基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟.doc

基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟第l6卷2009年第5期9月安全与环境SafetyandEnvironmental工程EngineeringVo1.16NO.5Sep.2009基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟乐增,金润国,毛龙(武汉科技大学资源与环境工程学院,武汉430081)摘要:采用美国国家标准和美国技术研究院(NIST)开发的FDS软件,建立了高校宿舍火灾模型,对宿舍火灾进行全尺寸模拟,通过模拟试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.关键词:高校宿舍;FDS;火灾数值模拟;最佳灭火时机;灭火方案中图分类号:X928.7文献标识码:A文章编号:16711556(2009)05008504NumericalSimulationofCollegeDormitoryFireBasedonFDSYUEZeng,JINRun-guo,MAOLong(SchoolofNaturalandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofScience&Technology,Wuhan430081,China)Abstract:Alargenumberofcollegestudentslivetogetherintensively,SOtherearemanyhiddendangers.Studentslifesafetyandpropertysafetyarethreatenedbydormitoryfire.Thekeyofputtingoutfireandevacuatingpeopleistograspthechangesoftheimportantparametersinthefire.TheFDS(FireDynamicSimulator)softwaredevelopedbytheU.S.NationalInstituteofStandardsandTechnology(NIST)isusedtObuildamodelhouseincollegeandsimulatethemodeldormitoryfireinfullsize.Thelawofthesmokemovementandthechangesofverticaltemperatureandoxygenconcentrationinthecourseoffireisgiventhroughexperiments.Keywords:collegedormitory;FDS;numericalsimulationoffire;thebesttimetoputoutfire;firefightingprogram0引言高等院校宿舍人口密度大,老式建筑多,再加上学生安全意识淡薄,违章使用大功率电器,火灾隐患多,极易导致火灾,给学生的生命和财产安全带来严重的威胁【_1.近年来,高校学生宿舍火灾屡有发生,例如:2008年11月14日上海商学院女生宿舍发生火灾,烟气迫使4名女生从6层楼高的宿舍跳下,不幸全部身亡;2008年5月5日中央民族大学女生宿舍28号楼6层S0601发生火灾,着火后楼道内浓烟弥漫,能见度不足10m;2007年1月4日湖北荆州某大学学生宿舍某室发生火灾,烧毁该宿舍大量物品.目前由于实验条件所限加之成本较高,国内对高校宿舍火灾试验研究较少,鉴于此,笔者采用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,氧气浓度变化等规律,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火灾数值模拟试验1.1FDS数值计算原理笔者选用FDS(FireDynamicSimulator,FDS)软件进行火灾数值模拟试验.FDS是由美国NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)开发的一种场模拟程序,它是一种以火灾中流体运收稿日期:20090216修回日期:20090327基金项目:湖北省重点研究项目(D200511001)资助.作者简介:乐增(1986),男,本科生,主要研究方向为建筑火灾及人员疏散.E-mail:lyuezengl163.corn86安全与环境工程第16卷动为主要模拟对象的计算流体动力学软件,进行火灾模拟时均选用大涡模拟.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NS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.1.2模拟试验的设计1.2.1模型的设计参照某高校宿舍实物,建立学生宿舍全尺寸模型.宿舍开间长宽高为6.96m3.40m3.30m,整个寝室被隔墙分为内外两部分,隔墙上有门(宽高一1.4m1.9m),隔墙的右侧为阳台部分;室内中轴线左右两侧各摆放铁架床两张,桌椅,皮箱和书本等日常用品,为简明起见,设置各物体之间的相对位置不变.在模型中,假设起火是由电线短路发热造成的,取红色小方块为火源(0.1m0.1m0.1m),中心坐标为X一1.85m,y一0.35m,Z一0.80m,热释放功率为1500kW,具体模型如图1所示.图1学生宿舍模型(O-位:m)Fig.1Studentsdormitorymodel注:图经过Smokview5.2.3处理1.2.2模型网格的剖分以隔墙为界,设置了两种网格来分别计算室内和阳台两个区域火灾的相关参数.假设室内区域(红色部分)长宽高为5.50m3.40m3.30m,网格参数见表1,最小网格尺寸为0.17mx0.17mx0.17m,网格总数12160;阳台区域(绿色部分)长宽高为1.461113.40m3.30m,网格参数见表2,最小网格尺寸为0.16m0.17m0.17m,网格总数3420.表1室内区域网格剖分Table1Meshgeneration表2阳台区域网格剖分Table2Meshgeneration1.2.3模型试验方案设置假设在一300S时,隔墙上的门被打开,考虑到宿舍平时的通风情况,设置一0.2m/s的风机向里送风,前门设置为关闭.