1、基于FDS的沙發(fā)火災(zāi)數(shù)值模擬魯義*(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州(221008摘要:本文結(jié)合FDS軟件中自帶的couch算例,利用FDS對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)置,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,可測(cè)算出房間內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布情況、煙氣流動(dòng)等情況及沙發(fā)燃燒產(chǎn)生的熱釋放速率等相關(guān)的室內(nèi)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。通過(guò)Smokeview功能,形象地顯示了火災(zāi)的的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。通過(guò)分析數(shù)據(jù)結(jié)果,為火災(zāi)安全性能化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。關(guān)鍵詞:沙發(fā);FDS;熱釋放速率;Smokeview中圖分類(lèi)號(hào):TDNumerical simulation of FDS on couch fireLu Yi(School of Sa

2、fety Engineering, China University of Mining & Technology, Jiangsu Xuzhou(221008Abstract: The couche example in FDS was researched in this paper.The fire scene was set by FDS.The temperature distribution inside the room, smoke flow, heat release rate of sofa combustion and other related fire dyn

3、amic parameters were measured.The dynamic development process of the room fire was vividly demonstrated through the function “Smokeview” of FDS. By analyzing the data results,it can provided reliale experimental data for the fire safety design and computer simulation.Key words: couch ;FDS;heat relea

4、se rate;smokeview0引言隨著生活條件的提高,裝飾家具越來(lái)越多地出現(xiàn)在現(xiàn)代建筑中,其種類(lèi)和性能也越來(lái)越復(fù)雜.室內(nèi)火災(zāi)的擴(kuò)大常常與可燃的裝飾家具有關(guān).導(dǎo)致人員死亡的火災(zāi)中有 1 /3是裝飾家具火災(zāi)1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,火災(zāi)中8 5%以上的死亡者是由于煙氣的影響,其中大部分是吸人了煙塵及有毒氣體昏迷后而致死的2。本文將以典型的sofa-Fire 算例為重點(diǎn),通過(guò)全尺寸實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其燃燒過(guò)程的熱釋放速率、室內(nèi)溫度場(chǎng)分布及煙氣流動(dòng),為建筑火災(zāi)防治和火災(zāi)安全設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1FDS簡(jiǎn)介美國(guó)火災(zāi)研究機(jī)構(gòu)也對(duì)本國(guó)的裝飾家具的火災(zāi)特性進(jìn)行了研究3。最終由NIST開(kāi)發(fā)的一種模擬程序

5、F DS,它用數(shù)值求解方法求解一組描述熱驅(qū)動(dòng)的低速流動(dòng)的Navier-Stokes方程,重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣流動(dòng)和熱傳遞過(guò)程。FDS提供了兩種數(shù)值模擬方法,即直接數(shù)值模擬(DNS:Direct Numerical Simulation和大渦模擬(LES:Large Eddy Simulation。直接數(shù)值模擬是通過(guò)直接求解湍流的控制方程,對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的所有時(shí)間尺度和空間尺度進(jìn)行精確描述,但是目前的計(jì)算條件下,只能用于對(duì)層流及較低雷諾數(shù)湍流流動(dòng)的求解4。一般情況下,在利用FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)均選用大渦模擬。它是把包括脈動(dòng)在內(nèi)的湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)通過(guò)某種濾波方法分解成大尺度量通過(guò)數(shù)值求解微分方

6、程直接計(jì)算出來(lái),小尺度運(yùn)作者簡(jiǎn)介:魯義(1986-,男,江西吉安人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全在讀研究生,從事礦井通風(fēng)防滅火技術(shù)方面的研究. E-mail: luyijx動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響通過(guò)建立亞格子模型來(lái)模擬。FDS火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件主要由兩部分組成,分別是FDS和Smokeview部分。其中,FDS部分主要是用來(lái)完成對(duì)火災(zāi)場(chǎng)的創(chuàng)建和計(jì)算階段。而Smokeview部分則是對(duì)FDS計(jì)算結(jié)果的可視化,它以三維動(dòng)態(tài)的形式顯示火災(zāi)發(fā)生的全過(guò)程。2couch場(chǎng)景布置場(chǎng)景長(zhǎng)2.4米,寬1.0米,高2.4米。在X軸方向上共設(shè)有24個(gè)網(wǎng)格,Y軸方向上設(shè)有10個(gè)網(wǎng)格。Z軸方向上有24個(gè)網(wǎng)格。本例子中設(shè)定時(shí)間為900秒

7、,直到運(yùn)行結(jié)束為止。屋中材料有纖維、塑料、泡沫塑料、地毯等等,在原算例中沒(méi)種都設(shè)定了參數(shù)以及性質(zhì),具場(chǎng)景布置圖如圖1。場(chǎng)景布置好之后,從DOS中啟動(dòng)FDS計(jì)算,生成一系列的文件,其中包含我們所需要的結(jié)果。最后運(yùn)行Smokeview就可以形象地觀察火災(zāi)發(fā)生的過(guò)程,并得到相關(guān)的平面截圖。 圖1 火災(zāi)場(chǎng)景布置3模擬結(jié)果通過(guò)對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景的描述,利用FDS軟件完整的模擬了單室火災(zāi)發(fā)生的全過(guò)程。沙發(fā)是由外套、填充材料、木質(zhì)框架等幾個(gè)獨(dú)立的可燃組件組合而成的可燃物,燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CO氣體5。圖2顯示了在T=800s時(shí)的煙氣發(fā)生情況,從圖中可以看出在此時(shí)刻房間內(nèi)的充滿(mǎn)了煙氣。沙發(fā)燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的

