CFAST6示例文檔

1、CFAST簡介一、CFAST概述CFAST是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）的火災(zāi)研究中心開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件，是繼HAZARD和FASTLite之后應(yīng)用在火災(zāi)危險(xiǎn)計(jì)算上的第二代軟件，現(xiàn)在的最新版本是CFAST6.0.10。CFAST是一個(gè)多室火災(zāi)模擬程序，是根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等基本物理定律建立的。CFAST建立的火災(zāi)模型是建立在雙區(qū)域模型理論基礎(chǔ)之上的，著火房間被劃分為兩個(gè)控制體，即上部煙氣層和下部的冷空氣層。CFAST6.0的運(yùn)行界面如圖2所示，菜單欄中有通常使用的“FILE”（文件），“RUN”（運(yùn)行），“TOOL”（工具），“VIEW ”（查看）和“HELP”（幫助）

2、五個(gè)菜單選項(xiàng)。文件菜單欄用來新建、打開和保存文件，運(yùn)行菜單中可對火災(zāi)進(jìn)行模擬和打開可視化程序（smokeview）的模擬結(jié)果，工具菜單中可以打開可燃物和傳熱的介質(zhì)的編輯界面，設(shè)置各種物理量的單位，查看菜單可以查看輸入文件和輸出文件，幫助菜單提供對用戶使用說明。該軟件主要由simulation environment（環(huán)境參數(shù)模塊）、compartment geometry（房間參數(shù)模塊）、horizontal flow vents（水平通風(fēng)模塊）、vertical flow vents（垂直通風(fēng)模塊）、mechanical flow vents（機(jī)械排煙模塊）、fire（火源設(shè)定模塊）、det

3、ection/suppression（噴頭及火災(zāi)探測器模塊）、targets（目標(biāo)物模塊）、surface connection（房間交界面設(shè)定模塊）等九個(gè)模塊組成。通過確定各個(gè)模塊中需要設(shè)定的參數(shù)值，描述火災(zāi)發(fā)生前的場景，然后就可對火災(zāi)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果的所有輸出文件都將與輸入文件保存在同一個(gè)位置，通過文件菜單中的“SAVE”可將文件保存在設(shè)定的文檔中，如果沒有保存，在對火災(zāi)進(jìn)行模擬時(shí)，軟件會提醒你先將文件保存，然后才能進(jìn)行模擬。CFAST模擬的輸出文件包括五類型文件，分別是模擬文件的txt文檔、電子表格excel逗號分隔值文件、模擬可視化文件（smokeview程序文件）、可視化的火災(zāi)場景

4、autocad打印文件和二進(jìn)制輸出文件。電子表格是主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析的文件，具體又包括四類文件，分別以n.csv、s.csv、f.csv、w.csv為后綴。其中，以n.csv為后綴的文件提供兩類數(shù)據(jù)，一類是房間的基本參數(shù)，如上下煙氣層的溫度、煙氣層的高度、體積、壓強(qiáng)和兩個(gè)默認(rèn)的目標(biāo)空間的相關(guān)數(shù)據(jù)，第二類是火焰的基本參數(shù)，包括可燃物的燃燒速率、熱分解速度、熱釋放速率，火焰高度和熱對流等；以s.csv后綴的文件提供各個(gè)房間內(nèi)的氣體成分如CO、CO2、O2、HCN等體積分?jǐn)?shù)和煙氣的能見度等參數(shù)；以f.csv后綴的文件存放的是在水平和垂直通風(fēng)口和機(jī)械排煙的煙氣流量等相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)；以w.csv后

