數(shù)值模擬論文.doc

基于FDS的高校宿舍火災數(shù)值模擬研究摘要：建立了一個簡化的高校宿舍空間模型，采用美國國家標準和美國技術(shù)研究院( NIST)開發(fā)的FDS軟件，建立火災模型，對宿舍火災進行全尺寸模擬，通過模擬實驗給出了火災發(fā)生過程中煙氣運動、溫度變化和氧氣濃度變化的規(guī)律，最后提出了滅火方案，并進行模擬和驗證，為高校制定消防安全對策提供了有力的依據(jù)。關(guān)鍵詞:高校宿舍；FDS模擬；滅火方案；消防安全對策Abstract: A simplify university dormitory space model be established,the FDS software developed by U.S.National Institute of Standards and Technology Research Institute(NIST) is used to build a model house in college and simulate the model dormitory fire in full-size .The law of smoke movement and the changed of vertical temperature and oxygen concentration in the course of fire is given through experiments.Finally extinguish scheme was proposed,performing simulation and verification so as to provides a strong basis for the college develop fire safety measures.Key words:university dormitory; fds simulation;extinguish scheme;fire safety measures0 引言 近年來，隨著我國高校規(guī)模的擴大，一方面滿足了社會對人才的需求，但同時也產(chǎn)生了很多問題，其中宿舍火災事故屢有發(fā)生，已引起人們的極大關(guān)注。高等院校宿舍人口密度大，火災荷載較多，再加上一些學生安全意識淡薄，給學生的生命和財產(chǎn)安全帶來了極大威脅。因此，針對高校宿舍火災預防的研究不斷的受到重視。目前，對高校宿舍火災從研究內(nèi)容上包括高校學生宿舍火災載荷的調(diào)查、宿舍火災危險性分析、火災發(fā)展情況的數(shù)值模擬以及宿舍火災評價體系構(gòu)建的各個方面。然而，高?；馂牡娘L險性仍然很大，且造成的損失和影響嚴重。進一步對高校宿舍火災的研究，仍然具有重要的實際意義。 目前，國內(nèi)對高校宿舍火災的實驗研究比較少，因為火災實體實驗不但耗資巨大，并且由于條件有限，只能針對性地進行，缺乏全面性。因此采用計算機模擬根據(jù)有優(yōu)越性。本文全尺寸數(shù)值模擬方法，利用FDS軟件建立模型，獲取火災數(shù)據(jù)，以研究煙氣運動、 氧氣濃度變化規(guī)律，對指導學生疏散、減少火災造成的傷害具有一定的實際意義。1 FDS數(shù)值計算原理1.1 FDS理論基礎(chǔ) FDS是由美國N IST ( National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的一種場模擬程序，它是一種以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的 N - s 方程，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程。由于 FDS 程序是開放的，其準確性得到了大量試驗的驗證。因此，在火災科學領(lǐng)域得到了廣泛應用。在利用FDS 進行火災模擬時均選用大渦模擬。1.2 FDS數(shù)學模型 FDS所求的基本方程如下： 1連續(xù)方程： 2能量守恒方程： 式中 k：導熱系數(shù)（W/(mk)；h：比焓（J/kg)。 3組分守恒方程： 式中 Di：第i種組分的擴散系數(shù)（）；Yi：第i種組分的質(zhì)量分數(shù)；單位體積內(nèi)第i種組分的質(zhì)量生成率（kg/(）4動量守恒方程： 式中: p：壓力( Pa) ； : 黏性力張量( N) ; g: 重力加速度（m/s2) ; : 作用于流體上的外力( 除重力外)（N)。 以上為流體動力學基本方程，能夠準確描述出煙氣的流動與傳熱。2 高校宿舍的FDS建模2.1 建立網(wǎng)格 本文以某高校宿舍為參照實物建立模型： 設(shè)空間6.96m3.4m3.3m，劃分網(wǎng)格參數(shù)見表12 表 1軸 min max 網(wǎng)格數(shù)X 0.0 5.5 32Y 0.0 2.0 20Z 0.0 3.3 19 最小網(wǎng)格尺寸0.17m0.17m0.17m，網(wǎng)格總數(shù)為12160。表 2軸 min max 網(wǎng)格數(shù)X 5.5 6.96 19Y 0.0 2.0 20Z 0.0 3.3 19 最小網(wǎng)格尺寸0.16m0.17m0.17m，網(wǎng)格總數(shù)為3420。 在模型中，我們假設(shè)起火原因是由宿舍內(nèi)超負荷用電引起電線短路發(fā)熱照成的。取紅色小方塊 ( 0.1 m0.1 m0.1 m ) 為火源, 熱釋放 功率為 1500k w / m2。具體模 型如下： 圖 1 學生宿舍模型2.2 模型方案設(shè)置 我們假設(shè)在T=300s時，隔離上門被打開，考慮到宿舍平時通風情況，設(shè)置V=0.2/s的風機向里送風，前門設(shè)置為關(guān)閉。