，因此场模拟方法提供了一种更加符合实际的火灾数值模拟研究的途径。 近年来，大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 技术作为一种较新的场模拟方法， 为火灾安全问题的研究提供了一种新的可行的途径。目前，国内外许多火灾安全 工作者将大涡模拟数值方法用于室内火灾问题的研究【扣1 2 】，得到了许多有用的结 论。 本课题首次采用大涡模拟数值方法对列车车厢内火灾过程进行数值研究，以 期得到有价值的结论，为我国旅客列车火灾防护设计和安全管理方面提出有益的 建议。 1 4 国内外研究现状 室内( 受限空间) 中发生的火灾对人员的生命财产有直接的危害，其主要影响因 素是热、烟尘，缺氧、一氧化碳和二氧化碳中毒。对这类火灾的研究，除了真实 火灾时的测量记录外，一般只能借助于模拟实验，然而这一方法费用高，准备周 期长，而且难以做到与真实情况完全相识，只能提供定性的参考数据。随着计算 机技术在各学科中得到广泛的应用，已成为非常活跃的新兴学科和有力的研究手 段。用数值方法模拟火灾现象( 例如热空气的流动和烟尘的传输) 与实验研究相 比，具有代价低廉，信息完整的优点，在火灾科学中得到了广泛的重视，并取得 了显著的成功。 在火灾安全工程研究领域里，区域模拟经过相当长时期的发展，已成为一种 比较成熟的方法。区域模拟作为许多实际火灾问题的工程计算的基础，在火灾安 全设计中扮演着重要的角色。虽然区域模型取得了引人瞩目的成功，但是仍然存 在着许多缺陷【5 】，比如无法得到流场的细节，对于复杂几何形状的空间的火灾问题 的解决难度很大。近年来，在火灾问题数值模拟的研究方面，场模拟或c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 计算流体动力学) 技术的开发和应用取得了相当 大的进步。场模拟方法作为一种室内火灾数值模拟方法，显示了它相对于区域模 拟方法的极大的优越性【5 】。场模拟方法提供了一种更加符合实际的火灾模拟研究的 5 重庆大学硕士学位论文 途径，其理论依据是质量守恒、动量守恒、能量守恒以及组分浓度守恒定律，火 灾过程中的物理状态参数的变化遵循着上述守恒定律。场模拟方法对所研究的火 灾场景采用较高的空间和时间分辨率，并对上述守恒方程进行数值求解，可得到 相关变量的分布。理论上，场模拟方法能够提供火灾整个过程的信息，以及火灾 流场任意给定点上的局部特征。 1 4 1 室内( 受限空间) 火灾问题场模拟研究现状 在室内( 受限空间) 火灾过程中，由于存在较大的烟气温度梯度，火灾流场 及烟气输运过程是带有明显密度变化的湍流流动。目前火灾问题场模拟方法中， 可按照各自处理湍流流场现象方式的不同而进行分类，其中最主要的两种模拟方 法是雷诺平均均数值( 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 s ，r a n s ) 模型和大涡模拟 ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 模型。 室内火灾r a n s 场模拟方法的应用研究现状 在大量实际火灾安全工程问题的研究中，r a n s 场模拟方法主要使用的是 k 一占两方程封闭式湍流模型【l 扣1 9 】，其中常用的是标准k s 湍流模型和k s 修正 湍流模型。c h e r t 2 0 】使用五种不同版本的k f 修正湍流模型，对室内气流的自然对 流、强迫对流和混合对流三种情况进行数值模拟预测。在研究中发现这些模型的 通用性较差，任一模型都只适用于某一种流动模式，而对其余流动模式的适用性 很差；同时存在数学求解过程很复杂和数值稳定性较差的问题。y u e n 等人【2 l 】用 r a n s 场方法对单室的火灾进行了数值计算，计算过程中使用带有浮力修正项的 k g 两方程湍流封闭式和l a m i n a rf l a m e l e t 燃烧模型，并将计算值与l e w i s 等人田】 的计算结果和s t e c k l e r 等人【2 3 】的实验数据进行比较，模型的计算结果与他人的计算 和实验值比较吻合。 