（安全技术及工程专业论文）室内火灾数值模拟.pdf

中北大学学位论文 州u m e n c a l s l m u l a u o n0 tm d o o rt i r e t1 一 a b s 仃a c t i nav a r i e t yo ff i r e ，i n d o o rf i r eh a st h eb i g g e s ta n dm o s td i r e c th a r mt op e o p l e b u i l d i n g a l lt y p e so fp e o p l ee n g a g e di np r o d u c t i o na n dl i f eo ft h em a i np r e m i s e s ，p r o p e r t yi sa l s o e x t r e m e l yc o n c e n t r a t e da r e a s ，b e c a u s et h ec o n s t r u c t i o no fi n d o o rf i r ed a m a g ec a u s e dv e r y s e r i o u sa n dd i r e c ti m p a c to l lh u m a nl i f ea n ds a f e t y h o wt oa d v a n c et h ed i f f i c u l tp r o b l e mt o f i r es c i e n c ea n dv a l i d i t yo fi n d o o rf i r ep r o t e c t i o ni sas c i e n c er e s e a r c h e r i ti st h em o s tn e e d e d s o l u t i o nt or e s e a r c ht h ep r o c e s sa n da r a c t e r i s f i co ff i r ea n dt ou s ei td u r i n gd e s i g nb ys t a r t i n g f r o mf u n d a m e n t a ls t u d y o nt h eb a s i so fe a r l i e rr e s e a r c ha c h i e v e m e n lt h i sp a p e ra d v a n c e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o n o ff i r es o u r c e a f t e ra n a l y z i n gt h em a n n e ro fd i f f e r e n tf i r es o u r c ei tc h o o s et h em o d e lo ff i r e s p r e a do nh o r i z o n t a l i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef i r e ，t h ef i e l ds i m u l a t i o n , r e g i o n a l s i m u l a t i o nh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s ，t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ew i l ls i m u l a t e t h et w ot o g e t h e r , p l a yt ot h e i rr e s p e c t i v es t r e n g t h s ，o v e r c o m et h e i rs h o r t c o m i n g s i nt h i sp a p e r , t h ei n d o o rf i r ep r o c e s so fu s ef i r eo fs o f t w a r e ( f l u e n t , c f a s t ) ，at y p i c a la r c h i t e c t u r ea n d i n t e r i o rs t r u c t u r ef i r el o a da sa ne x a m p l e ，t h eu s eo ff i e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n tt h e c o n s t r u c t i o no ft h es w i t c ht os i n g l e - r o o md o o r , w h e t h e ro b j e c t sa n ds m o k ec o n t r o lo fg a st h e i m p a c to f f l o wa n d t e m p e r a t u r e c f