流體力學課程報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上流體力學在建筑工程中的應用姓名：杜科材 班級： 學號:摘要：簡要介紹了流體力學的基本知識，針對計算流體力學計算的特點及模擬的目的, 對當前CFD 在建筑工程方向的研究進展進行了論述, 介紹了CFD的處理過程, 探討了CFD 技術在建筑工程中的應用前景, 指出將理論分析、實驗研究及數(shù)值模擬結合起來, 從而推動建筑工程的發(fā)展。并結合實際的工程實例論述了計算流體力學在現(xiàn)代建筑消防設計中的應用。關鍵詞： 流體力學；建筑工程；數(shù)值模擬；煙氣流場模擬1 流體力學學科的研究方法流體力學是力學的一個重要分支, 是一門重要的技術基礎課程.它是研究流體的機械運動規(guī)律以及運用這些規(guī)律解決實

2、際工程問題的一門學科。流體力學是一門既有較強理論性又有較強工程實際意義的課程, 幾乎每本流體力學教科書的緒論中都提到: 流體力學是為解決實際問題而產(chǎn)生的,并隨著社會的發(fā)展而進步的學科。許多近現(xiàn)代科學的重大成就都源于流體力學的研究, 從上遠古時期的治水工程, 到18世紀造船、航海的崛起, 從20 世紀的航空技術的發(fā)展, 到現(xiàn)在生物技術、環(huán)境科學的飛速進步, 無不滲透著流體力學的相關理論。在整個流體力學課程的學習過程中, 大多數(shù)人都被深奧的理論、繁雜的概念和高階偏微分方程所難倒。這就要求學習者必須有扎實的高等數(shù)學知識、靈活的綜合分析問題和處理問題能力。特別是在21 世紀, 最激烈的競爭就是高素質(zhì)人

3、才的競爭。而高校教育的任務就是要為國家培養(yǎng)造就一大批具有寬廣、深厚、扎實的基礎理論和技術基礎理論, 具有創(chuàng)新性和創(chuàng)造性的高級工程技術人才以適應經(jīng)濟時代對人才的要求。因此要求學生在拓寬基礎知識面, 打好堅實的理論基礎的基礎上重點提高綜合析和迅速解決問題的能力流體力學作為一門古老的學科, 其生命力在于不斷同其它學科領域相結合, 用它自身的學科視角審視其它領域, 解決其中存在的有關問題, 同時其自身在解決各種矛盾問題當中得到不斷的發(fā)展同。任何一門學科的知識量是無盡的, 不可能通過有限的學時講授很多內(nèi)容, 如何運用流體力學基本理論解決實際問題就顯得十分重要。那么, 流體力學的學習有什么規(guī)律可尋? 怎樣

4、才能與實際工程相結合? 這對教與學的雙方都提出了更高的要求。概括起來, 流體力學的研究方法大致分為3 類: 實驗、理論和數(shù)值模擬方法。1.1 實驗方法實驗方法是通過對具體流動的觀察與測量, 來認識流動的規(guī)律。理論上的分析結果需要經(jīng)過實驗驗證, 實驗又需用理論來指導. 流體力學的實驗研究, 包括原型觀測和模型實驗, 而以模型實驗為主。1.2 理論方法理論方法是通過對流體物理性質(zhì)和流動特征的科學抽象, 提出合理的理論模型。根據(jù)物質(zhì)機械運動的普遍規(guī)律,建立控制流體運動的閉合方程組, 將實際的流動問題, 轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題, 在相應的邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關鍵在于提出理論模型, 并能運用