8、高溫?zé)煔?熱煙氣上升到頂棚后聚集成一個(gè)熱煙氣層,煙氣層的下方則是以新鮮空氣為主的冷空氣層6。圖3表示了在T=800s時(shí),分別處于X=2.6m層溫度場(chǎng)的分布情況,在此時(shí)刻單室的上部的溫度幾乎達(dá)到峰值1000,并且可以看出此時(shí)平均溫度由上往下逐層下降,靠近貨源的切面上溫度都在1000°C以上,越往右邊溫度呈現(xiàn)環(huán)狀的下降,與實(shí)際情況吻合。圖4表示了在T=800s時(shí),熱釋放速率的分布圖,整個(gè)沙發(fā)的大部分位置hrr都在200kw/m3以上。 圖2 T=800s時(shí)煙氣發(fā)生情況 圖3 X=2.6m的溫度分布云圖 圖4 Hrr 分布云圖此外,利用excel 結(jié)果生成的表格,從FDS 模擬所得出的結(jié)果

9、可以得出火源熱釋放速率與時(shí)間的關(guān)系。熱釋放速率(HRR,Heat Release Rate 是指單位時(shí)間內(nèi)材料燃燒時(shí)所釋放的熱量,它是燃燒過(guò)程基本的特征參數(shù)之一, 也是衡量火災(zāi)危害程度的一個(gè) 重要參數(shù)7。如圖5所示,隨著時(shí)間的變化,HRR 開(kāi)始時(shí)增長(zhǎng)比較緩慢,當(dāng)在320S 以后時(shí),速度迅速增長(zhǎng),并且隨著時(shí)間增長(zhǎng),增長(zhǎng)的速率越來(lái)越大,在750s 時(shí)有一個(gè)小波峰,接著繼續(xù)增長(zhǎng),直到900s 以后才達(dá)到頂峰,趨于穩(wěn)定,可能此時(shí)沙發(fā)燃燒的已經(jīng)差不多了。燃燒反應(yīng)本身能夠釋放的能量殆盡,這一點(diǎn)也符合燃燒學(xué)相關(guān)原理。HRR隨時(shí)間的變化情況0.00E+002.00E+024.00E+026.00E+028.0

10、0E+021.00E+031.20E+031.40E+031.60E+031.80E+032.00E+03166131196261326391456521586651716781846911t/s h r r /k w s FDS_HRR_Time kW HRR圖5 HRR 隨時(shí)間的變化情況4結(jié)論本文通過(guò)對(duì)couch算例的模擬計(jì)算,得到出房間內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布情況、煙氣流動(dòng)等情況及沙發(fā)燃燒產(chǎn)生的熱釋放速率等相關(guān)的室內(nèi)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。通過(guò)Smokeview功能,觀察整個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。分析數(shù)據(jù)結(jié)果,得到一些動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的臨界值,整個(gè)發(fā)生發(fā)展規(guī)律也與實(shí)際情況符合,對(duì)室內(nèi)家具火災(zāi)特性研究有一定的意義,值

11、得注意的是數(shù)值模擬選用的沙發(fā)尺寸結(jié)構(gòu)和性能等對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果影響很大,只有選用合理的參數(shù)才能得到滿(mǎn)意的結(jié)果。參考文獻(xiàn) (References1Wong Chelsia Ruth. Contributi on of Upholstered Furniture to Residential Fire Fatalities in New ZealandR .Fire Engineering Research Report, 20012 黃銳,楊立中,方偉峰,等.火災(zāi)煙氣危害性研究及其進(jìn)展J.中國(guó)工程科學(xué),2002,4(7:80-853 Ogle R A, Schumacher J L. Fire p

12、atterns on upholstered furniture: Smoldering versus flaming combustion J .Fire Technology, 1998, 34 (3:247265 .4王萬(wàn)順,耿玉領(lǐng),范運(yùn)領(lǐng).三維滲流模型模擬采空區(qū)注漿治理過(guò)程J.中國(guó)煤田地質(zhì),2005,17(15張和平,楊昀,祝佳琰,等.室內(nèi)沙發(fā)火災(zāi)中CO2 和CO氣體全尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)MJ.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,4(29:48-496范維澄,陳莉.臥室火災(zāi)危險(xiǎn)度的雙重性模型 J .中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 24 (2 : 220224 .7 ISO 9705,Fire tests-Full scale room test for surface products. International Standards Organization (ISO, Ceneva,1993中國(guó)科技論文在線 中國(guó)科技論文在線 項(xiàng)目基金 中文作者 英文作者 中文工作單位 英文工作單位 魯義 Lu Yi 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州（221008） School of Safety Engineering, China University of Mining & Technolog