（环境工程专业论文）列车车厢内火灾烟气运动的数值模拟与分析研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：由于高温、缺氧、毒性等的影响，火灾中烟气对人员构成的威胁最大统 计结果表明。火灾中8 5 以上的死亡是由烟气引起的。因此，烟气是火灾中造成人 员伤亡的重要原因通过研究火灾烟气的运动规律，了解烟气浓度场和温度场的 分布情况，可以对火灾烟气的控制和火灾的危险性分析提供参考性意见 随着计算机的快速发展和计算方法的不断改进，计算流体动力学( c f d ) 已经 取得了长足的进步，它具有参数设定任意性、预测结果可再现性等优点，在室内 火灾的研究中起着越来越重要的作用目前常用的室内火灾模拟方法有区域模拟 与场模拟，本文通过对其各自的特点和局限性进行对比分析，选用的是场模拟的 方法 在本文中，建立了一节列车车厢的几何模型及车厢内烟气流动与传热的物理 模型和数学模型，采用j 一占湍流模型对车厢内的湍流流动进行描述，采用有限容 积法对控制方程进行离散，采用s i m p l e s t 算法进行流场计算，基于p h o e n i c s 软件 对不同火灾场景下车厢内烟气浓度场、温度场和流场进行三维数值模拟分析，讨 论了火源位置、火源产烟量大小、火源面积大小、空调送风口及列车运行等因素 对烟气浓度场和温度场的影响为了验证本文所应用模拟方法的正确性，在单室 火灾情况下将计算结果和实验结果进行了对比，证明了所用模拟方法的正确性 关键字：烟气运动：数值模拟；场模拟；火灾场景 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c r 1 i i 缸e c i d 叫l s ，锄o k ei s1 h em o s td 跚g 锄憾蠡哦舛t op e o p l e sl i f e b e c a u 辩o f i t s1 1 i g ht e m 肼粕t 勃a 菇cc o n d i 石o n 龇dt o 】i c i 够al o to f s 韶弘o v et l l a t 8 5 o f t h ed e a t h sa c a 璐e db y 锄o k ei nf i a c c i d 姐b b ys h m y i l l gm e 班o 韶o f 豁k em o v a n 主，t h e 懿n o k ec o 姒矧曲嘣o n 蛆dt e m p 瞬a 士u d i s 晡b u t 珀畦l a wc a nb e d i s c 嘴s e d t h ec o n c l u s i o n so t y 匕i i l l o da i 玎邛o 】恤t 董b rs m o l o o n l 锄d 雅a l y 3 i so f t h ef ；吨a l n 鹤so f t h ef h 色 w i t ht h ed e 、，d o p m e mo f 血ec o m 】u t 盯a n dc a l c u l a 土i 伽i a lm e i h o d 3 ，c f da l m a k 岛 蓼e a tp m g r e 鼹趾di tp l a y s 锄i l l l p o i t a n tr o l ei nt h es t i 】d y 如go f c o m p a m l l c n t 丘r 已t h e a 埔伽om o d e l so f c o m p 缸岫l tf h 缸c 0 棚咖璐ea t 弘岱t ：枷es i i 玎i m a t i o na n d 矗e l ds i m m a t i o n t h e 矗鞫由艄a n dl i l i l i t a 6 0 璐o ft l 】旧n 帕m o d c l sa i d i 翻：i l 踌c d 锄d 0 0 n 廿a s t e di nt l l i sp a p 盯df i e l ds 衄蔺a t i o ni sc _ h o s g m 砌c a lm o l e lo fa 自m i nc o m p a m n 髓t ，p h y s i c a lm o d d 孤dm a t h e l i l a t i c a l m o d c l1 o rt h ec c 衄删m 岖o f 鲫妇m o 、，e m t 缸以h e a 土扛a n g 陆i nt h e 确n m p 砷n e ma r e 枷b l i s h e d 1 、圳如1 e n tn o w i l lt l l ec o m p a 咖锄ti sd 鹤c r i b e db y 瑚i n g t l l e 七一st w o - c q u a t i o 璐t i l 】由u l 髓m o d d ，a 1 1 d 矗n i t c v o l 啪e m c i h o d i s 璐c d t od i s 蹦她 t h eg o v 瞰l i l l go q 删1 1 地a i m o w 丘e l di s l v e db ys i m p l e s ta l 鲥t 量1 札w i t hm e s o 脚a p h o e n i c s ，m et e 卸i p 盯叽鹏f i d