a s t l l s eo f r e g i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef o ras i n g l e r o o m o b j e c t sa n do b j e c t sw e r eb u r n i n gi g n i t e dt h es i m u l a t i o n , am u l t i - r o o ms p r i n k l e rs y s t e mi nc a s e t h e r e ss m o k ea n dt e m p e r a t u r es i m u l a t i o n t oa c h i e v et h ed e v e l o p m e n to fi n d o o rf i r et h e t w o - d i m e n s i o n a lf i e l ds i m u l a t i o ns t u d i e sa n dr e g i o n a ls i m u l a t i o n t h r o u g ht h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n db u i l d i n gf i r ea n ds m o k ec o n t r o lf l o wo fc o n t r a s t , r e f l e c t st h eb a s i cs i m u l a t i o n c o n f i r m e dt h ef i r es m o k ef l o w s t h i sa r t i c l eo ni n d o o rf i r et os i m u l a t et h ep r o c e s s ，i ti sv a l u a b l ef o ra n a l y z i n gt h e f a t a l n e s so fc o m p a r t m e n tf i r ea n de v a l u a t i n gt h ef i r ep r o t e c t i o nd e s i g n k e y w o r d s ：s m o k es p r e a d ，s m o k ec o n t r o l ，f i r es i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：盈坠腿 日期： 纱妒蔓2 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 1 31 1 1 1 ：一一绁衣争2 2 - 日期：呈! ! 丛丛支：_ 西： 中北大学学位论文 1 1 火灾概述 1 绪论 “火灾”，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火 灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利 用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来光明和温暖。但是，失去控制 的火，就会给人类造成灾难，所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相 生的。人们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造 成的危害。对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下 的经验。 火灾发生的原因包括：雷击起火、自燃起火、使用明火不慎以及使用电器不当等。 其根本是要有点火源、可燃物、助燃物，燃烧便很容易发生。上述三个条件通常称为燃 烧三要素。 1 2 课题研究背景 在人们的生活和生产过程中，火发挥了非常重要的作用。火的使用不仅改善了人类 的饮食和取暖条件，而且不断促进社会生产力的发展，使人类创造出了大量的社会财富。 火对人类文明的进步做出了重大贡献，如果一旦让火在具备燃烧条件的地方自由发展， 它就会四处蔓延，吞噬那里的各种可燃物质。往往由于一场火灾，人们辛苦多年创造和 积累的财富转瞬间化为灰烬，千百年形成的茂盛森林几天内就变成荒野。火灾的可怕主 要是火灾过程中材料燃烧产生的后果明显威胁到人员性命，无论是对火灾燃烧区域内及 邻近区域的人员，其相对严重性依每次火灾状况而定。火灾对于人生命安全效应概述如 下； 1 ) 氧气耗尽( o x y g e nd e p l e t i o n ) 一般人习惯在2 1 氧气浓度的大气下自在活动。当氧浓度低至1 7 0 5 ，肌肉功能会减 退，此为缺氧症( a n o x i a ) 现象。在1 0 , - 一1 4 氧气浓度时，人仍有意识，但显现错误判断 中北大学学位论文 力，且本身并不察觉。在6 8 氧气浓度时，呼吸停止，将在6 8 分钟内发生窒息 ( a s p h y x i a t i o n ) 死亡。