室内火灾开口流动的FDS模拟.doc

室内火灾开口流动的FDS模拟室内火灾开口流动的FDS模拟宋艳,程远平,汪磊(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008)摘要:以Steckler开口流动实验数据作为参考,对比FDS模拟室内火灾开口流动的准确性及其影响因素.结果表明,在保证网格精度和正确的边界条件下,FDS对门洞开口质量流量的计算较为准确,而对窗户开口质量流量的预测误差较大;热释放速率的辐射分数和着火房间的压力升高都对模拟结果有一定的影响,对模型进行前期设置时应予以考虑.关键词:FDS;开口流动;Steckler实验中图分类号:X913.4.TK121文献标志码:A文章编号:10090029(2O10)l10965一O4目前,火灾场模拟软件FDS在全世界范围内被广泛应用于建筑性能化防火设计,火灾实验验证和火灾调查的数值模拟,科研人员和工程设计人员通过FDS建立各种不同的火灾场景,获得火灾结果的关键参数和设计准则.然而在实际使用过程中人们发现,FDS对火灾中开口流动的预测结果可能出现误差,该误差一般来自于算法本身的缺陷或边界条件的错误.关于室内火灾开口流动的实验在尺寸(全尺寸,1/8尺寸),燃料类型(池火和木垛火)和开口类型(标准门框高度,大门窗高度和通过门洞的走道流动)上差别很大.其中池火火源位于地板平面,而木垛火火源则高于地板,由于高度差异和木垛结构对卷吸行为的影响,木垛火灾的卷吸量小于池火火灾,所以相对于木垛火灾或其他类型的火灾,池火更加接近真实情况.笔者以Steckler开口流动实验为依据,通过模拟实验中的火灾场景,研究各种参数对误差的影响,将模拟结果与实验结果进行比较分析,以验证FDS预测室内火灾开口流动的准确性,并讨论导致误差的可能原因.1模型的建立在FDS中,影响模型准确性的因素很多.随着技术发展,FDS不断更新,对数据的算法也更为精确.此外,由于FDS采用CFD场模拟理论,对空间的各个物理参数进行离散计算,因此网格的精细程度和网格边界条件是非常重要的影响因素.为了保证模拟结果的准确可靠,笔者在建立火灾场景数值模型前,考虑了Steckler实验的各种实际情况,并对网格的精细程度和边界条件对模拟结果的影响进行分析.1.1Steckler实验设置Steckler的实验测量是在稳态火灾条件下完成的,实验房间设置见图1.房间的围护结构材料为轻质绝热纤消防科学与技术2OlO年11月第29卷第11期建筑防火设计维板,这种材料可以使火灾在点燃后30min内达到稳态.火源直径30cm,燃料为恒定质量流率的甲烷.在开口处设置移动式风速仪和热电偶,数量根据开口大小从28支到144支不等,同时在房间的角落设置一排吸入式热电偶,开口外部设置热电偶树,用来测量室外温度.火源功率分别为31.6,62.9,105.3,l58kW,其中开口尺寸设置见图2所示,门洞尺寸从0.240.99m不等,代号依次记为2/6,3/6,4/6,5/6,6/6,7/6和8/6,窗口尺寸分别为0.46,0.92,1.38m,代号记为1/3,2/3和3/3,火源位置设置见图3所示.图1Steckler实验设置示意图78609L)n1口.口口7/686一饵r口简r_开r_图2Steckler实验开口尺寸示意图1.2FDS模型建立根据FDS技术原理手册,在设定FDS火灾模型的时候,网格的精细度会极大地影响模拟结果.如果网格过于粗糙,会导致计算结果产生较大误差.此外,边界条件也直接影响算法.因此,正式模拟前,笔者选取不同网格尺寸的模拟结果进行对比,将网格尺寸由稀疏到精细设置,当网格精细度变化对结果的影响足够小时,即认为模拟结果不再受网格尺寸的影响.同时,考虑到FDS在计965算开口流动时计算边界位置的不同可能会影响模拟结果,笔者还将比较不同边界条件对模拟结果的影响,选取较为理想的设置条件.!一200ml图3Steckler实验火源设置示意图1.2.1模型准确性检验为设定适当尺寸的网格,FDS建议使用当量火源直径与网格尺寸的比值参数.