d ，蛐o k ec 0 玳蜘l 雠d 蛆f i d da n d 枷o w 丘c l d o f 3 - d 枷o wi nm et m i n 湖p a 咖c n la r cs i 枷l a l c d 锄d 黝a y z e d n ee 腩c to f 缸 l o 础o n ，锄枷n gr a t co fs m o k eo ft h e6 r e ，岱陀s i 叠e ，i n l e t so fa i rc 0 枷王i t i o i i i n g 町r s 衄 缸l dm o v e m 曲to ft l l e 蛐o nt h e 瓤如伽咀c e n l 或呖o na l l dt e m p 盯a t l l 丘d di s d i s c u s s 。d 。m p a f 。dw i t l im ea 【p 舒i i i 坞n t a t i o ni ns i n 9 1 争r m 矗c a s e m ef 龆s i b i u 锣 a n dc o r r 。c h l e 站o f t l l es i m u l a t i o nm e t h o dl 】s 甜i i lm i sp a p c ri sp m v e d k e y w o r d s ：s m o l 【em o v 伽嘎e m ；m 姗丽c a ls i m u l a t i 伽；f i d d 妇n l l l a t i o n ；丘s c e n e c l a s s n o ： 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在徐宇工老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、方案论证、研 究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量的心血。 导师渊博丰厚的学识、严谨科学的治学态度、启发诱导式的指导方式以及对人对 事极其负责任的态度，都使作者终生受益两年多来，导师不仅在科研、学业上 给作者提出了殷切的期望和严格的要求，而且在生活上给予了极大的关心和帮助 作者跟导师不仅学到了丰富的专业知识，而且学会了如何思考，如何开展科研工 作，如何做人。在此论文收稿之际，谨向导师表示深深的敬意和衷心的感谢l 感谢实验室吴国刚师兄。在论文的整个实施期间，从p h o e n i c s 软件的学习探 讨、模型的建立等方面，吴师兄都给予作者很多具体细致的指导工作。吴师兄丰 厚的学识以及随和开朗、不拘小节的性格使作者受益匪浅。向吴师兄表示诚挚的 感谢! 在论文完成过程中，王艳丽师姐和胡仁师弟热情地同作者进行了一些具体细 节的讨论，包括实施方案的确立、数学模型的选择等等作者在此向他们表示诚 挚的谢意! 在论文的完成过程中，还得到了张燎原、刘陈伟两位同学的大力帮助和支持， 在与他们的每一次交流中，都使作者受益匪浅在此向他们表示感谢! 感谢北京交通大学曾给予作者关怀、指导和帮助的各位老师。感谢机电研究 生0 4 0 4 班全体同学，特别是同宿舍的各位兄弟他们和作者共同营造了良好的学 习和生活环境，在学习、生活等各方面都曾给予作者极大的帮助和支持。作者向 他们表示由衷的感谢和良好的祝愿! 最后，感谢我的父母和亲友他们多年来对我的教育、关心和支持，一直是 我战胜困难的精神支柱。 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在由铁路、公路、水运、航空等构成的现代交通方式中，铁路以其运输能力 大、运行速度快、运行成本低、准时、安全，可靠等优势而扮演着重要的角色 当前世界铁路正在向着安全、舒适、方便、快捷、高速、重载、自动化的方向发 展。 我国人口众多，幅员广阔，人们长途旅行的首选交通工具就是铁路旅客列车， 它是目前最适合我国国情的重要交通工具。从1 9 5 0 年7 月1 日开工修建成渝铁路 至2 0 0 0 年，新中国先后修建了4 万多公里新线，全国国家铁路营业里程达 5 8 6 5 5 9 k m 。另外还有合资铁路5 1 8 1 1 k m ，地方铁路4 8 1 2 6 k m 2 0 0 0 年全国铁路 营业里程合计6 8 “9 鼬n f l 】与此同时，我国客车发展迅速，特别是近十年来。 我国共开发出了1 5 种车型，6 8 个车种的各型客车，全路总数达到了3 4 2 4 6 辆， 其中双层客车，空调列车、快速列车的比重大幅提高客车内部设计日趋多样性， 档次进一步提高的同时，铁路客车速度也有了很大提高为了防止高速列车在过 隧道和两车相遇时车内外的压力急剧变化对旅客的安全性和舒适性带来影响，列 车车厢的密封性很耐2 】但在列车的运行过程中，存在着一个不可忽视的潜在问 题，列车火灾的防范和应急处理问题 火灾的危害主要来源于热量、烟气和缺氧。火灾过程中，燃烧产生的热量包 括对流热和辐射热两部分，产生的烟气中包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物。 火灾高温烟气中含有众多的有毒成份、腐蚀性成份以及颗粒物等，烟气的蔓延速 率和范围大大超过了火势的蔓延。