由火灾引起的亢奋和活动量增加往往增加人体对氧气的需求， 所以实际上在氧气浓度尚高时，即可能已出现氧气不足症状。一般人存活的氧气浓度低 限为1 0 ，然而能否到达这个程度及多快到达，则依每次火灾及燃烧系内不同位置而异， 因为氧气浓度受可燃物浓度、燃烧速度、燃烧系体积及透气速率所影响。 2 ) 火焰( f l a m e ) 烧伤可能因火焰的直接接触或热辐射引起。由于火焰很少与燃烧物质脱离，所以对 邻近区域内人员常产生直接威胁，这点与燃烧气体及烟不同。皮肤若维持在温度6 6 ( 1 5 0 * f ) 以上或受到辐射热3 w c m 2 以上，仅须1 秒即可造成烧伤，故火焰温度及其辐 射热可能导致立即或事后致命。 3 ) 热( h e a t ) 热对于燃烧系内及邻接区域的人员皆具危险性。姑且不论任何氧气消耗或毒害性效 应，由火焰产生的热空气及气体，亦能引致烧伤、热虚脱、脱水及呼吸道闭塞。生存极 限的呼吸水平温度( b r e a t h i n gl e v e lt e m p e r a t u r e ) 约为1 3 1 c ( 3 0 0 * f ) ，但室内气温高达 1 4 0 c 时人仍能存活短暂时间。呼吸水平高度( b r e a t h i n g l e v e l h i g h ) ，从地板向上算起一 般约为1 5 公尺以上的距离，有时居室人员中儿童占有显著比例时，安全设计上则采用 1 2 公尺水平高。对于呼吸而言，超过6 6 c 的温度便难以忍受，此温度区域可能会使消 防人员救援及室内人员逃生迟缓。 4 ) 毒性气体( t o x i cg a s e s ) 一般高分子材料的热分解及燃烧生成物成分种类繁杂，有时多达百种以上，然而对 人体生理有具体毒性效应的气体生成物仅是其中一部分，如表1 1 所列举。这些气体的 毒害性成分基本上可分为三类： 窒息性或昏迷性成分； 对感官或呼吸器官有刺激性之成分； 其它异常毒害性成分。 虽然从火灾死亡统计资料得知，大部分遇难者是因吸入一氧化碳等有害燃烧气体致 死，但有时不宜过于强调，因为没有一次火灾情况是相同的。此外一部分火灾试验也显 2 中北大学学位论文 示有许多情况下任何一种毒害气体尚未到达致死浓度之前，最低存活氧气浓度或最高呼 吸水平温度即已先行到达。 表1 1 有机高分子材料燃烧产生的毒性气体 成份来源材料 锨锄 所有有机高分子材料 i i c n , n o , n 0 2 。憾 羊毛，皮革，聚丙烯睛，聚尿酯，耐龙，胺基树脂等 s 0 2 。h 鑫。e s 2 硫化橡胶，含硫高分子材料，羊毛 氍l 。砰。髓r 聚氯乙烯，含卤素防火剂高分子材料，聚四氟乙烯 烷。烯 聚烯类及许多其化分子 苯 聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚酯等 酚，醛 酚醛树脂 丙烯醛木材，纸 甲醛 聚缩醛 甲酸，乙酸纤维素纤维织品 5 ) 烟( s m o k e ) 烟的定义为“材料发生燃烧或热分解时所释放出散播于空气中的固态，液态微粒及 气体”。烟是火灾燃烧过程中一项重要的产物，因为能见度是避难者能否逃出发生火灾 的建筑物，以及消防人员能否找到火灾起火源、扑灭火灾的影响因素。烟会助长惊慌状 况，因为它有视线遮蔽及刺激效应。在许多情况，逃生途径上烟往往比温度更早达到令 人难以忍受程度。 6 ) 结构强度衰减( s t r u c t u r a ls t r e n g t hr e d u c t i o n ) 因热辐射、火烧造成建筑物的结构组件破坏具有明显潜在危险性。可能发生的情况 有脆弱化，地板承受不起人员重量，或墙壁、屋顶崩塌。另外，火灾对结构的破坏，有 时不易单从外观察觉，因此火灾后结构强度衰减程度的评估相当重要。建筑物因结构受 火烧而崩塌毁坏的情况不多，但不可轻视建筑物受到第二次外来灾害( 如地震) 可能发 生的危险。 3 中北大学学位论文 以上的这些危害只是对人体的危害，而火灾对经济上的危害更加严重。2 0 0 8 年1 月1 6 日，公安部消防局发布的数据显示：2 0 0 7 年，全年共发生火灾1 5 9 万起( 不含森林、 草原、军队、矿井地下部分火灾) ，死亡1 4 1 8 人，受伤8 6 3 人，直接财产损失9 9 亿元， 与上年相比，起火数、死亡和受伤人数分别下降3 0 7 、1 1 6 和4 0 8 ，损失上升2 1 7 。 根据世界火灾统计中心的研究，如果火灾的直接经济损失占国民经济总值的0 2 ，那 么整个火灾损失将占国民经济总值的1 。 随着我国经济的快速发展给人们的生产和生活方式带来了显著变化，人员聚集场 所、易燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，并且随着建筑材料科学的发展，人们研 制出各种各样的复合建筑装饰材料，从目前的统计可以看出，大多数为高分子可燃易燃 物，如增强纤维酚醛泡沫塑料、聚苯乙烯、增强纤维胶木等等。这些因素带来了建筑火 灾数量和隐患的增加，使得传统的防护技术和灭火技术( 登高平台消防车主要适用于高 空喷水、登高作业、抢险救援等。由于城市的高层建筑越来越多，因此这种车辆在大城 市灭火应用中发挥着极为重要的作用。