5、綴的文件保存的是房間的各個(gè)表面和模擬者自己設(shè)置的目標(biāo)空間的溫度、熱通量等參數(shù)以及報(bào)警系統(tǒng)和滅火裝置的動作情況的數(shù)據(jù)。二、CFAST應(yīng)用通過模擬一所普通的小型民用住宅，討論CFAST模擬使用，并對小型住宅的火災(zāi)危險(xiǎn)性和轟燃的發(fā)生做一個(gè)簡單的分析。住宅立體簡圖如圖1所示：圖1 住宅立體簡圖這所民用住宅由一個(gè)房間和一個(gè)陽臺組成，房間的尺寸為長4m，寬6m，高3m，有兩扇門，一個(gè)通向室外，一個(gè)通向陽臺，通向室外的門距左側(cè)墻壁2m，通向陽臺的門距左側(cè)墻壁0.5m，尺寸大小都為寬1.2m，高2m；通向陽臺有一扇窗戶，下沿離地高度為1m，高2m，寬2m，與左邊門的右側(cè)相距0.3m；陽臺的尺寸為長4m，寬2m

6、，高3m，有對外的窗戶，距地高度1m，高1.5m，從墻的左側(cè)貫穿到右側(cè)。該房屋中有兩個(gè)常見的家具，一具沙發(fā)和一臺電視，運(yùn)用CFAST模擬沙發(fā)著火引發(fā)的室內(nèi)火災(zāi)，描述發(fā)生火災(zāi)時(shí)室內(nèi)溫度分布情況和煙氣的流動。1、火災(zāi)模擬場景設(shè)置、首先打開CFAST，進(jìn)入到CFAST界面的simulation environment（環(huán)境參數(shù)模塊）界面中，如圖2所示：圖2 環(huán)境參數(shù)模塊界面在界面里，可以在title中填寫名稱對每次模擬進(jìn)行標(biāo)注；在simulations框架中對模擬時(shí)間，電子表格輸出時(shí)間間隔，可視化輸出時(shí)間間隔等進(jìn)行設(shè)置；在ambient conditions框架對周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括室內(nèi)室外的

7、環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、濕度和相對位置高度，室外風(fēng)速等參數(shù)；在error窗口中，程序記錄了模擬者所有的操作過程。本例中將模擬時(shí)間設(shè)置為1800s，電子表格輸出時(shí)間間隔為30s，其他都采用默認(rèn)值。 圖3 模擬條件設(shè)置 圖4 室內(nèi)外環(huán)境初始狀態(tài)參數(shù)設(shè)置、點(diǎn)擊compartment geometry，進(jìn)入到房間參數(shù)設(shè)置模塊，如圖5所示：圖5 房間參數(shù)模塊界面截圖在這個(gè)模塊中可以添加房間，建立著火空間，對房間的尺寸、材料、類型和橫截面進(jìn)行設(shè)置。本例中，點(diǎn)擊Add，添加第一個(gè)房間，在compartment name窗口中命名該房間為fangjian1，按照要求在geometry框架中輸入房間的尺寸和坐標(biāo)。在CF

8、AST中，房間的位置坐標(biāo)設(shè)置如圖6所示，以房間的左下方靠前的位置點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，第一個(gè)房間的坐標(biāo)位置是（0，0，0），其它房間的位置就應(yīng)該是左下方靠前墻角在第一個(gè)房間的坐標(biāo)系中坐標(biāo)值；在martial框架中，對房間的屋頂、地板和墻壁的材料進(jìn)行設(shè)置，這里都將它們設(shè)置為常用的Gypsum Board (5/8 in)（石膏板）；flow characteristic框架選擇設(shè)房間的類型，normal表示正常的房間，即采用雙區(qū)域理論的房間模型，shaft和corridor分別表示豎井和走廊式的房間，本例中選用默認(rèn)值normal；Variable cross-sectional area框架用來設(shè)置房間

9、的橫截面隨高度增加的變化情況，顯然本例中不需要設(shè)置此項(xiàng)內(nèi)容。圖6 房間坐標(biāo)系分布同理，添加第二個(gè)房間陽臺，命名為yangtai，可以通過使用duplicate鍵對第一個(gè)添加的房間進(jìn)行復(fù)制，在第一個(gè)房間的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。如果在其他設(shè)計(jì)中需要調(diào)換房間的位置或刪除不需要的房間時(shí)，可以點(diǎn)擊move up或move down來移動到上邊或下邊，或Remove鍵用來移除。對陽臺的房間參數(shù)按照要求進(jìn)行設(shè)置，顯然陽臺的位置坐標(biāo)應(yīng)該是（0，6，0），如圖7所示：圖7 房間yangtai的尺寸和坐標(biāo)、點(diǎn)擊horizontal flow vents，對房間水平通風(fēng)口進(jìn)行設(shè)置，包括通風(fēng)口的位置、尺寸、開口情況等，界面