当前，随着各种新型合成材料的广泛应用，烟 气窒息和中毒成为火灾中致死的主要原因此外，由于高温烟气的迅速流动，其 中甚至掺混着一定的未燃可燃蒸汽，很容易引起火势的进一步蔓延扩大p 】。由于遮 光性、毒性、缺氧和高温的影响，火灾烟气对人员构成的威胁最大因此，烟气 是火灾中造成人员伤亡的重要原因。统计结果表明f 4 l 。火灾中8 0 左右的死亡是由 烟气引起的，其中大部分人是由于吸入了烟尘及有毒气体或缺氧昏迷后而致死 的。根据对1 9 9 5 年1 0 月2 8 日发生在阿塞拜疆巴库地铁的火灾事故的调查发现，死亡 的5 5 s 名乘客中大多数不是由于火焰的直接作用，而是死于烟气造成的窒息或中 掣习因此，研究列车车厢内的火灾烟气的产生、流动特征和温度分布规律，对 北京交通大学硕士学位论文 列车火灾的防治和人员述生具有重大意义 列车火灾主要有以下几个方面的特征嘲。一是列车内部人员密度大，活动空间 小，一旦发生火灾，火势发展迅速，火灾引发的烟气在车厢内迅速蔓延，并在短 时间内充满整个车厢，造成重大的人员伤亡和经济损失；二是火灾荷载大目前 铁路客车特别是旧型客车的修造尚缺乏严格的消防技术规范，使用易燃材料多 其车体内的壁板、项板、座椅、地板等大量使用未经阻燃处理的木板、胶合板或 高分子材料，以及毛毡、软木、聚乙烯泡沫等易燃防寒保温衬垫材料，一旦燃烧， 将产生大量热量和烟气；三是外来隐患多。与客车内在因素同时存在的还有来自 外部及客车消防安全的因素：例如个别旅客违法携带易燃易爆危险品上车或吸烟 不慎等，都有可能引起火灾；四是火灾施救难。车内火灾报警和消防配套设施不 全，如果在火灾初期不能及时发现火情，随着火势增大。将很难控制，特别对于 运行列车，入员逃生将交得更加困难阴。 近年来，国内外列车火灾频发，列车火灾属高发事故世界各地的列车发生 过多次火灾，给人们造成了巨大的财产损失，甚至是生命的代价，也给人们敲响 了警钟。如1 9 9 8 年1 月，在京广线上，因一名旅客携带的防锈漆洒在车厢的座椅和 地板上，被吸烟者的火柴点燃，引起火灾，死3 4 人，伤3 0 人嗍。2 0 0 1 年1 月，成都 铁路局的3 6 1 次列车上，一乘客将烟头扔到卧具上，引起火灾，烧死3 人，烧毁卧 铺车一辆。1 9 7 2 年1 1 月6 日，日本北陆干线上，“北国号”驶入北陆隧道时，由于 餐车着火并蔓延至其他客车，造成死亡3 0 人，重伤7 1 5 入，烧毁餐车一辆【9 1 。2 0 0 3 年韩国大邱市发生的地铁纵火案，造成1 3 3 人死亡，3 0 0 多人失踪，财产损失高达 4 6 0 亿韩元。 如此多的列车事故造成了巨大的财产损失和生命的代价，引起了全世界对列 车火灾的重视，各个国家都加强了对列车火灾的防范和应急处理措施，建立了预 警机制。国外少数国家如瑞士、英国等在极少数列车内安装了点火式火灾报警设 备及水喷淋系统；而国内列车中则基本上无消防报警设备，只有少数的于粉灭火 器，与列车中繁杂的电气线路、承载的大量燃油以及众多人为因素所引起的高火 灾危险性不符l l ”。因此，为了更好地预防和控制火灾，这就要求我们对火灾的发 生和发展过程做充分的分析与研究，研究控制它的方法，保证列车能够更安全、 方便、快捷地为乘客服务。 通过对车厢内烟气流动的研究，了解温度场和烟气浓度场的分布，可以采取 更好的紧急灭火及排烟措施，有助于控制火势向相邻车厢发展。掌握火灾发生时 列车内的温度分布规律，不仅是确定列车的耐火性能和防火分隔及布置消防设施 的关键，而且对构建物各部分的材料选择和构筑物的结构设计等具有重要的意义， 并对火灾报警装置的安装位置提供指导。另外，发生火灾时烟气将是乘客的主要 2 第l 章绪论 杀手，如果浓烟不能及时排出车厢，乘客的生命便会面临极大的危险。因此列车 内的通风排烟系统的改进也是列车火灾领域一个非常重要的研究课题【1 2 】 车厢内火灾的研究只是列车火灾研究的一个部分，列车火灾还包括列车隧道 内的火灾等方面的研究由于火灾大多数是从车厢内发生的，所以研究车厢内火 灾的发生发展过程是非常必要的此外。研究车厢内的火灾，对其他受限空间或 运动受限空间的火灾研究都具有重要的参考价值。 1 2 国内外研究现状 为了了解火灾从发生到扩大的全过程，为判断火灾原因、制定防火措施提供 科学依据，各国的铁路部门对列车用材料进行燃烧实验、烟雾实验，同时在工厂 内进行车辆静态燃烧试验、卧铺车定置燃烧实验、实验线区问的运营车火灾试验 以及隧道中的运营车火灾试验等等。 日本国铁铁道技术研究所于1 9 7 5 年建成了规模宏大、设备先进的燃烧试验基 地，专门对运行中的列车进行火灾模拟实验日本国铁还于1 9 5 1 年l o 月、1 9 7 2 年1 2 月、1 9 7 5 年9 月进行了列车车辆静态燃烧实验，1 9 7 3 年在北海道狩胜试验 线上，进行了非隧道区间的5 辆编组列车运行着火实验，实验调查了运行列车的 火灾状况、难燃车的防火性能、着火车前后相邻车厢受到火灾的影响，以及为了 保证旅客安全，取得有关车辆防火对策和列车操纵方法的资料，实验主要测试了 车厢内温度、烟浓度、0 2 、c o 浓度、动物实验情况、车内风速等【8 i 。八十年代初 期，德国在综合性调查的基础上，与英国、法国、意大利、奥地利、瑞士、瑞典 等国合作，进行了改善隧道环境的防火条件大型试验，该试验在不同横截面的隧 道内，以不同的火灾负荷进行。