目前世界上登高车最高的工作高度是9 0 米，消 防车最高可灭火2 4 层楼) 无法满足人们对火灾安全的需要。这就要求加大对火灾科学 的研究。根据我国消防部门的统计资料，建国以来，全国火灾次数和火灾损失都呈现出 上升的趋势。图1 1 给出1 9 5 0 年以来中国火灾直接经济损失与g d p 增长间的变化关系。 图1 2 给出2 0 世纪9 0 年代以来火灾伤亡人数m 。从图中可以清晰地看出，火灾的发生 对国民经济的影响巨大，对火灾的防治，是可以很好的促进社会的发展、国家的稳定。 缏 刍1 2 0 0 0 0 截 臻 翥一 鬟 鬣 _ 卜巍接材产援失 掰内垒j 批盛缓 0 皿 1 9 5 9 r 一 盎躞。 仁 继 - 2 、 翘 确 k 龋 童 毽 图1 1中国火灾直接经济损失与g d p 增长问的变化关系 4 中北大学学位论文 爱 。 舔 蓑 图1 22 0 世纪9 0 年代以来火灾伤亡人数 火灾的模拟，就是研究火灾在一定条件下孕育、发生和发展的机理与规律。模拟研 究的理论基础是承认火灾过程遵循确定性的规律，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) 。模拟研究的意义在于， 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，如用小型受限空间中的烟气运动模拟室内火灾烟气的运动等。火灾 模拟分实验模拟与计算机模拟两类。实验模拟研究一般是在某种近似条件下进行的，但 是，由于火灾过程的复杂性，严格的相似准则往往很难建立，实验模拟方案所包含的近 似必然导致研究结果与实际的偏离。火灾的孕育、发生、发展和蔓延的过程包含了流体 流动、传热传质、化学反应和相变，涉及质量、动量、能量和化学成分在复杂多变的环 境条件下相互作用，其形式是三维、多相、多尺度、非定常、非线性、非平衡态的动力 学过程，因此进行火灾的相似实验模拟必然具有一定的难度。电子计算机的出现，为人 们认识火灾规律提供了新的方法。近年来，计算机模拟成为火灾研究中的重要内容之一， 一些有效的数学分析和数理统计方法引入到了火灾科研体系之中。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 境乃至大气环境的影响。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性模型再到物理模型的科学发展历程。统计模型只对火灾实验进行 统计描述；经验性模型则基于能量守恒原理建立火灾系统的数学描述，但不考虑火灾过 程中的动态的传热传质过程；物理模型则要详细考虑控制火灾过程的热传导、热对流、 热辐射、可燃物热解、质量输运和着火过程w 1 。 5 中北大学学位论文 1 3 室内火灾研究发展状况 1 3 1 国外火灾模拟研究发展状况 经济社会发展带来的消防安全需求和科学技术的不断进步，推动了火灾科学和消防 技术的长足发展。1 9 世纪末、2 0 世纪初电气控制技术与水力学的发展，促进了自动喷 水灭火系统的出现和灭火控制技术的应用。2 0 世纪4 0 年代以后，控制燃烧系统预测技 术的显著进展，使得消防工程工具逐步得到应用。6 0 年代至7 0 年代，世界范围内一系 列灾难性的高层建筑火灾，极大地促进了对高层建筑中烟气运动规律的研究，使更为系 统化的人身安全设计方法在建筑设计中得到应用。1 9 8 5 年，庄斯特教授出版的火灾动 力学导论对此前1 0 年间与室内火灾特性有关的消防工程基本原理研究成果进行了总 结。8 0 年代后期，旨在提高消防投资效益、扩大国际贸易和促进新材料使用的性能化防 火设计方法开始得到研究和应用，并涌现出了大量用于分析和评价火灾风险的火灾模 型。火灾模拟研究可以追述到上个世纪6 0 年代，在过去的几十年里，各式各样的火灾 模型不断改进、完善，并已用来指导建筑规划、防火设计、消防和人员疏散等。 美国哈佛大学的埃蒙斯( e m m o n s ) 教授首次提出了区域模拟理论，既把所研究的 空间分成少数几个区域，然后根据火灾各个分过程的理论与实验数据，确定这些过程对 各区域中典型火灾参数的影响，以求得该类参数在建筑物内部随时间的变化和分布。这 种理论可以较好地反映出火灾发展的整体特征。8 0 年代初，埃蒙斯采用数学分析的方法， 创造性地把质量守恒、动量守恒和能量守恒原理以及化学反应原理应用于建筑火灾的研 究之中，奠定了区域模拟的理论基础，后被称作“火灾科学之父 。 在埃蒙斯研究的基础上，国外火灾研究从7 0 年代初期开始出现由单纯着眼于扑救 到探讨火灾机理的重大转变。美国、英国、日本、俄罗斯等许多国家都在原有基础上相 继建立了多层次的从事火灾应用基础研究的机构，促进了火灾机理研究的进程。初期阶 段研究的重点是如何用数学语言来描述在火灾成长和传播过程中观察到的各种现象，即 数学建模。这些专题性的描述只能分别表现火灾特性的一小部分，把它们综合起来就形 成一个完整的火灾数学模型，最终实现计算机模拟，输入相关的参数终端将输出模拟结 果。据f r i e d m a n1 9 9 2 年的统计，目前建筑火灾计算机模型共有7 4 种，包括：室内火灾 的区域模拟、室内火灾的场模拟、火灾动力环境( 主要是温度) 的模拟、火灾烟气流动的 6 中北大学学位论文 模拟、计算火焰生长速度的模型、预测火灾极限( 轰燃) 模型、描述探测器和喷淋装置在 火灾中的反应的模型、人员安全疏散模型、计算建筑物构件火灾承受极限的模型等。