10、圖8所示：圖8 水平通風(fēng)模塊截面通風(fēng)口的添加與房間參數(shù)模塊相同，點(diǎn)擊Add，進(jìn)行添加。vent offset表示通風(fēng)口與在右下角face框中選定值對應(yīng)的墻壁的偏移距離。前后墻上的水平通風(fēng)口offset值是通風(fēng)口的左端與左墻壁的距離，左右墻壁上的水平通風(fēng)口offset值是通風(fēng)口與前墻壁的最近距離。Face值指示通風(fēng)口在墻壁的前后左右的哪側(cè)墻，對應(yīng)的英文值分別為front、rear、left、right。通風(fēng)口的尺寸參數(shù)由sill、soffit和width來確定，sill表示通風(fēng)口的下沿與地面的距離，soffit表示通風(fēng)口的上沿與地表面的距離，width表示通風(fēng)口的寬度。Initial openi

11、ng fraction、final opening fraction、change fraction at表示在起始時(shí)和結(jié)束時(shí)通風(fēng)口的開口面積占通風(fēng)口總面積的比例和從模擬開始算起開口面積變化的時(shí)間點(diǎn)。這個(gè)參數(shù)的設(shè)置在研究通風(fēng)對室內(nèi)火災(zāi)的影響和轟燃的發(fā)生有很重要的作用。本例中，按照要求，需要設(shè)置四個(gè)通風(fēng)口，fangjian1需要設(shè)置一扇門通向室外，一扇門和一扇窗戶通向陽臺，yangtai需要設(shè)置一扇窗戶通向室外。具體尺寸按照題目要求輸入，室內(nèi)的門窗的始末開口比例都設(shè)置為0.5，fangjian1通向室外的門的初始開口比例設(shè)置為0.01，在500s以后，設(shè)置為1，yangtai通向室外的門的開口比

12、例保持為0.01。通過這樣的設(shè)置來研究轟燃的出現(xiàn)。 、點(diǎn)擊vertical flow vents，打開垂直通風(fēng)口的設(shè)置模塊，可對垂直通風(fēng)口的位置、面積、形狀和開口情況等進(jìn)行設(shè)置，界面圖9所示：圖9 垂直通風(fēng)模塊截面同水平通風(fēng)口的添加相同，點(diǎn)擊add來添加通風(fēng)口，在top compartment中選擇通風(fēng)口通向的上部空間，一般選擇outside，bottom compartment中選擇通風(fēng)口屬于哪個(gè)房間。在cross-sectional area中填寫通風(fēng)口的面積，shape中選擇通風(fēng)口的形狀，其中有兩種形狀可供選擇圓形和正方形，開口面積比例設(shè)置與水平通風(fēng)口的設(shè)置相同。在本例中，在fangji

13、an1中設(shè)置一個(gè)自然排煙口，平時(shí)也可當(dāng)作天窗來使用。面積為1，形狀為正方形，始末開口比例都為0.01，表示關(guān)閉。、點(diǎn)擊fire，打開火源設(shè)定模塊，可以在這一個(gè)窗口中給房間添加可燃物，對可燃物位置、著火方式以及屬性進(jìn)行設(shè)置，其界面如圖10所示：圖10 火源設(shè)定模塊截面同前面敘述的模塊相同，點(diǎn)擊add、duplicate和remove鍵可以添加、復(fù)制和移除可燃物。添加好可燃物后，在compartment中選擇可燃物所在的房間，在position x、position y、position z坐標(biāo)系中填寫可燃物底面中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)，確定可燃物的位置。需要說明的是每個(gè)可燃物的位置坐標(biāo)都是相對以這個(gè)房間