德国还在盖尔森基兴市利用模型车完成了地铁隧 道的火灾实验，地铁隧道长3 6 1 m ，圆形净断面约为3 l n l 2 ，用s t 5 2 - 3 号钢制作隧 道模型，2 0 i i l 车厢的燃烧负荷为7 0 伽，从实验中得到了地铁隧道内的温度变 化曲线英国防火研究所采用计算流体力学的方法，进行了数值模拟研究。把计 算机预测数值结果和在奥地利一座废弃的铁路隧道内进行的火灾试验结果作了比 较，证明了其一致性，同时还确定了未来需要进行的研究领域【9 】。 目前，国内对于列车火灾的研究较少。中国矿业大学的戚宜欣教授在1 9 9 8 年 利用火灾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，定量测试 了模拟运行列车车厢内烟气的温度场，并定性考察了火灾时烟气的流动和蔓延特 性。实验得出列车车厢内的温度场分布及烟气的流动与火源位置、车厢的开口状 况有关，并认为车厢内发生火灾时需控制热烟气向相邻车厢扩散，以免烟气蔓延 北京交通大学硕士学位论文 造成更大的危害。对火灾时烟气的管理，除采用常规方法外，还首次提出了在列 车的车厢顶部设立排烟口的设想，实验结果证明设置捧烟口是合理的哪。中南大学 的徐志胜教授利用火灾学国家实验室燃烧风洞提供的流场，模拟列车在隧道中运 行的速度场，制作了l ：5 的旅客列车卧铺车厢，在车厢模型中加入等比例的火灾载荷， 对运行旅客列车在隧道内发生火灾进行了缩尺寸模型实验，并用商业c f d 软件对 实际情况进行了简化数值模拟，研究了不同情况下旅客列车火灾特征及火灾中烟 气蔓延规律，提出了满足火灾救援和旅客人员疏散的要求【1 3 1 对于类似列车车厢的有限空间内火灾的研究和认识? 世界上一些国家已经进 入了较深研究阶段。如：对于地下车库火灾、地下商用建筑火灾、地面建筑室内、 矿井和船舱火灾等进行了不同程度、不同方面的模拟和实验研究，从最初的实物 实验研究发展到了现在的计算机数值模拟研究，从原先的对温度场的测试到现在 对火源燃烧过程的研究【1 4 嘲 随着有限空间内火灾研究的需要以及计算机的发展，一些计算流体力学软件 也更多地被开发并利用于火灾研究领域。1 9 7 5 年，美国交通部开发出地铁环境控 制计算机模拟软件s e s ，1 9 8 5 年该软件增加了火灾动态模拟模块。此外。美国a 1 r m 公司开发的计算流体力学软件f i i e n t 和英国c h a m 公司开发的p h o d 叮c s ，这些 软件都是模拟传热、流动、化学反应、燃烧过程的通用c f d 软件。目前，英国、 美国等发达国家已经将c f d 技术用于列车火灾救援系统设计中【1 6 l 。英国防火研究 所采用计算流体力学的方法，对于隧道内火灾进行了数值模拟研究，并把计算结 果与在奥地利一座废弃的铁路隧道内进行的火灾实验作了比较，证明其一致性， 同时还确定了未来需要进行的研究领域。 1 3 研究的方法和内容 1 3 1 课题的研究方法 迄今为止，人们研究列车火灾的方法一般有三种，即实车火灾实验、模型车 火灾实验和车厢内火灾的数值模拟计算实车火灾实验能够提供比较可靠的实测 数据，使我们对车内流场分布有较深刻的认识。但是，它受费用高、环境、设备 和车辆等因素的影响，且实车只能使用一次，不能展开大规模的实验研究模型 实验要求减少空间。使用等比例缩小的列车模型，对于空问的流场分析有较大的 失真数值模拟计算随着计算机的快速发展和计算方法的不断改进已经取得了长 4 第l 章绪论 足的进步，它的参数设定任意性、预测结果可再现性，不但可以弥补实验数据量 少的缺陷，使得研究者能全面分析车内流场，而且可以选择最优的实验方案，从 而能够缩短实验周期，节约实验费用为了保证模拟计算结果的正确性，数值模 拟的结果必须与现车实测数据或模型实验数据相互验证基于以上各种方法的特 点和对现实条件的考虑，本课题将采用数值模拟计算的方法进行。计算工作将使 用成熟的商业计算流体力学软件p h o e n i c s 进行 1 3 2 课题的研究内容 本课题是基于实际的y z 2 5 t 型列车结构尺寸和设置，通过简化来建立研究对 象的几何模型和物理模型，用求解流体流动与传热问题的大型通用c l 软件 p h o e n i c s 分别对静止和运行的列车内的温度场、烟气浓度场和流场进行数值模 拟，从模拟结果中分析有关列车车厢内火灾的一系列问题，对火灾救援和旅客人 员疏散提供参考建议具体研究内容包括以下几个方面： l 、建立模型：简化列车车厢内的设备，建立几何模型和物理模型； 2 、火源处于不同位置时列车车厢内的热特性和烟气特性模拟：在列车车厢内 选择几个代表性位置，放入火源，并加载烟气源，模拟计算此时车厢内的温度场 和烟气浓度场，分析在不同时刻，不同位置处的温度场、烟气浓度场和流场的变 化； 3 、火源放烟量不同时车厢内的热特性和烟气特性的比较：在列车车厢内选择 某个位置，放入火源，并加载放烟量大小不同的烟气源，模拟计算此时车厢内的 温度场和烟气浓度场，分析在不同放烟量情况下车厢内部的温度场、烟气浓度场 和流场的变化情况； 4 、火源面积大小不同时车厢内的热特性和烟气特性的比较：在列车车厢内选 择某个位置，放入面积大小不同的火源，并加载烟气源，模拟计算此时车厢内的 温度场和烟气浓度场，分析在不同火源面积情况下车厢内部的温度场、烟气浓度 场和流场的变化情况； 5 、空调运行时送风口对车厢内的热特性和烟气特性的影响：空调运行的情况 下，在列车车厢内选择某个位置，放入火源，并加载烟气源，模拟计算此时车厢 内的温度场和烟气浓度场，分析在不同时刻，不同位置处的温度场、烟气浓度场 和流场的变化，并讨论在空调送风对车厢内部的温度场、烟气浓度场和流场的影 响。 