数值模拟论文.doc

基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟研究摘要：建立了一个简化的高校宿舍空间模型，采用美国国家标准和美国技术研究院( NIST)开发的FDS软件，建立火灾模型，对宿舍火灾进行全尺寸模拟，通过模拟实验给出了火灾发生过程中烟气运动、温度变化和氧气浓度变化的规律，最后提出了灭火方案，并进行模拟和验证，为高校制定消防安全对策提供了有力的依据。关键词:高校宿舍；FDS模拟；灭火方案；消防安全对策Abstract: A simplify university dormitory space model be established,the FDS software developed by U.S.National Institute of Standards and Technology Research Institute(NIST) is used to build a model house in college and simulate the model dormitory fire in full-size .The law of smoke movement and the changed of vertical temperature and oxygen concentration in the course of fire is given through experiments.Finally extinguish scheme was proposed,performing simulation and verification so as to provides a strong basis for the college develop fire safety measures.Key words:university dormitory; fds simulation;extinguish scheme;fire safety measures0 引言 近年来，随着我国高校规模的扩大，一方面满足了社会对人才的需求，但同时也产生了很多问题，其中宿舍火灾事故屡有发生，已引起人们的极大关注。高等院校宿舍人口密度大，火灾荷载较多，再加上一些学生安全意识淡薄，给学生的生命和财产安全带来了极大威胁。因此，针对高校宿舍火灾预防的研究不断的受到重视。目前，对高校宿舍火灾从研究内容上包括高校学生宿舍火灾载荷的调查、宿舍火灾危险性分析、火灾发展情况的数值模拟以及宿舍火灾评价体系构建的各个方面。然而，高校火灾的风险性仍然很大，且造成的损失和影响严重。进一步对高校宿舍火灾的研究，仍然具有重要的实际意义。 目前，国内对高校宿舍火灾的实验研究比较少，因为火灾实体实验不但耗资巨大，并且由于条件有限，只能针对性地进行，缺乏全面性。因此采用计算机模拟根据有优越性。本文全尺寸数值模拟方法，利用FDS软件建立模型，获取火灾数据，以研究烟气运动、 氧气浓度变化规律，对指导学生疏散、减少火灾造成的伤害具有一定的实际意义。1 FDS数值计算原理1.1 FDS理论基础 FDS是由美国N IST ( National Institute of Standards and Technology)开发的一种场模拟程序，它是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的 N - s 方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于 FDS 程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证。因此，在火灾科学领域得到了广泛应用。在利用FDS 进行火灾模拟时均选用大涡模拟。1.2 FDS数学模型 FDS所求的基本方程如下： 1连续方程： 2能量守恒方程： 式中 k：导热系数（W/(mk)；h：比焓（J/kg)。 3组分守恒方程： 式中 Di：第i种组分的扩散系数（）；Yi：第i种组分的质量分数；单位体积内第i种组分的质量生成率（kg/(）4动量守恒方程： 式中: p：压力( Pa) ； : 黏性力张量( N) ; g: 重力加速度（m/s2) ; : 作用于流体上的外力( 除重力外)（N)。 以上为流体动力学基本方程，能够准确描述出烟气的流动与传热。2 高校宿舍的FDS建模2.1 建立网格 本文以某高校宿舍为参照实物建立模型： 设空间6.96m3.4m3.3m，划分网格参数见表12 表 1轴 min max 网格数X 0.0 5.5 32Y 0.0 2.0 20Z 0.0 3.3 19 最小网格尺寸0.17m0.17m0.17m，网格总数为12160。表 2轴 min max 网格数X 5.5 6.96 19Y 0.0 2.0 20Z 0.0 3.3 19 最小网格尺寸0.16m0.17m0.17m，网格总数为3420。 在模型中，我们假设起火原因是由宿舍内超负荷用电引起电线短路发热照成的。取红色小方块 ( 0.1 m0.1 m0.1 m ) 为火源, 热释放 功率为 1500k w / m2。