火 灾计算机模型较大的不同之处在于复杂程度和应用范围不同。火室( 单室) 填充模型如适 用于单室的a s e t ( a v a i l a b l es a f ee g r e s st i m e ) ，f i r s t ( f i r es i m u l a t i o nt e c h n i q u e ) 及计算 轰燃后火室温度的c o m p e f 2 等，而l a v e n t 是专门处理顶棚射流问题的软件。除上述单 室火室模型外，还有少数多室模型如b r i 传输模型、c c f m ( c o n s o l i d a t e dc o m p a r t m e n tf i r e m o d e lv e r s i o nv e n t s ) 、f a s t ( f i r ea n ds m o k et r a n s p o r t ) ，c f a s t ( c o m p a r t m e n t sf i r ea n d s m o k et r a n s p o r t ) 等h 朋。另外还有一些场模拟大型通用程序( 如p h o e n i c s ，f l o w 3 d ， j a s m i n e 等) 、网络模拟程序和专家系统形式的实用软件。 1 3 2 国内火灾模拟研究发展状况 我国的消防科研事业起步于2 0 世纪8 0 年代中后期。中国科学技术大学在燃烧、传 热传质、流动、测量以及计算机模拟等方面培养了素质较强的科研队伍，近年来针对我 国火灾科研中的薄弱环节，密切关注国际上最新动态，及时在火灾的计算机模拟、实验 模拟、材料热物性测量等方面展开了广泛研究，率先提出了火灾双重性的思想及有关理 论和建筑火灾计算机模拟的场一区域模拟和场区域一网络化模拟理论，引起了国内外火 灾学术界的关注和重视。中国科技大学火灾科学国家重点实验室开发了区域模拟软件 f a c 3 。区域模拟在对火灾燃烧系统进行较大简化的同时，尽可能保留火灾燃烧系统的复 杂性机制，从而有可能以较少的计算量来揭示火灾系统的复杂性特征。但是这种方法却 无法得到流场的某些细节。同时对诸如气体卷吸、烟流回流( 滚退) 等现象予以模拟却 相当困难。中国矿业大学( 北京校区) 在火灾网络模拟技术方面的研究处于国际先进水 平，并已将一维网络模拟技术应用到高层建筑火灾的研究中删。总体来讲，我国的火灾 科学正在快速的发展之中。 目前已建立的成熟的建筑火灾烟气运动数学模型有三种，分别为网络模型，区域模 型及场模型。对于高层建筑火灾中的烟气运动，这三种模型各有优缺点，只有把它们两 者或两者以上结合起来，充分发挥其各自的优势，才能找到一种较合适的解决建筑火灾 7 中北大学学位论文 烟气运动的数值模拟方法。 1 3 3 建筑单室发展的状况 所谓的“室不仅指寝室与客房或居民住宅单元房间结构，还应包括某些周围有壁 面限制的空间，如仓库、工厂、办公场所和某些公共建筑物内部的分隔间、火车和汽车 的车厢等。在讨论火灾现象时，所指的“室 一般相当于建筑物普通房间大小的受限 空间，其体积的数量级约为1 0 0 m a 。所以说单室是建筑的重要组成单元。单室内火灾( 以 下简称室内火灾) 的发展过程首先决定了建筑火灾能否形成；其次，它也决定了人们能 否尽早探测到火灾的发生可能；它与单室之外部分的相互传热、传质作用决定着整个建 筑的火灾发生、发展状况3 。了解室内火灾发展规律对于建筑结构耐火研究具有指导作 用。火灾作为普遍存在一种特殊燃烧现象，对它的了解，能够在一定程度上推进燃烧学 的研究，验证其研究结果。 单室火灾是建筑物火灾的最基本、最重要的情形，针对这种情况，本课题以单室发 生火灾为物理背景，探讨室内火灾机理及其防治规律。下面结合图1 3 来说明单室( 火 源室) 火灾的发展过程。 火灾发生的必要条件为：可燃物( 以固体可燃物为例) 、氧气和起火源，当满足一定 条件时就会引发火灾。室内火灾大体可分成三个主要阶段，即：火灾初期增长阶段、火 灾充分发展阶段及火灾减弱阶段( 火灾的冷却阶段) 9 1 们。图1 3 中，a 曲线是固体可燃 温度 图1 3 室内火灾各阶段示意图 8 时阀辱 中北大学学位论文 物燃烧时间与室内平均温度升降变化，b 曲线是液体可燃物燃烧时间与室内平均温度升 降变化。各阶段的火灾特点简述如下： 1 ) 初期增长阶段( f i r eg r o w t hp e r i o d ) 刚起火时火区的体积不大，其燃烧状况与外部环境中的燃烧类似，如果没有外来干 预，火区体积继续扩大。当燃烧进一步加强时，室内通风条件成为影响火势的主要因素。 这时总的释热率还不太高，室内的平均温度比较低，只是在燃烧区域附近存在局部高温。 如果室内通风条件好，火区燃烧加剧并逐渐由初期增长阶段向充分发展阶段转变，这时 释热率陡升，室内温度急剧上升。 2 ) 充分发展阶段 进入充分发展阶段后，燃烧强度继续增加。在某一时刻，释热率达到最大值，室内 温度会升到8 0 0 。c 以上，建筑物结构及室内设备严重损坏。