当量火源直径D与网格尺寸dx的比值介于416之间时,一般认为能准确地得到计算结果,比值越大,越能精细地解析火源,避免数值截断导致的误差.当量火源直径D的计算公式如式(1).QD一()(1)J0cpT.g式中:D为当量火源直径,rfl;Q为火源热释放速率,kW;为空气密度,取1.204kg/m;c为空气定压比热容,取1.005kJ/(kg?K);T.为环境温度,取295K;g为重力加速度,取9.81m/s.本场景中Q为62.9kW,得到D为0.316ITI,对应的一般可得到准确模拟结果的最大值为0.079m.在此基础上,为了进一步验证不同网格精细度对模拟结果的影响,笔者拟比较0.1ITl0.1m和0.05m0.05m两种网格尺寸的结果.考虑以上各种情况,先选取火源位置A,火源功率62.9kw,开口宽度8/6的情况,设置4种火灾场景,网格尺寸分别设置为0.05,0.1iD-,计算边界分别设置在开口和开口外围,具体见表1所示.表1模型准确性检验场景设置火灾场景网格尺寸计算边界位置1开口0.11TIO.1IT12开口外围3开口0.O5m0.O5m4开口外围966模拟结果见图4所示.可以看出,计算边界条件对结果的影响较大,网格边界建立在开口处会造成较大的误差,因此在建立模型时应将计算边界置于开口外围(开口以外0.2m).对比不同网格尺寸的模拟结果可以看出,0.05m0.05m和0.1ITI0.1ITI这两种网格尺寸的模拟结果很接近,即此级别的网格尺寸对模拟结果的影响不大.由于0.05mX0.05in网格尺寸得到的数据波动更小,为保守起见,笔者在场景模拟中选取0.05in0.05m的均匀网格尺寸.时fu/s图4模型准确性检验结果1.2.2火灾场景选取对模拟网格的精细度和网格边界条件进行检验后,选取6个火灾场景,旨在讨论不同开口条件下,FDS模拟开口质量流量的情况.采用0.05inx0.05in的网格尺寸,并将网格计算边界置于开口外围0.2in处,模拟运行时间为300S,场景设置如表2所示,其中3个为不同门洞开口的流动场景,3个为不同窗口开口的流动场景,参考Steckler实验的场景设置,作如下设置,见表2所示.表2不同开口条件的场景设置门洞开口窗口开口2/65/6l8/61/3I2/33/32模拟结果与分析2.1模拟结果.不同开口条件各场景的开口质量流量模拟结果及与实验数据的比较见图5所示.火灾模拟结果显示,全部场景火灾均在100S内达到稳态.2.2结果分析由图5可以看出,开口处进入和流出的质量流量相差很小.这是由于相对于开口流动,燃料损失质量流率可以忽略.将开口处进入和流出的质量流量与Steckler实验结果进行比较,计算相对误差.结果见表3所示.从表3可以看出,门洞流动的模拟结果与实验数据偏差较小,均在10以内,可以认为,FDS能够较准确地预测此场景下的室内火灾开口流动.对于窗口流动,则与实验数据偏差较大,其中1/3开口设置的模拟误差达到19.9,并且窗口流动在计算时多了一个窗口下沿变量,这可能导致FDS开口流动算法中的系统误差.因此,利用FDS模拟室内火灾的窗口流动时,应谨慎处理.FireScienceandTechnology,November2010,Vol29,No.11765432OO0OOOO一;T一一时Ihj/s(|1)丌-I宽度为2/6时问/SLCj丌门宽度比向8/6时U/s(.7t门高度比为2/:表3模拟结果与实验数据的相对误差比较时间/s(h)开n宽度为/6一一_一._LJ-J+玎r进入流最+川?口浙fJj演L鲢实验均值时fjJ,sld)玎V1高度比I土1/:(,)71r1蹦度比为:/图5不同开口条件的模拟结果模拟流量实验流量进人流量流出流量开口参数/kg/s/kg/s误差误差2/60.2310.2518.77.35/S0.473O.5239.89.4%8/60.6350.6776.46.01/30.1350.11714.3%19.92/30.2670.30412.611.53/30.405O.46413.012.5注:模拟流量和实验流量为进入和流出流量的平均值3模拟参数影响分析为了进一步研究FDS在模拟室内火灾开口流动时的准确性,对FDS中可能影响预测结果的其他设置进行研究.