第十三章建筑火灾的计算机模拟.ppt

第十三章建筑火灾的计算机模拟,建筑火灾的计算机模拟,FPB,火灾模拟,研究火灾发展过程的方法主要是理论推导、试验模拟和计算机模拟。火灾计算机模拟的优点：火灾计算机模拟成本低，经济性是其得到广泛关注和应用的主要原因。计算机模拟利用其仿真技术可以对火灾进行预测，预测性是其优于其他方法的主要特性。,建筑火灾的计算机模拟,FPB,火灾模拟结果演示,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课程主要内容,1、火灾计算机模拟技术概述2、建筑火灾规律3、火灾模拟的实现过程4、火灾模型及其分类5、火灾模型的局限性,建筑火灾的计算机模拟,FPB,1火灾计算机模拟概述,定义：利用计算机计算、数据库和图形图像等技术，对建筑火灾的发生、发展及蔓延过程进行定量研究的方法。发展：起步较晚，发展迅速。应用：主要应用于研究火灾机理和发展规律、性能化设计和消防安全评估、火灾调查和灭火指挥训练。,中关村地下工程性能化评估火灾模拟结果,返回,建筑火灾模型,5分钟后的能见度分布,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课程主要内容,1、火灾计算机模拟技术概述2、建筑火灾规律3、火灾模拟的实现过程4、火灾模型及其分类5、火灾模型的局限性,建筑火灾的计算机模拟,FPB,2.1火灾的双重性规律,火灾的发生、发展和蔓延过程所遵循的规律不同于一般工程科学，它既不是完全确定的也不是完全随机的，而是兼有确定性和随机性的双重规律。,火灾是时间上和空间上失去控制的燃烧。,随机性,确定性,时间上和空间上失去控制,燃烧,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课程主要内容,1、火灾计算机模拟技术概述2、建筑火灾规律3、火灾模拟的实现过程4、火灾模型及其分类5、火灾模型的局限性,建筑火灾的计算机模拟,FPB,3火灾模拟的实现过程,火灾模拟的实现过程,建筑火灾的计算机模拟,FPB,编制程序,离散过程,初始条件边界条件,质量、能量、动量以及组分方程,经典理论,与计算机技术结合,火场观测实验模拟,3火灾模拟的实现过程,火灾现象,经验公式,计算机软件,控制方程,单值条件,代数方程组,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课程主要内容,1、火灾计算机模拟技术概述2、建筑火灾规律3、火灾模拟的实现过程4、火灾模型及其分类5、火灾模型的局限性,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4火灾模型及分类,定义：火灾模拟中用于准确描述火灾现象及其发展过程的数学模型(计算机模型)。分类：对应于火灾的双重性规律,火灾,随机性,确定性,火灾模型,随机模型,确定模型,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4.1随机模型(概率模型),将火灾的发展过程看成一系列连续事件或状态，根据一个事件或状态转换到另一个事件或状态的概率来描述火灾的发展特性。特点：由一组描述火灾过程的状态和一组控制火灾状态转换的规则组成。模拟结果是非唯一的。代表模型BFSM(BuildingFireSimulationmodel),返回,建筑火灾的计算机模拟,FPB,随机模型结果的非唯一性,1,3,4,返回,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4火灾模型及分类,概念：火灾模拟中用于准确描述火灾现象及其发展过程的数学模型(计算机程序)。分类：对应于火灾的双重性规律,火灾,随机性,确定性,火灾模型,随机模型,确定模型,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4.2确定模型,确定模型的特点：通过一组数学方程来描述火灾发展过程。模拟结果是唯一的。时间步长与控制体迭代方法解方程时每一次迭代过程的时间长度称为时间步长(TimeStep)。模拟过程中划分出来的一定的空间体积称之为控制体(ControlVolume)。,建筑火灾的计算机模拟,FPB,确定模型结果的非唯一性,1,3,4,返回,1,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4火灾模型的种类,火灾模型,随机模型,确定模型,经验模型,区域模型,场模型,网络模型,混合模型,BFSM,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4.2.1经验模型,主要特点：在经验公式的基础建立经验模型只能模拟建筑火灾的分过程，适用于非研究人员进行快速浅层次模拟代表模型：NIST开发的专家系统FPETOOL(FireProtectionEngineeringTools)中科大开发的建筑火灾计算专家系统,建筑火灾的计算机模拟,FPB,火灾模型的种类,火灾模型,随机模型,确定模型,经验模型,区域模型,场模型,网络模型,混合模型,BFSM,