6 、车窗打开时，列车运行对车厢内的热特性和烟气特性影响：车窗打开时， 5 北京交通大学硕士学位论文 在列车运行的情况下，在列车车厢内选择某个位置，放入火源，并加载烟气源， 模拟计算此时车厢内的温度场和烟气浓度场，分析在不同时刻，不同位置处的温 度场、烟气浓度场和流场的变化，并讨论列车运行对车厢内部的温度场、烟气浓 度场和流场的影响 p h o e n i c s 软件是英国c h p 心讧公司开发的模拟传热、流动、化学反应、燃 烧过程的通用c f d 软件，已经有3 0 多年的历史，是世界上第一套计算流体力学 与计算传热学商用软件，其名字由p 缸a b o h ch y p 曲o l i c0 re l l i 砸cn l 珊喇c a l 1 1 1 t c g r a t i c o d cs c f i 鹤几个字母的缩写而来。p h o e n i c s 提供了直角坐标系、柱 坐标系和适体坐标系三套坐标系统，可用于求解一维、二维及三维空问的可压缩 或不可压缩、单相或多相的稳态或瞬态流动。 1 4 1p h o 刨i c s 软件的基本结构 1 前处理器( p r e l p c e s r ) 前处理器用于完成前处理工作，p h o e n i c s 的前处理器为 v r - e d i t o r ( s a t e l l r r e ) 前处理环节是向c f d 软件输入所求问题的相关数据，该 过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面完成的。 在前处理器阶段可完成以下工作：定义所求问题的几何计算区域：划分网格； 对所要研究的物理和化学现象进行抽象，选择相应的控制方程；定义流体的属性 参数；为计算区域边界处的单元指定边界条件；对于瞬态问题，指定初始条件。 w 玳d o w s 系统下，在0 e 击t o r 中输入的各参数经系统运行可自动生成q l 文件，也可在q l 文件下直接编写程序来完成前处理工作。s a t e l l n 琶模块可称 为p h o e n i c s 的预处理模块，它主要根据用户的赋值修改或重置缺省值，并生成 e j 蛆a t 文件。由该文件将信息传递给e a r t h 2 求解器( s o l v e r ) 求解器的核心是数值求解方案，p h o e n i c s 的求解器是e u 汀h 在这一部分 中需确定离散方法的选用、计算方法的选择和设置相关参数( 如松弛因子) 等。 e a r t h 通过阅读e a r d a t 文件并执行相关的计算，之后生成一个可读懂的 r e s u 】j 文件和一个供后处理模块读取数据的p h i 文件 6 第l 章绪论 3 后处理器( p o 蝣御c 圆s 叫) 后处理器的目的是有效地观察和分析计算结果。p h o e n i c s 的后处理器包括 0 e w 玎、h 酊r c i n 和a u l o p u y r ，可用来处理计算结果主要功能包括：计 算区域的几何模型及网格显示；矢量图显示；等值线图显示；填充型的等值线图 ( 云图) 显示；x y 散点图显示；图像处理功能( 平移、缩放、旋转等) l 对于 结果进行可视化动态处理。 p h o e n i c s 的结构示意图见图1 图lp 删i c s 软件的基本结构 1 4 2p h o e n i c s 软件的理论基础 1 通用形式的微分方程 该软件的数学基础与其他c f d 软件相同，即描述流体流动的一组微分方程。 它包含有热、质传递、流体流动、湍流，即： 曼学+ 柳( p ：) ：扔正，鲫d 妒) + s 优 。 式中： 一因变量； p 一流体密度，k g ，m 3 o 群一流体速度矢量，m 翘。 l 一扩散系数，n 如n 2 。 7 北京交通大学硕士学位论文 邑一的源项 2 计算区域与控制方程的离散 p h o e n i c s 采用有限容积法进行区域离散化，其方程离散通用的表达式为： 口，办= 九+ 九+ 九+ 知+ 4 如+ 口工九+ 吩办+ 勋w 抛，( 1 2 ) 其中； 口，= 知+ 如+ + 唧+ + 口工+ 吩 ( 1 3 ) 式中的下角标n 、s 、e 、w 、h 、l 、t 分别代表n o r l h 、s 伽咄、e a s t 、w 碗、h i 曲、 i w 、t i m e 。 离散格式可选择一阶迎风、混合格式、q u i c k 格式等等。 3 求解方法 p h o e n i c s 采用交错网格法进行控制方程的离散，进行流场计算采用压力与 速度耦合的s 蹦p l e s t 算法，对两相流纳入了口s a 算法( 适用于两种介质互相 穿透时) 及p s 卜c e l l ( 粒子跟踪法) 。代数方程组的求解可以采用点迭代( p o i n t b yp o 砬) 、块迭代( s l a b 奶辩) 或整场求解法( w h o l c f i e l d ) 。 