而且，高温烟气还会夹带大 量的可燃组份从开口处逃逸，可能将火焰扩展到临近房间或相临建筑物中。此时室内尚 未疏散的人员极难生还。 3 ) 减弱阶段 这是火区逐渐冷却的阶段，一般认为此阶段是从室内平均温度降到其峰值的8 0 左 右开始的。这是可燃物挥发并大量消耗，致使燃烧速率减小的阶段。最后明火燃烧无法 维持，火焰熄灭，可燃固体变为赤色焦碳，焦碳按照固定碳燃烧形式继续缓慢燃烧。由 于蓄热效应，室内平均温度仍然较高，在焦碳附近形成局部高温u 。 由此可知，火灾初期的探测报警、喷淋灭火等及时扑救具有重要意义。火灾发展到 充分阶段后，灭火就比较困难了，但有效的扑救仍然可以抑制过高温度的出现，控制火 灾的蔓延，从而使火灾损失减小，伤亡人数减少。 1 4 课题研究目的意义及内容 各类建筑物是人们从事生产、生活的主要场所。深入研究室内火灾的发生机理和防 治规律，并将其应用到建筑设计阶段，具有重要的社会价值和经济意义。 本课题研究的内容是借助火灾模拟软件( f l u e n t 、c f a s t ) 研究室内火灾的烟气热 9 中北大学学位论文 量分布、建筑火灾中烟气的温度、烟气流动速度、烟气层的厚度、烟气扩散方向。根据 计算得到火灾和烟气在建筑物内的发展情况，从而确定建筑物的火灾安全状况，并分析 有关消防设施的功能、人员的安全疏散。 1 0 中北大学学位论文 2 1 火焰的蔓延分析 2 1 1 综述 2 室内火灾数值模拟的相关理论 火源的蔓延是带化学反应的传热传质过程，它对于室内火灾的发展具有决定作用。 火源能否蔓延，火源蔓延的方式，火源的蔓延速度直接影响室内火灾能否繁殖发生、火 灾初期以及发展过程中烟气的产生量、火灾探测器的预警灵敏度等。而起火源位置的不 同又决定了火源蔓延的众多特性。当起火源位于不同的位置时，它对于邻近的可燃物与 火焰的相互热作用、对燃烧火焰的得氧量，以及由此决定的反应速度都有直接的影响u 副。 因此，分析火源的蔓延，首先就要分析起火源位置的不同。起火源位置如此重要，而在 实际火灾中起火源的位置又具有一定的随机性，这就给火灾分析带来了一定的困难。 国内外火灾研究人员对起火源位置进行了大量的研究。由烟头引起火灾的典型的起 火源位置有床上、地毯及沙发上。电线引起的火灾的起火源位置有天花板上及墙角。火 源蔓延的直观表现就是火焰的蔓延。文献垂直墙角的湍流扩散火焰中对火焰的蔓延 现象进行了分析，指出：火焰的蔓延速度表示新的可燃物开始燃烧的速度。文中还指出： 在建筑火灾中，火( 火焰) 会沿着地板上的地毯向前燃烧，沿着墙上的衍条甚至在天花 板上沿着天花板燃烧。 通过对国内外关于火焰蔓延资料的分析整理，以及众多火灾案例的分析，发现火焰 蔓延研究论文都对起火源位置进行了首要考虑。主要研究的有以下几个位置的蔓延规律： 水平面可燃物向上( u p w a r d ) 的起火，竖直平面( v e r t i c a ls u r f a c e ) 可燃物的起火，竖直墙 角( v e r t i c a lc o m e rw a l l ) 可燃物的燃烧。对于水平面可燃物的燃烧目前进行的研究最多。 除了研究火焰蔓延特性外，也有文献研究水平可燃物的特性对火焰向上蔓延的影响。另 外还有两种比较特殊，但也是比较常见的起火源位置：电器特别是用电线路超负荷或电 线严重老化引起天花板内的火源蔓延。水平面可燃物在蔓延至边缘地带是向下的蔓延 剖。这五种火源蔓延方式参见图2 1 。 1 1 中北大学学位论文 | 警簟蔓麓 细置基嶝囊麓譬 麒 图2 1 火源蔓延的五种典型方程 用电线路引起火灾的蔓延具有特殊性，一旦着火，凡是用电线路经过的地方在一瞬 间都被卷入火灾，蔓延速度极快，其规律的研究具有很大的难度。水平面边缘向下的蔓 延具有与竖直蔓延相反的特性。因此在五种蔓延方式中的后两种本文不进行分析，本文 对前三种进行分析，以确立第一种水平平面火源蔓延的模型为主，另外两种由于在室内 火灾中发生的概率相对较低，文中只进行简单的分析。 2 1 2 水平火焰蔓延 在火焰的蔓延过程中，火焰被看成是起热源( 使火焰锋面前端的燃料浓度上升到火 焰点) 和引燃源( 使挥发出的可燃性气体不经过阴燃的相对缓慢反应过程而由明火直接 引燃，产生明火燃烧) 的双重作用。通过这种作用，火焰的锋面向前推进，形成火焰的 蔓延、传播。火焰的传播是一个非稳定的传热过程，其中的一部分传热过程是前面分析 的固体可燃物质量燃烧速率。除了传热过程外，影响火焰蔓延的因素很多。参见表2 1 。 1 2 中北大学学位论文 表2 1 火焰在可燃性固体上传播速率的影响因素 材料因素 环境因素 化学因素 物理因素 初始温度 表面方向 传播方向大气组成 厚度大气压力 可燃物的组成 热容温度 阻燃剂的存在 导热性外加热量 密度空气流速 几何形状 连续性 以前大多数研究人员在研究火焰蔓延时，主要分析火焰的蔓延速率，仅重视了事物 的结果，而缺乏对蔓延过程的分析。本文下面将以着火理论为基础分析蔓延过程的数学 物理模型。 固体可燃物的内部存在导热过程。它是一个三维非定常的导热。可燃物的物理性参 数不随温度升高作较大的变化，可燃物内部是各向同性的。 