首先,对热释放速率的辐射分数RADIATIONFRACTION进行修改.在FDS传热模型中,辐射分数代表热释放速率中用于热辐射的能量,其值在FDS中默认为0.35,这一取值是基于常见固体可燃物(如木材等)的实验结果得到的.根据美国消防工程师手册SFPEHandbook中Tewarson的实验数据,甲烷在该场景下的消防科学与技术2010年11月第29卷第1l期燃烧热和辐射热分别为49.6,7.0kJ/s,由此可以计算得出,甲烷在通风良好火灾场景下的辐射分数为0.141.Steckler实验中使用的燃料为甲烷,实验过程中通风状态良好,因此0.141可以应用到笔者的数值模拟设置中.其次,考虑在实际火灾实验中,由于着火房间温度升高,压力也会相应增大,虽然有通向外界的开口使压力不会显着增大,但绝对值仍有所增加.在之前对实验场景的模拟中,为贴近实际情况,将网格边界处设置为和大气相通,即着火房间内的压力始终等于大气压,这种设置与实际情况不符.FDS5.0中增加了压力区域设置,可以通过设置着火房间的压力变化检验这一因素的影响.基于以上两点考虑,笔者在原来设置的基础上修改辐射分数,对门洞流动的8/6开口这一场景重新进行模拟,结果见图6所示.在此基础上,增加着火房间的压力区域设置并进行模拟,结果见图7所示.可以看出,与图5(c)相比,图6和图7中模拟流量更加贴近实验值.为了更清楚地比较这三种设置条件的不同,笔者计算了各自的结果相对误差,见表4所示.967:粤07060504O3200220240260280300时间/s图6修正辐射分数的门洞开口代号为8/6的模拟结果兰:X:0706050403200220240260280300时川s图7修正辐射分数和压力区域的门洞开口代号为8/6的模拟结果表4开口流动模拟参数影响比较模拟流量实验流量进人流量流出流量开口参数/kg/s/kg/s误差误差8/60.6350.6776.4%6.08/6修正辐射分数O.646o.6775.o4.78/6修正辐射分0.6510.6774.63.9数和压力区域注:模拟流量和实验流量为进入和流出流量的平均值从表4可以看出,相同的开口条件下,修改热释放速率辐射分数后,偏差较以前有所减小;在此基础上设置着火房间压力区域后,模拟结果更加贴近实验值.因此,对这两种模拟参数的正确设置,可以有效地提高模拟结果的准确性.4结论(1)使用FDS模拟室内火灾开口流动时,应选取较精细的网格,以保证网格尺寸不会对计算结果产生影响.同时,应避免将计算网格区域设置在开口上,而应该设置在开口外围,这样可以避免由于边界条件设置不当带来的计算偏差.(2)在保证网格精度和正确的边界条件下,FDS对门洞开口质量流量的计算较为准确,对窗口开口质量流量的预测误差较大,原因可能来自于两种开口算法的不同.(3)FDS模型中热释放速率辐射分数和着火房间的压力升高都对模拟结果具有一定的影响,对模型进行前期设置时应考虑这两种因素的影响,以得到更加准确的模拟结果.968参考文献1WangL,QuintiereJG.AnanalysisofcompartmentfiredoorwayflowsJ.FireSafetyJournal,2009,44(5):718731.2Huz.NumericalsimulationoflowpressureexplosivecombustionincompartmentfiresD.CollegePark,MD:UniversityofMaryland,2008.L3JGrossD,RobertsonAF.Experimentalfiresinenclosures:TenthSymposium(Internationa1)0nCombusti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