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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(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)。
1 FDS 簡介
美國火災(zāi)研究機(jī)構(gòu)也對(duì)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(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(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(jì)算出來，小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響通過建立亞格子模型來模擬。
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，F(xiàn)DS部分主要是用來完成對(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)生的全過程。
2 couch 場(chǎng)景布置
場(chǎng)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(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，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，在原算例中沒種都設(shè)定了參數(shù)以及性質(zhì)，具場(chǎng)景布置圖。
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)生的過程，并得到相關(guān)的平面截圖。
3 模擬結(jié)果
通過對(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，燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CO 氣體[5]。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)的充滿了煙氣。沙發(fā)燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?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]。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。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。
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(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]。如所示，隨著時(shí)間的變化，HRR 開始時(shí)增長比較緩慢，當(dāng)在320S 以后時(shí)，速度迅速增長，并且隨著時(shí)間增長，增長的速率越來越大，在750s 時(shí)有一個(gè)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(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。
4 結(jié)論
本文通過對(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Smokeview 功能，觀察整個(gè)動(dòng)力學(xué)過程。分析數(shù)據(jù)結(jié)果，得到一些動(dòng)力學(xué)過程中的臨界值，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)才能得到滿意的結(jié)果。
[參考文獻(xiàn)] (References)
[1] Wong Chelsia Ruth. Contributi on of Upholstered Furniture to Residential Fire Fatalities in New Zealand[R ].Fire Engineering Research Report, 2001
[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(yùn)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(shí)驗(yàn)?zāi)M[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),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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