1 4 3p h 0 酬l c s 的收敛判据 p h o e n i c s 中用来判断收敛的判据有三条： 1 观测点处的值不再随计算步数的增加而变化； 2 各个参数的残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓； 3 满足质量和能量守恒定律。 前两项可以通过g l 乙a p h i c 显示的观测点的值及残差随计算步数变化的曲线 来判断；第三项则可以通过检查r e s u l t 文件中n e t t u d 信息中r l 和髓m l 来判断。 1 5 论文的结构 本文共分为7 章，第1 章为绪论部分，介绍本课题的研究背景、意义，国内 外的研究现状以及确定本课题的研究方法和研究内容。 第2 章主要对火灾烟气的基础知识进行介绍。对火灾烟气的主要危害进行总 结，并对热释放速率、烟气羽流等概念进行说明。 8 第l 章绪论 第3 章是本文的理论基础，首先对烟气进行简化和说明：然后对湍流的数值 模拟方法及常用的湍流模型进行讨论；确定本文数学模型，并对湍流模型控制方 程中主要变量的物理含义进行说明；最后介绍近壁区流动的处理方法壁面函 数法 第4 章介绍本文研究对象的物理模型，确定网格划分和数值模拟边界条件、 初始条件 第5 章应用前4 章的理论知识，对列车车厢内火灾烟气运动进行数值模拟， 并对模拟结果进行分析，讨论火源放烟量大小、火源面积大小、空调送风口及列 车运行对烟气运动的影响。 第6 章通过计算某空间内的温度场和烟气浓度场并与实验结果对比，对本文 的研究方法和计算结果进行间接验证。 第7 章对本文内容迸行总结和展望 9 北京交通大学硕士学位论文 第2 章烟气的基础知识 2 1 室内火灾发展概述 列车车厢内火灾属于室内火灾的一种。“室内火灾”作为火灾学的一个专业 术语，主要用于描述限定在一个房间或类似于建筑外壳内发生的火灾【埘。 室内火灾的发展过程可以分为四个阶段：1 、初期，即起火期；2 、发展规，指 从开始着火的可燃物引燃其他可燃物到轰燃发生前的过程；3 、最盛期，指轰燃发 生到衰减之前；4 、终期，指开始衰减到熄灭发展期和最盛期的分界点不是一个 抽象的点，实际上是一个短暂的过渡性阶段，这就是轰然。轰然指的是当室内的 温度达到6 0 0 0 c 以上时，可以引起室内绝大多数其他可燃物发生热解或气化，从 而产生大量的可燃性气体当生成的可燃性气体达到着火浓度极限时，室内可发 生整体的强烈燃烧现象，这就是所谓的轰然现象。 火灾进入最盛期后，顷刻之间，室内几乎所有的可燃物均被引燃，室内整个 空间都充满火焰，温度急剧上升。此后，燃烧强度和释热速度仍在增加，释热速 率达到最大值，温度相应达到最高点，一般为1 0 0 0 0 c 1 1 0 0 0 c 之间不等。这个阶 段的火灾一方面会严重损坏室内设施及建筑物本身的结构，甚至造成建筑的部分 毁坏或全部倒塌。另一方面，高温和较高的气压会造成通风口的爆炸、破裂。高 温火焰烟气从这些开口处窜出，它们会携带相当多的可燃成分，这将会使火焰蔓 延到临近和上层的空间，使火势进一步扩大。 研究表明：任何人如果在轰然之前还没有从室内选脱，就不可能幸存。因此， 对火灾轰然前阶段的了解直接关系到建筑内的生命安全。m 聪d 瑚n t 于1 9 7 6 年提 出了公式： v r t + t m s k ( 2 1 ) 式中t p 表示从着火到察觉出火灾发生所经历的时间( s ) ，t a 表示从察觉出火灾到 疏散活动之间所延误的时间( s ) ，k 表示疏散到相对安全的地点所需要的时间( s ) ， t q 表示从着火到火灾现场产生不可忍受条件的时间( s ) 。显然可以通过各种各样 的先进手段减少t p ，但是成功的疏散将最终取决于火灾蔓延的速度即k 。因此， 掌握从着火到轰然这阶段时间的火灾发展特点，对于确定某房间的火灾危险性具 有特别重要的意义。另一方面，一旦室内火灾进入满室燃烧的轰然阶段，其燃烧 过程就可归纳为燃烧室闯题的研究。综上所述：本文着重分析车厢内火灾发生发 展过程中轰然前阶段即火灾的初期增长阶段【r 力。 1 0 第2 章烟气的基础知识 2 2 烟气的定义及危害 火灾烟气被定义为当燃料分解或燃烧时产生的固体颗粒、液滴和气相产物 统计结果表明，火灾中舳左右的人员死亡是由烟气引起的，其中绝大部分是吸入 了烟尘及有毒气体昏迷后而致死的火灾烟气的组成非常复杂，它不仅与燃烧材料 有关，而且与燃烧条件有关，火灾中烟气主要包括一氧化碳、二氧化碳、氢化氰、 氯化氢、一氧化氮、丙烯醛、溴化氢、氟化氢等毒性气体【l s 】 火灾烟气的危害性具体表现在以下四个方面： 第一，烟气中含氧量往往低于人们生理正常所需要的数值。对于处在着火房 间内的人员来说，氧气的短时致死浓度为6 ，即使含氧量在6 至1 4 ，虽然不会 短时死亡，但也会因为失去活动能力和智力下降而不能逃离火场而最终被烧死。 在实际的着火房间中氧气的最低浓度可达3 第二。烟气中含有各种有毒气体，而且这些气体的含量已超过了人们生理正 常活动所允许的最低浓度，造成人员中毒死亡高分子合成材料燃烧，会产生大 量毒气，使火灾所生成的毒性气体的危害更加严重【1 9 j 。 