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4.2.2区域模型,主要特点：将受限空间划分为几个控制体，并假设控制体内参数均匀，控制方程描述的是控制体之间的传质与传热过程无法反映空间内流场的细节，宏观模拟计算成本小，软件成熟，应用广泛代表模型：NIST开发的CFAST(ConsolidateFireAndSmokeTransport)中科大开发的FAC3,Ceiling,Wall,Wall,Floor,热烟气层,冷空气层,返回,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4火灾模型的种类,火灾模型,随机模型,确定模型,经验模型,区域模型,场模型,网络模型,混合模型,BFSM,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4.2.3场模型,主要特点：将空间划分为一系列的网格(控制体)，对每个网格求解控制方程能准确计算空间内火灾状态及其随时间的变化，反映流场细节计算量大，计算时间长，对计算机硬件要求高代表模型：通用计算流体力学模型(CFD)：PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD火灾模拟的专业软件：NIST开发的FDS,Ceiling,Wall,Wall,Floor,返回,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4火灾模型的种类,火灾模型,随机模型,确定模型,经验模型,区域模型,场模型,网络模型,混合模型,BFSM,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4.2.4网络模型,主要特点：将一个受限空间视为一个控制体(网络节点)，并假设每个控制体内的参数均匀，控制方程只反映网络节点间的状态变化主要应用于远离火场的区域代表模型：日本BRI，美国NBS等中国矿大将网络模型用于高层建筑的火灾模拟,建筑火灾的计算机模拟,FPB,4火灾模型的种类,火灾模型,随机模型,确定模型,经验模型,区域模型,场模型,网络模型,混合模型,BFSM,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课程主要内容,1、火灾计算机模拟技术概述2、建筑火灾规律3、火灾模拟的实现过程4、火灾模型及其分类5、火灾模型的局限性,建筑火灾的计算机模拟,FPB,5火灾模型的局限性,目前火灾模型不能模拟可燃物的实际燃烧过程,火灾模型中一些状态参数难以准确赋值,建筑火灾的计算机模拟,FPB,热释放速率试验结果,返回,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课程内容总结,1、火灾计算机模拟技术概述2、建筑火灾规律3、火灾模拟的实现过程4、火灾模型及其分类5、火灾模型的局限性,建筑火灾的计算机模拟,FPB,学习参考书,参考书目：火灾学简明教程范维澄等，中国科技大学出版社建筑火灾安全工程导论霍然等，中国科技大学出版社计算流体动力学分析王福军，清华大学出版社,建筑火灾的计算机模拟,FPB,课后作业,1、什么是火灾的双重性规律？2、火灾模型的类型？3、火灾模型的局限性？,建筑火灾的计算机模拟,FPB,经验模拟,1984，Bukowski(布考斯基)第一个估算火灾过程的经验公式。目前NIST发布FPETOOL(FireProtectionEngineeringTools)专家系统。中科大开发的建筑火灾计算专家系统。,建筑火灾的计算机模拟,FPB,建筑火灾主要分过程,建立火灾经验模拟的指导思想是将火灾的总过程划分为相对独立的分过程，然后对各个分过程以及分过程之间相互作用，逐一进行深入研究。,新鲜空气,新鲜空气,Ceiling,Wall,Wall,Floor,建筑火灾的计算机模拟,FPB,火焰高度,建筑火灾的计算机模拟,FPB,烟气羽流虚点源的位置,虚点源,卷吸的的空气,速度剖面,建筑火灾的计算机模拟,FPB,FPETOOL主要功能,单室火灾模型(ASETBXROOMMODEL)中庭烟气温度(ATRIUMSMOKETEMPERATURE)浮力压头(BUOYANTGASHEAD)顶棚羽流温度(CEILINGPLUMETEMPERATURE)逃生时间(EGRESSTIME)火、风、烟囱效应对门的作用(FIRE/WIND/STACKFORCEONAVENT)横向火焰传播(LATERALFLAMESPREAD)火灾严重性公式(LAWSSEVERITYCORRELATION),建筑火灾的计算机模拟,FPB,FPETOOL主要功能,通过开口的质量流(MASSFLOWTHROUGHAVENT)羽流填充速率(PLUMEFILLINGRATE)辐射引燃(RADIANTIGNITIONOFANEARFUEL)烟气通过开口的流动(SMOKEFLOWTHROUGHOPENING)喷淋器与探测器的响应(SPRINKLER/DETECTORRESPONSE)托马斯轰燃公式(THOMASSFLASHOVERCORRELATION)上层温度(UPPERLAYERTEMPERATURE)通风极限(VENT