c p 篆= 丢( a 豢) + 旦0 3 , 等) + 丢( a 警) + ? ， c 2 1 ) 苏 叙l 苏，jl 锣勿l 瑟” 式中：c 为定压比热( j k g ) ，p 为可燃物固态时的密度( k g m 2 ) ，旯为可燃物的导热系 数( w n 。c ) ，q v 表示内热源( w m 2 ) 。显然，可燃性固体在气化挥发出可燃性气体时，发 生的是吸热化学反应，因此，内热源q ，应该为负值，其值为固体发生气化反应时的反应 热1 明。 导热微分方程的边界条件如下：在着火区可燃物表面进行着激烈的燃烧反应，表面 的温度围绕一个较高的值( 7 0 0 。c ) 上下波动，所以将其定为第一类边界条件。随着火焰 的蔓延，着火区域不断扩大，所以这是一个变化的边界条件。当然，其它边界条件也是 1 3 中北大学学位论文 相应变化的。在固体表面非着火区域可以得出第二类边界条件，即室内与固体表面直接 接触的烟气的温度以及边界面与烟气之间的对流换热系数为常数。对于固体的其余五个 表面，为了简化问题，我们可以将它们全部给成第一类边界条件，当火焰未蔓延到时， 其表面温度为环境温度 t e l 。 在得到固体包括固体表面的非稳态温度场后，下面就是如何确定火焰的蔓延过程。 判定可燃性挥发物的供给量能否达到持续燃烧的条件是r a s b a s h 首先提出的，用公式表 达为： ( o a h 。一l ) 彬盯+ q 一骁= s ( 2 2 ) 式中：= 办+ z ，厶和正分别代表挥发性气体燃烧热以辐射和对流换热传回表面的分 数。巩，是火焰点下可燃性挥发物的临界质量流量。只要s 0 ，可燃性挥发物一旦着火， 将产生稳定火焰，能够自维持下去。如果用这个公式来判断固体可燃物表面的引燃源问 题，在应用中将会受到限制。因为它需要对固体可燃物表面进行细致的热平衡计算，这 显然在工程应用中过于繁琐。研究表明，在室内火灾中，判断固体可燃物燃烧火焰的蔓 延还可用另一种方法，那就是与液体燃烧中火焰蔓延相同的判断条件一火焰点。但是， 由于固体可燃物气化出的可燃性挥发物的形成涉及到固体的不可逆化学分解，因此还需 要在挥发物被点着后，分析判断引起表面温度上升到火焰点的热流能否继续保持，还是 跳跃式地衰减到较低的值，甚至为零。后一种情况下，燃烧床表面火焰的稳定性以及物 体表面的热损失速率都决定了火焰不能持续蔓延下去。 经过s t e w a r d ，s i - m m s ，k a n u r y 等人的研究表明，在室内火灾这种封闭空间的燃烧 过程中是可以用火焰点作为火焰蔓延的一种判断条件的。当靠近着火区域的可燃物表面 温度达到火焰点时，就可以判定为火焰己经蔓延至该位置，着火区的面积也将相应增加。 反之，则不能。在实际火灾过程中，由于一些特殊原因，如物性的不均匀，可能导致非 临近区域满足着火条件，产生持续的明火火焰。由于这些情况带有随机性，将大大增加 工作的难度。 2 1 3 竖直火焰蔓延 1 4 中北大学学位论文 在前文中指出各种火焰蔓延方式之中，垂直墙面和垂直墙角蔓延的火焰危害最大。 它们的详细蔓延机理虽然很复杂，但是还以水平蔓延为基础。在室内火灾中，火源的蔓 延以水平面蔓延为主，因此，本文中不对它们建立数学物理模型，只是进行简单的分析。 如图2 2 所示，竖直平面上火焰与可燃物表面之间的热作用与水平面的情况基本相 同，不同之处在于：由于热挥发性气体的浮升力作用，火焰的高度方向直接接触作用到 可燃物的热解前端。这种作用的结果导致可燃性挥发物一旦从固体表面挥发出来，就立 即被引燃。当挥发物的质量燃烧速率达到一个比临界质量燃烧速率小的多的值时，火焰 就可以较为稳定地在可燃物表面存活。因此，火焰在可燃物表面的蔓延速度非常的快， r-1 远远大于水平表面上的蔓延速度u “。这种类型的起火源导致的室内火灾，其蔓延、发展 速度都非常快，对人的生命和财产的危害也更大。 图2 2 竖直水平火焰蔓延分布简图 2 2 室内火灾常见点火源的性能参数 在我们生产生活中，室内火灾的常见点火源包罗万象，根据其状态可分为固体、液 体和气体。针对本文研究的室内火灾数值模拟，主要研究以固体为点火源的物质燃烧。 本文所要研究的固体主要以木制品和纤维制品为主。 2 2 1 木制品燃烧性能 15 中北大学学位论文 木材的燃烧其实分为两个阶段，在起火前首先进行热分解。木材由常温开始逐步加 热，开始是蒸发水分，水分蒸发完以后再继续加热，木材便开始热分解，分解的主要产 物是：可燃气体( 一氧化碳、氢气等) 、不可燃气体( - - 氧化碳、水蒸气等) 。随着进一 步加热，木材开始炭化，当温度超过2 0 0 时，木材颜色变黑。根据实验，木材热分解 比较明显时是从2 5 0 开始，2 7 5 时最为显著，3 5 0 时接近结束。归根结底，木材的 燃烧也可看成是碳的燃烧。但木材也有自身的燃烧性能参数。参见表2 2 和表2 3 。 表2 21l 【g 木材不同燃烧情况所需最小空气量 项目数值 ， i i i10 9o 80 n0o 10 2l v m 3 3 9 83 7 8 63 5 9 22 0 4 表2 31l 唔木材不同燃烧情况下真发热量 项目数值 厨1o 90 80 刀oo 10 21 真发热量( k j k g ) 1 4 8 8 7 1 3 8 5 7 1 2 8 2 84 9 5 4 燃烧产物总的体积y 可按下式计算确定： v = 0 7 2 1 m + 1 1 2 7 n + a ( 3 9 7 8 m + 2 0 4 2 n ) ( 2 3 ) 式中：口容积比率，即实际空气量与理论最小空气量的比值；所和v 为1k g 木材中， 碳的m 部分完全燃烧，生成二氧化碳；碳的n 部分不完全燃烧，生成一氧化碳。