5、數(shù)學方法求出理論結果, 達到揭示運動規(guī)律的目的。由此而產(chǎn)生了多相流體力學等。1.3 數(shù)值方法數(shù)值方法是在計算機應用的基礎上, 采用各種離散化方化方法(有限差分法、有限元法等) , 建立各種數(shù)值模型, 通過計算機進行數(shù)值計算和數(shù)值實驗, 得到在時間和空間上, 許多數(shù)字組成的集合體, 最終獲得定量描述流場的數(shù)值解。近三四十年來, 這一方法得到很大發(fā)展, 已形成一個專門的分支學科計算流體力學。2 計算流體力學在建筑工程中的應用2.1 計算流體力學簡介計算流體力學( Computational Fluid Dynamics, 簡稱CFD) 是基于計算機技術的一種數(shù)值計算工具, 用于求解流體的流動和傳熱

6、問題。它是流體力學的一個分支, 用于求解固定幾何形狀空間內(nèi)的流體動量、熱量和質(zhì)量方程以及相關的其他方程, 并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關數(shù)據(jù)。CFD 最早用于航空航天事業(yè), 用離散方程解決空氣動力學中的流體力學問題,后來不斷擴展到海洋 1 、化學 2 、鑄造 3 、制冷 4 、城市規(guī)劃設計 5 、汽車 6 等多個領域。近年來, CFD 也開始越來越多地應用到建筑工程中, 如對于高層建筑風場的模擬。CFD計算相對于實驗研究, 具有成本低、速度快、周期短、效率高, 可以模擬真實及理想條件, 后處理技術較完善, 便于分析計算結果等優(yōu)點。20 世紀60 年代末, CFD 技術已經(jīng)在流體

7、力學各相關行業(yè)得到了廣泛的應用 7 。這些年來, 隨著計算機技術的發(fā)展, CFD 應用方面的研究開始活躍起來。CFD 模擬的目的是做出預測和獲得信息, 以達到對流體流動的更好控制。建立數(shù)學物理模型是對所研究的流動問題進行數(shù)學描述。數(shù)學模型主要是由一組微分方程組成, 這些方程的解就是CFD 模擬的結果。CFD的基礎是動量、能量、質(zhì)量守恒方程, 在實際的應用中還會綜合利用其他方程。CFD 計算的方法主要有三種: 有限差分法、有限體積法、有限元法。計算流體力學是多領域交叉的學科, 涉及計算機科學、流體力學、偏微分方程的數(shù)學理論、計算幾何學、數(shù)值分析等學科。這些學科的交叉融合, 相互促進和支持, 也推

8、動著這些學科的深入發(fā)展。當然數(shù)值模擬也有一定的局限性: 1) 要有準確的數(shù)學模型,這不是所有問題都能夠做到的; 2) 數(shù)值模擬中對數(shù)學方程進行離散化處理時需要對計算中所遇到的穩(wěn)定性、收斂性等進行分析。這些分析方法大部分對線性方程是有效的, 對非線性方程則無效; 3) 受到計算機本身條件的限制, 即計算機運行速度和容量的限制, 只有計算機的速度、內(nèi)存和外圍設備達到一定程度時才會有計算流體力學發(fā)展新階段的出現(xiàn)。作為一門發(fā)展學科, 必然需要一個逐步成熟、完善的過程。2.2 CFD在建筑工程中的應用風是影響建筑物設計的主要氣象因素之一, 興建一座有足夠抗風強度的高層建筑需要考慮到風對結構體的動態(tài)載重效

9、應、建筑外墻的風壓、建筑物在強風作用下的擺動等結構安全性問題。對于大樓周邊風場變化情形研究主要采用風洞物理模擬試驗, 但隨計算機硬件水平的飛速發(fā)展和CFD 技術的不斷完善, 出現(xiàn)了與試驗相對應的數(shù)值模擬方法。建筑工程結構抗風的數(shù)值模擬有其自身的特點, 研究的對象多是鈍體繞流問題。由于鈍體繞流的特殊性, 鈍體外流體的數(shù)值模擬和流線體相比較存在諸多困難。尤其是湍流模型的選取, 要考慮模型對所求解問題的適用性 8 。比如: 高層建筑的幾何模型可以考慮為矩形。一般選用工程中應用廣泛的基于雷諾均值的標準模型。流場的控制方程是粘性不可壓N-S方程。3.案例介紹及性能化評估內(nèi)容3.1 案例介紹本案例涉及的建