为了便于研究火灾发生时烟气运动和温度分布的情况,在房间中人员活动高度范围内设置感烟探测器和感温探测器.即在X一2.7m,Y1.2m,Z=1.7m(SD03),X一4.7m,Y一1.7m,Z1.7m(SDO5),设置感烟探测器;在X一2.7m,Y一1.2m,Z一1.7m(HD03),X一3.7m,Y1.2m,Z1.7m(HD),X一4.7m,Y一1.7m,Z1.7m(HD05),设置感温探测器.建好模型后,进行2400S的模拟计算.2模拟试验结果与分析2.1烟气浓度有研究表明l4:在火灾中有2/3以上的死亡是由烟气所致,烟气的流动方向也决定人员的疏散方向,因此对烟气流动的研究有重要的意义.图2为起火后628S时烟气的流动情况.由图2可以看出,当一628S(10.5rain)时,烟气层已经下降到1.0m处,其能见度很低,而可燃物还在剧烈燃烧,烟气仍在积累,学生此时几乎无法生存.01.73.55.27图2628S时烟气分布图(单位:m)Fig.2Gasdistributionat628seconds注:图经过Smokview5.2.3处理?烟气图3为宿舍中轴线上感烟探测器(SDO3)采集的数据.由图3可知,当一655S时,烟气浓度达到最大值,而烟气浓度从4O上升到最大值的时间仅为74S.由于供风机的作用,烟气浓度最后保持不变.如如Or32o/1-Zt上O第5期乐增等:基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟87璺图3宿舍中轴线测烟点烟气浓度曲线Fig.3Curveofsmokeconcentrationofstudentsdormitorymidfieldaxissmokedetector注:图经过Origin7.5处理模拟表明,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传播至整个顶棚面,由于左右墙壁的限制,烟气向下填充,在室内上空形成热烟气层;随着火势加大,烟气层逐渐变厚,最后充满整个空间.2.2温度试验中在Z一1.7m的高度上布置3个感温探测器,采集的数据如图4所示.由图4可知:温度在横向方向的变化趋势基本相同,燃烧初期,释放热量不多,温度上升缓慢;随着可燃物燃烧加剧l5,温度梯度变化猛然增大,并在t一686.92S(11.45min)附近,达到最高温度;离进风口越近,温度越高,最后随着燃烧物消耗殆尽,温度又逐渐下降到环境温度.05001000150020002500时间/S图4感温探测器温度一时问曲线Fig.4Temptimetemperaturedetector注:图经过Origin7.5处理根据常虹的研究,人在140.C时最多可忍受5min,而试验中,室内140以上的高温持缓了657S(10.95min),因此未逃离宿舍的学生将十分危险.2.3氧气浓度不同时问条件下氧气浓度分布如图5,图6所示.由图5可知,离火源较近的左侧上部空间首先形成无氧区,并迅速向右扩散;t一439.2S(7.32rain)时距地面1.7m以上已经形成无氧区,离进风口越近氧气浓度下降得越快.由图6可知,在t一501.7s(8.36min)时,室内和阳台距地面1.0m以上空间已经形成无氧区,此时人应该迅速匍匐离开寝室;而在t一678.6s(11.31min)时,阳台附近氧气浓度很低,人员无法待在阳台上.氧气浓度为20%氧气浓度低于2O%图5439.2S时氧气的浓度分布图(单位:m)Fig.5Oxygendistributionat439.2seconds注:图5图8经过Smokview5.2.3处理氧气浓度为20%氧气浓度低于20%图6501.7S时氧气的浓度分布图(单位:m)Fig.6Oxygendistributionat501.7seconds2.4火焰在模拟中可以看到:t一6OS时,火焰开始向上铺垂直方向上蔓延;到达88S时,着火点所在床铺的火焰已经开始向顶棚喷射,可燃物还在加剧燃烧,火焰开始向左边床铺蔓延(如图7所示);到108S时,火焰已经蔓延到整个空间,形成了立体燃烧(如图8所示).在模拟计算中,如果宿舍前门打开,空气可以自由流动,有新鲜空气补给,火焰蔓延速度会更快.可见,如果在108S以内不能有效阻止火源燃烧,火焰会继续蔓延,人员和物品的安全将无法得到保障.OOOOOO0如加p赠88安全与环境工程第16卷火焰图788s时火焰分布情况Fig.7Combustionconditionat88seconds图8108s时火焰分布情况Fig.8Combustionconditionat108seconds3结论(1)高校学生宿舍空间狭小,烟气短时间很容易积聚,并且很难消散,即使学生避到阳台上,也难以忍受高浓度,高温度的烟气.(2)高校学生宿舍火灾发生后,宿舍内的温度和氧气浓度会在较短时间内威胁生命安全,因此火灾发生后学生应该迅速撤离.(3)从阴燃到剧烈燃烧之前是最佳的灭火时机,如果不能在这个时问段内灭火,将形成立体火焰,火势将难以扑灭.(4)由于学生的自救能力差,建议学校在宿舍楼安装自动喷水装置,以保护学生的生命和财物安全.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):172173.2Floyd,J.E.,K.B.McGrattan,S.Hostikka,eta1.CFDfireSimulationusingmixturefractioncombustionandfinitevolumeradiativeheattransferJ.JournalofFireProtectionEngineering,2003,(13):1136.3邵钢,杨培中,金先龙.FDS中非矩形边界隧道的自动建模J.计算机工程与应用,2005,41(36):213216.4Hietaniemi,J.,SHostikka,J.Vaari.FDSSimulationofFireSpread-ComparisonofModelResultswithExperimentalDataR.Finland:VTTBuildingandTransportPress,2004.2032.5Kevin,L,RKlein,SHostikka,eta1.b)reDynamicsSimulator(Version5)TechnicalReferenceOuideR.USA:NISTIR,2008.4748.6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,(8):811.7金旭辉,崔锷.大