在X=2.7m，Y=1.2m，Z=1.7m(HDO3)，X=5.7m，Y=1.7m，Z=1.7m（HDO5)，設(shè)置感煙探頭，X=2.7m，Y=1.2m，Z=1.7m(HDO5)，X=5.7m，Y=1.7m，Z=1.7m（SDO5)，設(shè)置感煙探頭。 模型建好后，進行2400s的模擬計算。3 實驗結(jié)果與分析3.1 煙氣 有研究表明：在火災中有2/3以上的死亡是由煙氣導致的，延期的流動方向也決定人員的逃生方向。因此，對火災中煙氣的研究具有重要的意義。 通過模擬表明，煙氣在宿舍內(nèi)是受限運動模式，在初始時期，由于煙氣的密度小于冷空氣的密度，煙氣垂直上升，到達頂棚后，成為水平方向的頂棚射流并逐步轉(zhuǎn)播至整個頂棚面， 由于左右墻壁限制，煙氣向下填充，在室內(nèi)上空形成熱煙氣層，隨著火勢旺盛，煙氣層逐漸變厚，最后充滿整個空間。 如圖2，當t=628s(10.5min）時，煙氣層已經(jīng)下降到1.0m處，遠低于安全能見度（10m)，但是可燃物還在繼續(xù)燃燒，煙氣仍在積累，這對學生的疏散構(gòu)成巨大威脅，并且煙氣中還有很多有毒有害氣體，將直接威脅人員的生命安全。因此學生宿舍火災中煙氣危害后果嚴重，在制定措施時應重點考慮火災煙氣的控制與排放。 圖2 628s時煙氣縱向分布圖 從圖3可知，當t= 6 55 s煙氣濃度達到最大值，煙氣濃度從40 %上升到最大值僅用74 s 。由于供風機的干預， 煙氣濃度最后保持不變。 圖 3 宿舍縱向煙氣分布圖3.2 溫度 實驗中特意在 Z = 1 7 m 的高度上橫向布置兩個感溫探測器。采集的數(shù)據(jù)如圖 4 所示，溫度在橫向方向變化的趨勢比較，燃燒初始時期，釋放熱量不多，溫度上升緩慢；隨著可燃物加劇燃燒，溫度梯度變化猛然增大，并在 t = 6 86.92 s( 11.45 m i n )附近，達到最高溫度，對照三條線還可以發(fā)現(xiàn)，離進風口越近，溫度越高，最后隨著燃燒物消耗殆盡，溫度又逐慚下降到環(huán)境溫度。 圖 4 溫度探測器 溫度時間曲線 根據(jù)常虹等人的研究結(jié)果，人在140下最多可忍受5min，而實驗中，室內(nèi)140以上的高溫持續(xù)了657s（10.95min)。因此，此時未逃離的人員將非常危險。3.3 氧氣濃度分析 由圖5可知，離火源較近的左側(cè)上部空間首先形成無氧區(qū)，并迅速向右邊擴散，t = 439 .2s( 7.32 min)時距地面 17 m 以上已經(jīng)形成無氧區(qū)，離進風口越近氧氣濃度下降的越快。由圖6，在t =501.7 s( 8.36 m i n ) 時，室內(nèi)和陽臺距地面10 m處上部空間已經(jīng)形成無氧區(qū)，考慮到煙氣在此時的分布，人應該迅速匍匐離開寢室；而在 t = 678.6s( 11.31 min) 時，陽臺附近氧氣濃度低0.1% ，人員無法待在陽臺上。 圖 6 501.7s氧氣的濃度分布4 結(jié)論 從該模擬結(jié)果可知：（1） 當宿舍發(fā)生火災時，對人員生命照成最嚴重危害的是火災中的煙氣。發(fā)生火災時煙氣迅速擴散，導致宿舍和走廊內(nèi)的能見度在短時間內(nèi)降至遠低于安全能見度（10m)水平，嚴重威脅到宿舍內(nèi)人員疏散。（2） 從陰燃劇烈燃燒之前是最佳的滅火時機，如果不能在這個時間段內(nèi)滅火，將引起橫向和縱向火焰轟然現(xiàn)象，火勢將難以撲滅。 針對以上結(jié)論，高校可根據(jù)實際情況采取如下措施：（1） 在宿舍樓的各宿舍和走廊頂部布置火災煙氣探測器。當宿舍發(fā)生火災時，火災煙氣探測器可以在很短時間內(nèi)檢測到火災的發(fā)生，并迅速警示學生及時逃離火災現(xiàn)場。在條件允許的情況下為宿舍安裝噴淋系統(tǒng)。有研究已經(jīng)表明，合理安裝噴淋系統(tǒng)的學生宿舍，火災時噴淋系統(tǒng)能夠很好的降低煙氣的濃度，并且能夠把煙氣層控制在火源上方頂棚附近，阻止其向非火災區(qū)域蔓延。（2） 在宿舍走廊里設(shè)置排煙設(shè)備和防煙分區(qū)，并在走廊上方安置擋煙垂壁。發(fā)生火災時，排煙設(shè)備可以把煙氣及時排出宿舍樓，擋煙垂壁可阻隔延期的橫向蔓延，減緩煙氣向四周擴散的速度，延長人員逃生時間。參考文獻1馮銳 淺析高?；馂奶攸c及消防對策J 中國科技信息，2007，(6) : 172173 2 樂增， 金潤國，毛龍等.高校宿舍火災數(shù)值仿真模擬J.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2009，5（2）：51-55 3 常虹.某高校宿舍樓火災再現(xiàn)模擬研究J.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008,(08):8-114 徐幼平，周彪，張騰，等 FDS在工業(yè)火災中的應用J 工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34( 5) :60615 劉軍軍，李風，張智強，等 火災煙氣毒性評價和預測技術(shù)研究J 中國安全科學學報，2006，16( 1) :76826 劉軍，劉敏，智會強，等 FDS火災模擬基本理論探析與應用技巧J 安全，2006，(1) :6137 武蘭生，高應欽，智會強，等 FDS在中庭煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計中的應用J 安全，2006，(4) :2730 8 Floyd, J. E . , K. B . McGrattan , S. Hostikka , et a 1. CFD f ire Simulation using mixture fra ction combustion and finite volume radiative heat transfer J . Jou