第三，当含有大量烟尘的烟气被火灾现场中人员吸入后，会粘附在鼻腔、口腔 和气管内，进入支气管、细支气管和小支气管，甚至由扩散作用能进入肺部粘附在 肺泡上，所以火灾中死者的鼻腔、口腔、舌体上表面和气管处会发现大量烟尘，有 时会是厚厚的一层，严重时会堵塞鼻腔和气管，致使肺通气不足，最终窒息死亡 第四，火灾烟气温度可高达几百度，在密闭的空问内( 如地下室) 烟气的温度 可高达1 0 0 0 0 c 人对高温烟气的忍耐是有限的，在6 5 0 c 时，可短时忍受；在1 2 a 时，1 5 m i n 内可产生不可恢复的损伤：1 4 0 0 c 时，可忍受5 m i n ；1 7 0 0 c 时可忍受l i n i n ； 温度再高些l n l i n 也忍受不了，会有强烈的疼痛感，心率加快，肌肉痉挛，出现休克， 不能及时逃离火场而被烧死或其它因素致死刚 综上所述，火灾生成烟气的危害性可归纳为八个字，即缺氧、毒性、烟尘、 高温此外，火灾烟气对可见光有较强的遮蔽使用，使能见度大大降低，同时火 灾烟气中的氯化氢、氨气和氯等气体对眼睛有强烈的刺激作用，使人睁不开眼睛， 严重影响逃离现场的速度火灾现场产生的大量浓烟会使人们产生恐怖感，惊慌失 措，失去理智，给火场逃生造成混乱局面，具有很强的危害性。 2 3 烟气羽流 在烟气的运动中，烟气羽流起着十分重要的作用，它不断地向室内上层输送 北京交通大学硕士学位论文 质量和热量。羽流所卷吸的大量空气是烟气的主要来源，直接决定着烟气的生成 速率。由于浮力驱动，热烟气从火焰区直接上升产生羽流。羽流对周围的无烟冷 空气的卷吸作用可以为羽流提供氧气使得燃烧继续进行，同时使羽流在上升过程 中产生反锥形扩散。随着烟气不断上升，其温度在不断的下降，当到达房间顶部 时，会产生顶棚射流，上层烟气不断积累从而形成热烟气层。另一方面，当热烟 气到达房问墙壁时，会受到墙壁的阻碍作用而向下运动，形成反向的浮力流。如 果燃烧物接近门口，那么在门口处会产生很强的空气入射流，这会导致羽流柱的 轴向远离房门方向倾斜从而影响其对冷气体的卷吸作用。 在开始阶段没有烟气流出房间，随着上层热烟气层的高度逐渐下移，当到达 门框后，便产生了物质流。这样的话，在开始阶段上层逐渐增大的体积会对下层 气体产生压力，并迫使下层气体通过房间开口进入到相邻房间烟气一旦到达门 框上沿，门口羽流产生，由着火房间开始向非着火房间或外部环境产生烟气流动。 当烟气充满相邻的房间后，相邻房间的下层气体也被压下，这样造成相邻房间的 下层气体有一部分通过开口的下部进入到着火房间。这样在连接着火房间及非着 火房间的开口处便产生了方向相反的两股气流。所有气流均是由温度及烟气层厚 度不同而引发的压力和气体密度不同所引起的【l 叨 当火源处在不同位置时，由于受到条件的限制，卷吸的空气量将不同，形成 的烟气羽流也有差别。主要分为轴对称羽流、壁面羽流、墙角羽流、阳台溢出羽 流、窗户羽流等。下面分别说明弘n 。 2 3 1 轴对称羽流 轴对称羽流又称非受限羽流或自由羽流，指烟气卷吸不受墙边等其它障碍物 的影响，可以沿着高度从任一方向卷吸空气。当火源位于大空问的中央或附近时， 由于离墙壁较远，烟气发展受周围墙壁的影响不大，基本上可不受限制造卷吸周 围的空气，这种羽流可以近似看作轴对称羽流。 2 3 2 壁面羽流 当火源靠近墙壁的时候，由于受到墙的限制，羽流将主要从远离墙的一边卷 吸空气，这种羽流称为壁面羽流。 第2 章烟气的基础知识 2 。3 3 墙角羽流 当火源位于墙角的时候，生成的羽流为墙角羽流这种羽流对空气的卷吸受 两侧墙的限制，卷吸量更少。 2 3 4 阳台溢出羽流 当烟气在上升的过程中遇到水平的阻挡物的时候，如阳台，烟气会先沿阻挡 物的下部水平运动，到达边缘后转向竖直方向的运动，称为阳台溢出羽流。 2 3 5 窗户羽流 当烟气从墙上的开口。如窗户、门等进入大空间时就形成了窗口羽流 此外，在火灾中，羽流上升撞击顶蓬后沿顶蓬做水平运动，形成顶蓬射流。 由于它的作用，使安装在顶蓬的感烟探测器、感温探测器和水喷淋头产生响应， 自动报警和灭火。 羽流具有很强的湍流特性，详细描述其结构需要使用很复杂的模型。为了研 究和应用的方便，通常假定为羽流是从某个虚火源点产生的，且呈现轴对称结构， 这一理想化的羽流模型如图2 所示圈 羽冼简图 l b ) 理息亿捌漉 图2 烟气羽流示意图 其质量流率可按以下简化公式计算： 北京交通大学硕士学位论文 辫= c l q 。z 纠3 + 0 0 0 1 8 级 ( 2 2 ) 式中，m 表示羽流在z 高度处的质量流率( k g ，s ) ，q 表示火源的总热释放速率q 的对流部分( k w ) ，在一般火灾条件下，可以认为见= o 7 q ，z 为烟气羽流离开 地面一定高度( m ) 。常数g 的值为o 0 0 7 l 左右。 羽流的体积流率为： 矿= 村p ( 2 3 ) 式中，矿为z 高度处的羽流体积流率( m ) ，p 为z 高度处的气体密度( k i n 3 ) 2 4 热释放速率( h 非) 2 4 1 定常火源 定常火源就是将火源热释放速率设为常数，不随时间变化。如对于以一定速 率喷出的可燃气体火灾和容器面积不变的油池火而言，其主要燃烧阶段均可认为 其热释放速率为常数。稳态火灾是一种理想化的假设，不过这种处理可以大大简 化计算过程。在防火安全分析与设计计算时，经常按该建筑中可能出现的最大热 释放速率( 定值) 的火灾来确定设计参数。