国内陈大宏等人【2 4 1 运用火灾场模型f i r e3 d 2 5 1 ，对单层多房间建筑室内火灾进 行了数值模拟的验证性研究，并将模型的计算值与l u o 和b e c k 2 6 】的实验结果进行 了比较。在文中，湍流采用标准k 一占双方程封闭式，同时考虑了火灾的燃烧过程， 使用了基于l a m i n a rf l a m e l e t 的燃烧模型，火焰的燃烧特性完全用该模型自己处理， 多房间建筑内的热辐射的计算则使用d o m ( d i s e r e to r d i n a t e sm e t h o d ) 方法，所得的 模拟结果与l u o 和b e c k 的实验值吻合很好。孟岚等人【27 】运用p h o e n i c s 程序对 国际标准化组织i s 0 9 7 0 5 公布的火灾标准实验房间( 单室) 尺寸和火灾释热率进 行了数值研究，主要针对火源位于房间中间和里侧一个角落两种情况进行了数值 模拟，分析和讨论了火灾流场中湍流、燃烧和浮力的相互作用。在文中对于浮力 引起的火焰羽流，对其不同的燃烧区域采用了e d c 模型，同时采用标准k g 双方 程湍流模型对火灾湍流燃烧流场进行了模拟。颜峻等人【2 8 】采用带有浮力修正的 k s 湍流模型，e d d yd i s s i p a t i o n a r r h e n i u s 湍流燃烧模型和p 1 辐射模型，对单室 6 1 绪论 火灾中的流动、传热和燃烧过程进行了数值模拟，得到了与实验数据较为符合的 计算结果。 虽然r a n s 场模拟方法在火灾研究中得到了广泛的应用，但是存在着根本的 局限性将流场非稳态控制方程对时间作平均，得到关于时均物理量的控制方 程，k 一占湍流模型是在控制方程雷诺时均的近似处理的基础上发展起来的。按照 湍流的涡旋学说，湍流的脉动和混合主要是由大尺度的涡造成的【2 9 删，大尺度的 涡从主流中获得能量，并通过相互作用把能量传递给耗散能量的小尺度的涡。 u u n s 方法的时均处理，有可能对在湍流输运中起主导作用的大尺度涡的模拟预测 产生相当大的误差。例如，在火焰羽流的边缘上存在着大尺度涡，并对烟羽流上 升流动起明显的主导作用，然而p , a n s 的时均处理使其烟气输运过程没有得到足 够的数值分析，而失去了大量的紊流脉动信息。同时在黜蝌s 场模拟中，通过对 雷诺时均控制方程的求解，只能得到火灾流场的统计平均量，如平均速度场，平 均温度场等，而无法得到湍流大尺度脉动信息。 室内火灾问题大涡模拟( l e s ) 的应用研究现状 按照湍流的涡旋学说，湍流的的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大 尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡；小尺度的涡主要作用是消耗能 量，它们是各向同性的。大涡模拟技术最早是由s m a g o r i n s k y 3 1 】和d e a r d o r f f 3 2 】提出 的，指出计算大涡的量不能简单使用n a v i e r - s t o k e s 方程，必须引入滤波函数来修 改n s 方程，使高波数的波被截断，但是能量传递过程仍保留，即允许能量从大 尺度涡传递给小尺度涡。大涡模拟的基本思想是在流场的可分解的大尺度结构和 不可分解的小尺度结构之间选择一滤波特征尺度对控制方程进行过滤操作，控制 方程中的所有变量分成大尺度量和小尺度量。对大尺度量直接进行数值模拟，由 于小尺度结构具有各向同性的特点，对小尺度量采用统一的s g s 亚格子模型进行 模式假定。大涡模拟方法本质上是三维非稳态流动求解，能够提供关于湍流状态 的详细信息，特别是大尺度的脉动信息。同时对脉动信息进行统计计算可给出所 有统计平均量，在数据后处理阶段以用于紊流流场分析。l e s 技术主要在三维空 间进行求解且能够获得大量的紊流流动状态信息，需要精细的网格分辨率和确定 合理的时间步长，因此耗费的计算时间明显比r a n s 的所需时间长。 近年来，l e s 场模拟技术逐渐应用于火灾问题的研究，为火灾安全问题的研 究提供了一种新的可行的途径。b a u m 和他的合作者【邸 9 】将大涡模拟应用于火灾 的模拟，作了大量的工作，并取得了令人期待的成果。他们提出了关于