具体模 型如下： 图 1 学生宿舍模型2.2 模型方案设置 我们假设在T=300s时，隔离上门被打开，考虑到宿舍平时通风情况，设置V=0.2/s的风机向里送风，前门设置为关闭。在X=2.7m，Y=1.2m，Z=1.7m(HDO3)，X=5.7m，Y=1.7m，Z=1.7m（HDO5)，设置感烟探头，X=2.7m，Y=1.2m，Z=1.7m(HDO5)，X=5.7m，Y=1.7m，Z=1.7m（SDO5)，设置感烟探头。 模型建好后，进行2400s的模拟计算。3 实验结果与分析3.1 烟气 有研究表明：在火灾中有2/3以上的死亡是由烟气导致的，延期的流动方向也决定人员的逃生方向。因此，对火灾中烟气的研究具有重要的意义。 通过模拟表明，烟气在宿舍内是受限运动模式，在初始时期，由于烟气的密度小于冷空气的密度，烟气垂直上升，到达顶棚后，成为水平方向的顶棚射流并逐步转播至整个顶棚面， 由于左右墙壁限制，烟气向下填充，在室内上空形成热烟气层，随着火势旺盛，烟气层逐渐变厚，最后充满整个空间。 如图2，当t=628s(10.5min）时，烟气层已经下降到1.0m处，远低于安全能见度（10m)，但是可燃物还在继续燃烧，烟气仍在积累，这对学生的疏散构成巨大威胁，并且烟气中还有很多有毒有害气体，将直接威胁人员的生命安全。因此学生宿舍火灾中烟气危害后果严重，在制定措施时应重点考虑火灾烟气的控制与排放。 图2 628s时烟气纵向分布图 从图3可知，当t= 6 55 s烟气浓度达到最大值，烟气浓度从40 %上升到最大值仅用74 s 。由于供风机的干预， 烟气浓度最后保持不变。 图 3 宿舍纵向烟气分布图3.2 温度 实验中特意在 Z = 1 7 m 的高度上横向布置两个感温探测器。采集的数据如图 4 所示，温度在横向方向变化的趋势比较，燃烧初始时期，释放热量不多，温度上升缓慢；随着可燃物加剧燃烧，温度梯度变化猛然增大，并在 t = 6 86.92 s( 11.45 m i n )附近，达到最高温度，对照三条线还可以发现，离进风口越近，温度越高，最后随着燃烧物消耗殆尽，温度又逐惭下降到环境温度。 图 4 温度探测器 温度时间曲线 根据常虹等人的研究结果，人在140下最多可忍受5min，而实验中，室内140以上的高温持续了657s（10.95min)。因此，此时未逃离的人员将非常危险。3.3 氧气浓度分析 由图5可知，离火源较近的左侧上部空间首先形成无氧区，并迅速向右边扩散，t = 439 .2s( 7.32 min)时距地面 17 m 以上已经形成无氧区，离进风口越近氧气浓度下降的越快。由图6，在t =501.7 s( 8.36 m i n ) 时，室内和阳台距地面10 m处上部空间已经形成无氧区，考虑到烟气在此时的分布，人应该迅速匍匐离开寝室；而在 t = 678.6s( 11.31 min) 时，阳台附近氧气浓度低0.1% ，人员无法待在阳台上。 图 6 501.7s氧气的浓度分布4 结论 从该模拟结果可知：（1） 当宿舍发生火灾时，对人员生命照成最严重危害的是火灾中的烟气。发生火灾时烟气迅速扩散，导致宿舍和走廊内的能见度在短时间内降至远低于安全能见度（10m)水平，严重威胁到宿舍内人员疏散。（2） 从阴燃剧烈燃烧之前是最佳的灭火时机，如果不能在这个时间段内灭火，将引起横向和纵向火焰轰然现象，火势将难以扑灭。 针对以上结论，高校可根据实际情况采取如下措施：（1） 在宿舍楼的各宿舍和走廊顶部布置火灾烟气探测器。当宿舍发生火灾时，火灾烟气探测器可以在很短时间内检测到火灾的发生，并迅速警示学生及时逃离火灾现场。在条件允许的情况下为宿舍安装喷淋系统。有研究已经表明，合理安装喷淋系统的学生宿舍，火灾时喷淋系统能够很好的降低烟气的浓度，并且能够把烟气层控制在火源上方顶棚附近，阻止其向非火灾区域蔓延。（2） 在宿舍走廊里设置排烟设备和防烟分区，并在走廊上方安置挡烟垂壁。发生火灾时，排烟设备可以把烟气及时排出宿舍楼，挡烟垂壁可阻隔延期的横向蔓延，减缓烟气向四周扩散的速度，延长人员逃生时间。参考文献1冯锐 浅析高校火灾特点及消防对策J 中国科技信息，2007，(6) : 172173 2 乐增， 金润国，毛龙等.高校宿舍火灾数值仿真模拟J.中国安全生产科学技术，2009，5（2）：51-55 3 常虹.某高校宿舍楼火灾再现模拟研究J.消防技术与产品信息,2008,(08):8-114 徐幼平，周彪，张腾，等 FDS在工业火灾中的应用J 工业安全与环保，2008，34( 5) :60615 刘军军，李风，张智强，等 火灾烟气毒性评价和预测技术研究J 中国安全科学学报，2006，16( 1) :76826 刘军，刘敏，智会强，等 FDS火灾模拟基本理论探析与应用技巧J 安全，2006，(1) :6137 武兰生，高应钦，智会强，等 FDS在中庭烟气控制系统设计中的应用J 安全，2006，(4) :2730 8 Floyd, J. E . , K. B . McGrattan , S. Hostikka , et a 1. CFD f ire Simulation using mixture fra ction combustion and finite volume radiative heat transfer J . Jou