7 + n = 1 。 木材完全燃烧，其产生温度的理论数值为1 8 9 0 c 。可是，往往由于燃烧不完全，温 度远远达不到这个数值。总之，木材受热的温度高，通风条件好，燃烧速度就快。木材 1 6 中北大学学位论文 即将燃烧时，表面呈黑色，内部是木材本色，界限分明，其分界线的温度大约为3 0 0 1 2 2 2 2 纤维制品燃烧性能 在我们的生活中，除了木材是常见的材料外，那就是纤维制品了，例如，本文中c f a s t 软件模拟的卧室情况，窗帘、沙发的外罩和床上用品，都属于纤维制品。它们的燃烧， 影响着火灾的发展状况，而且它们属于易燃品。 它们的分类有： 1 ) 棉纤维与麻纤维棉纤维与麻纤维都是刚接近火焰即燃，燃烧迅速，火焰呈黄色， 冒蓝烟。二者在燃烧时散发的气味及燃烧后灰烬的区别是：棉燃烧发出纸气味，麻燃烧 发出草木灰气味；燃烧后，棉有极少粉末灰烬，呈黑或灰色，麻则产生少量灰白色粉末 灰烬。 2 ) 毛纤维与真丝毛遇火冒烟，燃烧时起泡，燃烧速度较慢，散发出烧头发的焦臭 味，烧后灰烬多为有光泽的黑色球状颗粒，手指一压即碎。真丝遇火缩成团状，燃烧速 度较慢，伴有咝咝声，散发出毛发烧焦味，烧后结成黑褐色小球状灰烬，手捻即碎。 3 ) 锦纶与涤纶锦纶学名聚酰胺纤维，近火焰即迅速卷缩熔成白色胶状，在火焰中 熔燃滴落并起泡，燃烧时没有火焰，离开火焰难继续燃烧，散发出芹菜味，冷却后浅褐 色熔融物不易研碎。涤纶学名聚酯纤维，易点燃，近火焰即熔缩，燃烧时边熔化边冒黑 烟，呈黄色火焰，散发芳香气味，烧后灰烬为黑褐色硬块，用手指可捻碎。 4 ) 腈纶与丙纶腈纶学名聚丙烯腈纤维，接近火软化熔缩，着火后冒黑烟，火焰呈 白色，离火焰后迅速燃烧，散发出火烧肉的辛酸气味，烧后灰烬为不规则黑色硬块，手 捻易碎。丙纶学名聚丙烯纤维，近火焰即熔缩，易燃，离开火焰后燃烧缓慢并冒黑烟， 火焰上端黄色，下端蓝色，散发出石油味，烧后灰烬为硬圆浅黄褐色颗粒，手捻易碎。 5 ) 维纶与氯纶维纶学名聚乙烯醇缩甲醛纤维，不易点燃，接近火焰熔融收缩，燃 烧时顶端有一点火焰，待纤维都融成胶状火焰变大，有浓黑烟，散发苦香气味，燃烧后 剩下黑色小珠状颗粒，可用手指压碎。氯纶学名聚氯乙烯纤维，难燃烧，离火即熄，火 1 7 中北大学学位论文 焰呈黄色，下端绿色白烟，散发刺激性刺鼻辛辣酸味，燃烧后灰烬为黑褐色不规则硬块， 手指不易捻碎。 6 ) 氨纶与氟纶氨纶学名聚氨基甲酸酯纤维，接近火边熔边燃，燃烧时火焰呈蓝色， 离开火继续熔燃，散发出特殊刺激性臭味，燃烧后灰烬为软蓬松黑灰。氟纶学名聚四氟 乙烯纤维，i s o 组织称其为萤石纤维，近火焰只熔化，难引燃，不燃烧，边缘火焰呈蓝 绿碳化，熔而分解，气体有毒，熔化物为硬圆黑珠。氟纶纤维在纺织行业常用于制造高 性能缝纫线。 7 ) 粘胶纤维与铜铵纤维粘胶纤维易燃，燃烧速度很快，火焰呈黄色，散发烧纸气 味，烧后灰烬少，呈光滑扭曲带状浅灰或灰白色细粉末。铜铵纤维俗名虎木棉，近火焰 即燃烧，燃烧速度快，火焰呈黄色，散发酯酸味，烧后灰烬极少，仅有少量灰黑色灰。 2 3 描写烟气流动的控制方程 对于建筑物室内的火灾，所研究的是室内的烟气的流动情况，根据室内火灾发生的 情况，了解当时热量的分布和热量的流动情况，并且通过计算机的模拟，清晰的了解烟 气的走向，这些符合传热学的理论，建筑物室内可视为有一定边界区域的空间，通过对 这个空间的简化，研究区域中的热量和烟气的运动情况，并建立模型对此来研究。而对 于建筑物室内的能量和烟气的交换和流动都是符合质量和能量的守恒方程。 2 3 1 质量方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。根据在空间位置的微元体，质量守恒定律 可表示为： 单位时间内微元体中流体质量的增加 = 同一时间间隔内流入该微元体的净质量 据此，可以得出以下的质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ： 望+ 望逊+ 塑! + 塑堕：0( 2 4 ) 18 中北大学学位论文 引入矢量符号d i v ( a ) 2 甄叙+ a 嘭l a y + 舰彪，上式中的第2 、3 、4 项是质量流密 度( 单位时间内通过单位面积的流体质量) 的散度，上式可用矢量符号写出为： o a p t + d i v ( p a ) = 0 ( 2 5 ) 在式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 中：p 是密度，t 是时间，口是速度矢量，“、y 和w 是速度矢量 口在x 、y 和z 方向的分量2 。 对于不可压缩流体，其流体密度p 为常数，式( 2 4 ) 变为： 昙t i - 宴+ 孚：o ( 2 6 ) 一一十一= iz nj 苏却玉 若流动处于稳态，则密度p 不随时间变化，式( 2 4 ) 变为： _ a ( p u ) + 掣+ 掣：0 ( 2 7 ) 叙 田 a