10、筑是北京市一棟已建成的建筑,由于原設計不能滿足我國現(xiàn)行強制性防火規(guī)范要求,無法通過消防驗收。該建筑的建設單位請北京市消防局和國家建筑設計研究院共同為該建筑進行火災模擬設計, 確定是否需加設排煙系統(tǒng)。1) 建筑概況。該建筑為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構,建筑面積為20 840 m2, 建筑形式可以歸類為塔式核心桶式, 建筑層數(shù)為19 層( 地上17 層, 地下2 層) , 建筑主體高度( 檐口標高) 為60.6 m, 建筑類別為一類, 耐火等級為一級, 標準層面積約1 200 m2, 為工字形內(nèi)走道, 南北各設一部疏散樓梯, 北樓梯設疏散樓梯間前室, 南樓梯設合用前室。設有四部電梯, 其中三部為客用電梯,

11、 電梯層門開向內(nèi)走道( 兼電梯廳) , 一部為消防電梯, 電梯層門開向合用前室。辦公區(qū)域為大開間設計, 局部角落設領導小開間辦公室。該建筑在南北樓梯間和前室都設了消防機械加壓設施, 可保證火災時煙氣不輕易侵襲樓梯間和前室, 工字形內(nèi)走道原設計雖有外窗自然排煙, 但因設計變更, 外窗被堵塞使自然排煙失效, 造成超過20 m 長的內(nèi)走道不能滿足消防設計規(guī)范要求。 2)人員情況。該建筑為辦公建筑, 人員主要為本單位職工, 相對固定。從火災場景下人員疏散心理分析, 人員僅需要熟悉所在層建筑布局和首層建筑疏散通道布局, 就能保證滿足疏散要求。3)火災荷載。該建筑的火災荷載主要分布在辦公區(qū), 火災荷載主要

12、為辦公家具、電器設備和辦公用紙張、資料等。家具主材為中密度板, 外貼防火板。所以,火災荷載按中危險級考慮。 4)安全防火措施。該建筑三至十七層每層為一個防火分區(qū), 一、二層各分設三個防火分區(qū), 地下一層、地下二層各為兩個防火分區(qū)。防火墻采用加氣混凝土砌塊, 地面鋪地磚、墻面刷白、屋頂使用硅鈣板吊頂。辦公家具外貼防火板。其他材料性能、砌筑構造及面層做法符合防火有關的規(guī)范要求。全樓設置消火栓給水系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)和火災自動報警控制系統(tǒng), 以及火災緊急廣播系統(tǒng)、應急照明系統(tǒng)和安全疏散指示燈。5)需要解決的問題。該建筑的工字型內(nèi)走道,全長44 m, 最大長度26 m, 未設置排煙設施, 不符合高層

13、民用建筑設計防火規(guī)范有關規(guī)定。3.2性能化評估內(nèi)容中國建筑科學研究院建筑防火研究所依據(jù)高層民用建筑設計防火規(guī)范, 利用自己積累的經(jīng)驗, 并借鑒國外建筑防火安全性能化評估技術的研究和實踐成果, 對工字型內(nèi)走道的安全疏散性能進行了預測評估,性能化評估內(nèi)容分以下四個部分:1) 依據(jù)該建筑內(nèi)火災荷載設計多種火災可能性, 并確定最危險的一種火災情況, 通過計算流體力學計算出在這種情況下火災煙氣蔓延并堵塞疏散通道所需的時間ta。2) 通過計算流體力學計算出, 火災煙氣蔓延至消防報警設備并達到其報警閥值的時間tb, 簡稱“報警時間”。 3) 用模擬手段確定人們從得到火災信息到順利疏散到安全地帶的時間t c,