它代表了在该建筑中可能发生的最严 重的火灾情况。虽然这种做法显得有些保守，但这正是火灾危险分析所要求的阎。 克劳特( 1 ( 1 0 t e ) 建议对于燃料受限的大空间，单位面积火源的热释放速率可取为 2 2 5k w m 2 ；当可燃物较多时，可取为5 0 0k wa n 2 。 2 4 2 时间平方增长火源 实际火灾的火源热释放速率是随时间变化的。通常火灾的发生和发展都要经 历缓慢阴燃阶段和较迅速的增长阶段。大量实验表明，许多物品从起火到旺盛燃 烧阶段，热释放速率大体按时间的指数规律增长，例如木材、塑料等。一般用下 面的二次方程描述瞄l ： q = a ( t t o ) 2 ( 2 4 ) 式中，a 表示火源功率增长系数( k w 缅2 ) ：t 表示点燃后的燃烧时间( s ) ；婊示 有效点燃时间( s ) 。 通常在计算中不考虑火灾出现明火前的阶段，即认为火灾从发生有效燃烧时 1 4 第2 章烟气的基础知识 算起，这样方程( 2 4 ) 可以写成： q = a 1 2 ( 2 5 ) 根据增长系数a 的不同，非稳态火源又可分为慢速增长、中速增长、快速增长和 超快速增长四种类型各类的火灾增长系数a 依次为o 0 0 2 9 3 l 、o o l l 2 7 、o 0 4 6 8 9 、 o 1 8 7 8 。 2 4 3t 2 一稳定火源 在某些情况下，火灾初期的火源热释放速率可按t 2 规律增长处理；但经过一 段时间后，由于受到燃料数量或燃烧面积的限制，热释放速率趋近于某个值，俩 如油池火及某些热塑料火等。在火灾危险分析计算中，经常采用这种简化处理【翻 2 5 烟气的控制 火灾发生时，产生大量的烟气和热量，如不及时捧出，就不能保证人员的安 全疏散和扑救工作的顺利进行而烟气控制，就是采用防烟和排烟的措施，减少 烟气的产生，并将烟气尽快排出【嘲。 2 5 1 防烟 建筑防烟有非燃化防烟、密闭防烟、阻碍防烟等多种方式其目的之一是杜 绝烟气源；目的之二是遏制烟气源，断绝起火房间内新鲜空气的供给，把火灾消 灭在初期阶段；目的之三是切断或阻止烟气扩散。 i 非燃化防烟 非燃化防烟是从根本上杜绝烟气源的一种方式。即使建筑材料、室内装修材 料、室内家具、各种管道及保温隔热材料等非燃化，从而做到不易燃烧且发烟量 很小。 2 密闭防烟 这种方式是采用密闭性能好的墙壁和门窗等将起火房间封闭起来，并对进出 房间的气流加以控制。当房间一旦起火时，杜绝新鲜空气的流入，使着火房间内 的火源因缺氧而自行熄灭，从而达到灭火防烟的目的。它适用于面积较小，楼板 和墙壁耐火性能、密闭性较好，采用防火门窗的房间 北京交通大学硕士学位论文 3 阻碍防烟 阻碍防烟方式是在烟气扩散路线上设置各种障碍，以阻止烟气扩散。这种防 烟方式常常应用于烟气控制区域的分界处，防火卷帘、防烟阀、挡烟垂壁、防火 门以及防火墙等都是这种阻碍结构。 2 5 2 排烟 建筑捧烟是使建筑火灾烟气尽快排出房间的一种技术措旌。主要通过自然摊 烟或机械排烟，迅速有效地排出着火区内产生的烟气，为安全疏散和灭火创造条 件。 1 自然捧烟 自然排烟是利用热气流的浮力和外部吸力，通过建筑物的对外开口或排烟竖 井，把烟气排至室外。自然排烟方式的优点是不需要动力，结构简单，运行可靠。 缺点是当火势猛烈时，火焰有可能从排烟口喷出，从而使火势向上蔓延而且排 烟受到外部风向的影响，当排烟口处在上风向时，还可能出现烟气倒灌现象，使 烟气扩散到着火区之外，所以自然排烟方式在实际应用中有很多限制。 2 机械排烟 这种方式是使用排烟风机进行强制捧烟。它由挡烟垂壁、排烟口、排烟防火 阀、排烟风机、烟气排出口组成，有局部排烟和集中排烟两种方式。局部排烟因 投资大、排烟风机分散、维修管理麻烦等原因，很少采用。集中排烟方式是将建 筑物划分为若干区域，在每个区域内设置若干排烟口，通过排烟风机排出。 2 6 本章小结 本章介绍了火灾烟气的发展过程，并对烟气的危害及烟气相关知识进行了解 释，为下面章节的阐述和说明打下了基础。 1 6 第3 章烟气流动的数学模型 第3 章烟气流动的数学模型 3 1 室内火灾模拟的主要方法 用计算机模拟的方法预测室内火灾烟气的流动是一种有效的方法，这种方法 除了具有参数设定的灵活性、预测结果的可再现性等优点外，火灾计算机模拟在 基于工程的消防系统评估、设计中起着至关重要的作用 室内火灾烟气流动的模拟方法分为场模型( f i e 配m 0 d c l ) 、区域模型( z o n e m o d e l ) 和网络模型( n 或- w o 出m o d e l ) 等，其中场模型和区域模型在模拟室内火灾烟 气流动中的应用较为广泛区域模型是把室内空间人为地分成两到三个区域，一 般划分为上部热烟气层和下部冷气层，并且认为每个区域内部的各个参量均匀分 布，都是时间的函数。为了进一步简化问题，对区域模型作如下假设】： l 、室内上部热烟气层和下部冷气层均匀； 2 、上下两层有明显的分界面； 3 、燃烧产物和有效热量及卷吸的空气全部进入上部热烟气层，且充分混合； 4 、下部冷气层视为热透明体，忽略火焰、烟气羽流对上部热烟气层和下部冷 气层的直接辐射作用； 5 、上下两层及周围空气均视为理想气体。 区域模型的控制方程为一系列相关的一阶非线性常微分方程组，运用个人电 脑可以方便地对其进行数值求解，该方法