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基于FDS的沙發(fā)火災(zāi)數(shù)值模擬
0 引言
隨著生活條件的提高 ,裝飾家具越來越多地出現(xiàn)在現(xiàn)代建筑中 ,其種類和性能也越來越復(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,通過全尺寸實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其燃燒過程的熱釋放速率、室內(nèi)溫度場分布及煙氣流動,為建筑火災(zāi)防治和火災(zāi)安全設(shè)計提供參考依據(jù)。
1 FDS 簡介
美國火災(zāi)研究機(jī)構(gòu)也對本國的裝飾家具的火災(zāi)特性進(jìn)行了研究[3]。最終由NIST 開發(fā)的一種模擬程序FDS,它用數(shù)值求解方法求解一組描述熱驅(qū)動的低速流動的Navier-Stokes 方程,重點計算火災(zāi)中的煙氣流動和熱傳遞過程。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)值模擬是通過直接求解湍流的控制方程,對流場、溫度場及濃度場的所有時間尺度和空間尺度進(jìn)行精確描述,但是目前的計算條件下,只能用于對層流及較低雷諾數(shù)湍流流動的求解[4]。
一般情況下,在利用FDS 進(jìn)行火災(zāi)模擬時均選用大渦模擬。它是把包括脈動在內(nèi)的湍流瞬時運動通過某種濾波方法分解成大尺度量通過數(shù)值求解微分方程直接計算出來,小尺度運動對大尺度運動的影響通過建立亞格子模型來模擬。
FDS火災(zāi)動態(tài)模擬軟件主要由兩部分組成,分別是FDS和Smokeview部分。其中,F(xiàn)DS部分主要是用來完成對火災(zāi)場的創(chuàng)建和計算階段。而Smokeview部分則是對FDS計算結(jié)果的可視化,它以三維動態(tài)的形式顯示火災(zāi)發(fā)生的全過程。
2 couch 場景布置
場景長2.4 米,寬1.0 米,高2.4 米。在X 軸方向上共設(shè)有24 個網(wǎng)格,Y 軸方向上設(shè)有10 個網(wǎng)格。Z 軸方向上有24 個網(wǎng)格。本例子中設(shè)定時間為900 秒,直到運行結(jié)束為止。屋中材料有纖維、塑料、泡沫塑料、地毯等等,在原算例中沒種都設(shè)定了參數(shù)以及性質(zhì),具場景布置圖。
場景布置好之后,從DOS 中啟動FDS 計算,生成一系列的文件,其中包含我們所需要的結(jié)果。最后運行Smokeview 就可以形象地觀察火災(zāi)發(fā)生的過程,并得到相關(guān)的平面截圖。
3 模擬結(jié)果
通過對火災(zāi)場景的描述,利用FDS 軟件完整的模擬了單室火災(zāi)發(fā)生的全過程。沙發(fā)是由外套、填充材料、木質(zhì)框架等幾個獨立的可燃組件組合而成的可燃物,燃燒過程中會產(chǎn)生CO2、CO 氣體[5]。顯示了在T=800s 時的煙氣發(fā)生情況,從圖中可以看出在此時刻房間內(nèi)的充滿了煙氣。沙發(fā)燃燒過程中會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?,熱煙氣上升到頂棚后聚集成一個熱煙氣層 ,煙氣層的下方則是以新鮮空氣為主的冷空氣層[6]。表示了在T=800s 時,分別處于X=2.6m 層溫度場的分布情況,在此時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,與實際情況吻合。表示了在T=800s 時,熱釋放速率的分布圖,整個沙發(fā)的大部分位置hrr 都在200kw/m3 以上。
此外,利用excel 結(jié)果生成的表格,從FDS 模擬所得出的結(jié)果可以得出火源熱釋放速率與時間的關(guān)系。熱釋放速率(HRR,Heat Release Rate) 是指單位時間內(nèi)材料燃燒時所釋放的熱量,它是燃燒過程基本的特征參數(shù)之一, 也是衡量火災(zāi)危害程度的一個重要參數(shù)[7]。如所示,隨著時間的變化,HRR 開始時增長比較緩慢,當(dāng)在320S 以后時,速度迅速增長,并且隨著時間增長,增長的速率越來越大,在750s 時有一個小波峰,接著繼續(xù)增長,直到900s 以后才達(dá)到頂峰,趨于穩(wěn)定,可能此時沙發(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,這一點也符合燃燒學(xué)相關(guān)原理。
4 結(jié)論
本文通過對couch 算例的模擬計算,得到出房間內(nèi)部的溫度場的分布情況、煙氣流動等情況及沙發(fā)燃燒產(chǎn)生的熱釋放速率等相關(guān)的室內(nèi)火災(zāi)動力學(xué)參數(shù)。通過Smokeview 功能,觀察整個動力學(xué)過程。分析數(shù)據(jù)結(jié)果,得到一些動力學(xué)過程中的臨界值,整個發(fā)生發(fā)展規(guī)律也與實際情況符合,對室內(nèi)家具火災(zāi)特性研究有一定的意義,值得注意的是數(shù)值模擬選用的沙發(fā)尺寸結(jié)構(gòu)和性能等對數(shù)值計算的結(jié)果影響很大,只有選用合理的參數(shù)才能得到滿意的結(jié)果。
[參考文獻(xiàn)] (References)
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[2] 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].中國工程科學(xué),2002,4(7):80-85
[3] Ogle R A, Schumacher J L. Fire patterns on upholstered furniture: Smoldering versus flaming combustion[ J ].Fire Technology, 1998, 34 (3):247—265 .
[4] 王萬順,耿玉領(lǐng),范運領(lǐng).三維滲流模型模擬采空區(qū)注漿治理過程[J].中國煤田地質(zhì),2005,17(1)
[5] 張和平,楊昀,祝佳琰,等.室內(nèi)沙發(fā)火災(zāi)中CO2 和CO 氣體全尺寸實驗?zāi)M[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2005,4(29):48-49
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[7] ISO 9705,Fire tests-Full scale room test for surface products. International Standards Organization (ISO),Ceneva,1993
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