14、 簡稱“疏散時間”。4) 比較上述幾個時間, 計算差值t=ta-(tb+tc) 。如果t< 0, 則表明火災煙氣在人員未安全疏散到安全地帶前就已堵塞疏散通道, 建筑需增設排煙等消防設施來確保該建筑的消防安全; 如果t>0, 則表明人員可以在煙氣堵塞疏散通道前安全疏散, 該建筑可以不增加排煙設施, 但人們必須在t 的時間內(nèi)開始疏散, t 即為允許的“疏散開始時間”,其意義是火災自動報警系統(tǒng)等設備感知火災的時刻與人員確認火災發(fā)生開始疏散時刻之間的時間差。評估結果證實該建筑在可燃物數(shù)量和人員數(shù)量一定范圍內(nèi)的情況下, 可以突破規(guī)范不增加排煙設施并保證人員的安全。從評估過程看, 這類案例評估

15、的第一、二部分都依賴計算流體力學, 下面討論計算流體力學在這個案例中的應用。3.3 性能化評估方法高層民用建筑設計防火規(guī)范( GB 50045- 95)8.1.3條規(guī)定, 一類高層建筑長度超過20 m 的內(nèi)走道應設排煙設施。該建筑屬于一類高層建筑, 其工字型內(nèi)走道最大長度超過20 m, 按規(guī)范要求應設排煙設施。該規(guī)范在條文說明中對走道設置排煙設施的理由解釋如下: “據(jù)火災實地觀測, 人在濃煙中低頭掩鼻最大通行的距離為20 m30 m”。根據(jù)原蘇聯(lián)的防火設計規(guī)定: 內(nèi)廊式住宅的走廊長度超過15 m 時, 在走廊中間必須設置排煙設備。根據(jù)德國的防火設計規(guī)定: 高層住宅建筑中的內(nèi)廊每隔15 m 應用

16、防煙門隔開, 每個分隔段必須有直接通向樓梯間的通道, 并應直接采光和自然通風。該建筑工字型內(nèi)走道最危險的情況將出現(xiàn)在其中一個安全出口( 即疏散口) 被濃煙封堵不能使用, 使得部分人員不能通過最近的安全出口進行疏散, 而必須選擇較遠的安全出口進行疏散。在這種最不利的情況下, 當?shù)诙€安全出口被濃煙封堵之前, 如果該樓層所有人員能夠安全進入疏散樓梯間, 那么可以不設排煙設施。工字型內(nèi)走道只出現(xiàn)在該建筑三層至十七層, 各層工字型內(nèi)走道設計相同, 所以選擇工作位最多、人員密度最大的標準層作為具體的評估對象, 即選擇第四層進行預測評估。3.3.1 ta 的確定對辦公室和工字型走道內(nèi)火災煙氣從發(fā)生到擴散至

17、整個空間的全過程進行計算模擬, 解出三維瞬態(tài)的煙氣運動的濃度場、溫度場, 據(jù)此可判斷出ta 的值。另外, 疏散方案也有賴于模擬結果。模擬工具為商用計算流體力學軟件CFX5. 5, 它主要由三個模塊組成。日本在建筑物防火安全的性能化設計和評估方面做了大量的研究工作, 其研究表明 3 : 疏散通道安全性能的判定指標主要有兩個, 一個是煙氣對人的影響, 另一個是熱對人的影響。煙氣的安全評價標準為煙層不得下降到疏散人員的位置, 其性能指標為煙層高度S應滿足( 2) 式:S> 1.6+ 0.1( H - h) ( 2)式中: S 煙層分界處距疏散通道地面的高度, m;H 頂棚離火源位置的高度, m