14、的左下方靠前的位置為原點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)系的分布與圖5所示是相同的。在type中選擇受限火焰，Plume中選擇火焰類型，都是唯一可選的。Normal x、normal y、normal z用來描述可燃物外表面的法線方向，默認(rèn)值（0，0，1）表示可燃物水平放置，面朝正上方。Ignition criteria用來描述可燃物的著火條件，有三種條件可供選擇，分別是按照時(shí)間、著火溫度和熱通量來確定，選擇其中的一種，在ignition value中設(shè)置其值的大小。在fire object中可以選擇可燃物的類型，點(diǎn)擊edit，可打開圖11界面，可對可燃物的性質(zhì)進(jìn)行編輯。在該界面中添加移除可燃物，對可燃物的各種屬

15、性進(jìn)行設(shè)置，包括幾何尺寸、質(zhì)量、摩爾質(zhì)量、燃燒熱等等。在本例中，在fangjian1中添加兩個(gè)常用家具，一具沙發(fā)和一臺電視，沙發(fā)位置坐標(biāo)（2，3，0），電視的位置坐標(biāo)為（3，5，0），沙發(fā)是火源，把電視的著火條件設(shè)置為heat flux（熱通量），值設(shè)置為10KW/，其他值都采用默認(rèn)值。圖11 可燃物編輯界面本例中只對這幾個(gè)窗口進(jìn)行設(shè)置，其他的幾個(gè)窗口分別用來設(shè)置機(jī)械排煙、報(bào)警和噴水系統(tǒng)、目標(biāo)空間的監(jiān)測和房間交界面的設(shè)定，本例中暫且不予考慮。在對火災(zāi)場景設(shè)置完之后，要先對文件進(jìn)行保存，可以點(diǎn)擊界面下的save鍵或者從file菜單欄中點(diǎn)擊save，給工程命名為“cfast示例”，進(jìn)行保存，這樣輸

16、入文件和輸出文件都按照相同的工程文件名沿指定的路徑保存到文件夾中。點(diǎn)擊界面中的run鍵，或者從run菜單欄中點(diǎn)擊“model simulation，cfast”就可對房間的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬。模擬界面如圖12所示圖12 運(yùn)行界面2、模擬結(jié)果分析處理打開模擬結(jié)果保存的文件夾，可以從中找到所有的輸入文件和輸出文件。對數(shù)據(jù)結(jié)果的處理，主要通過對電子表格的四個(gè)文件的分析，研究房間內(nèi)煙氣流動特征、環(huán)境的溫度變化、可燃物的燃燒情況等，以認(rèn)識火災(zāi)發(fā)展過程。通過對數(shù)據(jù)的處理，做出煙氣層和可燃物的相關(guān)參數(shù)曲線，研究火災(zāi)的發(fā)展。在此分別做出了煙氣層高度、溫度、火源熱釋放速率、煙氣向室外流動速率隨時(shí)間的變化曲線，如下

17、圖：從變化的煙氣層高度中很明顯能看出，房間在不到三分鐘的時(shí)間就充滿了濃煙，從煙氣層的溫度變化和沙發(fā)的熱釋放速率曲線中可以看出，火災(zāi)在250s時(shí)，出現(xiàn)了第一次衰減，在500s時(shí)，由于房間通向室外的門打開，空氣大量流入，補(bǔ)充了可燃物燃燒所需要的氧氣，使火焰重新復(fù)燃，房間內(nèi)出現(xiàn)了轟燃，煙氣層溫度和火源的熱釋放速率急劇上升，第二次達(dá)到了高峰，煙氣層厚度也有明顯的下降，同時(shí)有大量煙氣涌出室外，可能導(dǎo)致火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延。等燃燒物燃燒殆盡時(shí)，煙氣層溫度回落，厚度保持在離地1m的高度。如果電腦中有smokeview可視化程序，可以打開輸出文件中的smokeview程序文件，觀察模擬的火災(zāi)燃燒情況，與上邊的分析是完全