18、;h 疏散通道地面距離火源位置的高度, m。該建筑工字型內(nèi)走道與西側(cè)疏散樓梯間相連的走道高度為2. 15 m, 與東側(cè)疏散樓梯間相連的走道高度為2. 3 m, 取h= 0, 則S 的臨界值分別為1. 815 m 和1. 83 m。為安全起見, 先取S = 2. 0 m 進行試算。對疏散人員的熱作用, 主要考慮來自煙氣層或其他方面輻射熱的影響。保證人在熱輻射作用下不受傷害, 其性能指標計算式為:式中: r 為煙層的輻射熱, kW / m2; t e 為停留時間, s。用( 3) 式判斷的輻射熱如果在2 kW/ m2 以下, 則對疏散毫無影響 3 。在火災發(fā)展的初期階段, 工字型走道墻壁的溫度要比

19、煙層的溫度低很多, 所以忽略墻壁熱輻射對人的作用, 而煙氣層的輻射熱強度可用( 4) 式計算 3 :式中: E 為熱輻射強度, kW/ m2 ; T 為煙氣層的溫度, K 。設E = 2 kW/ m2 , 可以計算出T = 433 K, 也就是說當煙層溫度小于160 , 熱輻射強度小于2 kW/ m2時, 滿足人在熱輻射作用下不受傷害的評判標準。由上述分析可知, 在疏散過程中, 如果疏散通道中的煙氣層高度大于2 m, 并且煙層溫度不超過160 ,則疏散人員是安全的, 如果不同時滿足這兩個性能指標, 則認為疏散人員是不安全的, 此時為危險來臨時刻。解出三維瞬態(tài)的煙氣運動的濃度場、溫度場, 即可計

20、算出火災煙氣蔓延并堵塞疏散通道的時間。3.3.2 的確定疏散是否成功, 要看建筑中的所有人員是否能夠在危險到來之前轉(zhuǎn)移到安全的地點。這樣疏散逃生時間就成為判定人們能否安全疏散的主要參數(shù)。疏散逃生時間由兩部分組成, 即疏散開始時間tb 和疏散行動時間tc, 也就是火災煙氣致使火災報警設備聯(lián)動報警的時間tb 和人員疏散時間t c。疏散開始時間在理想情況下, 應為火災煙氣蔓延至影響消防報警設備并達到其報警閥值的時間tb , 此時消防報警設備受煙氣影響報警, 人員開始疏散。依據(jù)火災報警探測器的安裝位置, 一般在距吊頂或頂板下方5 cm20 cm, 選20 cm 試算, 具體計算方法與計算ta 的方法基

21、本相同, 只是輸入邊界條件變?yōu)镾 = 2. 10m。通過計算表明: 因東、西側(cè)走道高度不一致, 時間可能不完全一樣, 當燃燒開始5 s 時( 不考慮陰燃時間) ,煙層厚度已超過20 cm, 范圍超過單個感煙探測器的保護面積, 因此報警時間可按5 s 計算 3 。3.3.3 的確定逃生時間從人員得到火災警報通知開始到疏散至安全出口為止, 選擇最不利的情況, 也就是在最大一層平面( 四層平面) 的最不利點來考慮, 同時考慮這個最不利點的近端疏散安全出口受到煙氣影響, 而人員不得不向另一個安全出口疏散的可能。通過模擬計算可求出在各種情況下人員疏散所需最長時間, 這就是我們想求解的“人們從得到火災信息

22、到順利疏散到安全地帶的時間tc”。其模擬計算工具采用“九五”科技攻關課題地下大空間建筑火災防排煙與疏散救生新技術研究開發(fā)的人員疏散計算機模擬分析軟件。該軟件基于日本木村幸一郎對建筑物人群流動狀態(tài)進行的觀察與研究結果, 疏散空間的模化采用網(wǎng)絡型控制方法,將各個房間、通道、樓梯前廳、樓梯間、防煙樓梯間分別作為網(wǎng)絡的節(jié)點, 它們之間的聯(lián)系為連接途徑。t c 按( 4) 式計算:tc= f ( m, v, n, w ) ( 4)式中: m 為人流密度; v 為人流速度; n 為開口流出系數(shù); w 為節(jié)點出口寬度。當逃生方向相同時, 人流密度將逐漸增加, 人流速度將逐漸減慢, 而開口流出系數(shù)和節(jié)點出口寬

23、度也因網(wǎng)絡節(jié)點而異, 故實際計算中m、v、n和w 都為變量。3.4 火災場景設定和初始計算條件該建筑第四層的建筑面積為804. 8 m2 , 東、西兩側(cè)大辦公區(qū)面積分別為205 m2 和202 m2。根據(jù)前面對評估對象和內(nèi)容的分析, 最不利的火災場景有兩個。一是西側(cè)辦公室臨近北出口的辦公區(qū)著火, 所有外窗關閉, 通向工字型走道的門開啟, 火災煙氣流入工字型內(nèi)走道, 導致北側(cè)安全出口被煙氣封堵; 二是東側(cè)辦公室臨近南出口的辦公區(qū)著火, 所有外窗關閉, 通向工字型走道的門開啟, 火災煙氣流入工字型內(nèi)走道, 導致南側(cè)安全出口被煙氣封堵。本文主要討論假定西側(cè)辦公室臨近北出口的辦公區(qū)著火情況。3.4.1

24、火災規(guī)模的設定建筑物內(nèi)可能發(fā)生火災的釋熱速率是決定火災發(fā)展及火災危害的主要參數(shù)。但是, 建筑火災中往往是一件物品先著火, 再引燃周圍的其他物品, 然后逐漸擴大火勢, 其典型燃燒過程如圖1 中曲線1 所示 4 ?？梢钥吹? 火災的發(fā)展一般經(jīng)過了起始階段、增長階段、穩(wěn)定燃燒階段和衰減階段。由于室內(nèi)可燃物的種類和分布復雜多樣, 而且進行現(xiàn)場實際的火災試驗也不現(xiàn)實, 所以考慮對火災的釋熱速率取平均值進行分析計算, 也就是假設火災從燃燒開始就是一個穩(wěn)定的燃燒過程,如圖1 曲線2。由于沒有考慮火災的起始醞釀階段, 所以對于報警時間的計算采用煙層厚度超過20 cm 的判定方法。依據(jù)該建筑籌建處提供的火災荷載

25、分布資料,主要可燃物為中密度板制作的辦公家具, 最大可能燃燒面積18 m2。根據(jù)中密度板燃燒性能測試報告, 充分燃燒時的熱釋放速率為102. 2 kW/ m2。計算得到最大可能熱釋放速率為Qm= 1. 84 MW。實際上, 由于使用了自動噴水滅火系統(tǒng), 燃燒強度不可能達到這個數(shù)值,這里選擇平均熱釋放速率為噴頭動作時的值。考慮標稱動作溫度為68 的噴頭當溫度達到90 時開始動作, 噴頭按間距4 m 布置, 火從地面燃起, 根據(jù)判定條件 3 , 燃燒可以達到的最大熱釋放速率為481 kW, 按發(fā)煙量公式 5 m= 0.007Q1/3z5/ 3計算判定單位時間產(chǎn)生的煙氣量約為1. 2 kg, 即煙氣生成率為1. 2 kg/ s。3.4.2初始條件的設定設室內(nèi)平均風速為0, 室內(nèi)相對壓力為0, 出口相對壓力為0( 設當?shù)卮髿鈮篜 = 101 325 Pa) , 室內(nèi)平均溫度為27 , 室內(nèi)空氣密度為1. 2 kg/ m3, 人的平均步行速度為1.0 m/ s, 人群流動系數(shù)為1.5 人/ m。3.5 人員疏散的模擬計算設定的疏散方案見圖4。因西辦公區(qū)北側(cè)起火, 西辦公區(qū)北側(cè)門1 和安全出口1 很快被煙封堵, 除少數(shù)很