火灾重构（精选4篇）
火灾重构 篇1
20世纪70年代哈佛大学埃蒙斯教授把质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应守恒原理运用到火灾研究上, 形成了现代火灾科学, 是研究火灾发生、发展和防治的机理和规律的新兴学科, 是在工程科学、基础自然科学和灾害学的结合点上生长起来的交叉研究领域, 是谋求火灾防治的有效性、合理性和经济性相统一的科学基础, 由基础研究、应用基础研究和火灾的防治技术三部分组成。而基础研究又分为试验研究和计算机模拟两部分。
火灾重构就是通过试验模拟, 计算机模拟和VR模拟重现火灾场景, 研究火灾现象。计算机模拟在描述火灾过程的各种数学模型的基础上进行, 试图从工程科学的角度出发, 分析研究火的发生、发展, 烟气的蔓延以及火灾对周围环境如建筑物构件、森林植被甚至大气环境的作用, 还研究火对人员及财产安全的影响。计算机模拟中, 各种模型的提出都以对实际火灾过程的分析为依据, 各种计算机模型的能力取决于描述实际火灾过程的数学模型和数值方法的合理性。
计算机模拟是多层次和多种类的, 笔者选择了基于场模拟的火灾重构研究方法对河南省洛阳市东都商厦特大火灾进行研究。场模拟是物理模拟, 是利用计算机求解火灾过程中状态参数空间分布及其随时间变化的模拟方式。场是状态参数如速度、温度、各组分的浓度等空间分布, 场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒 (连续性方程) 、动量守恒、能量守恒和组分守恒理论。
1 东都商厦物理模型及计算工况
2000年12月25日, 河南省洛阳市东都商厦发生特大火灾, 造成309人死亡, 7人受伤, 直接财产损失275万元。商厦共有6层, 地上4层, 地下2层, 4个角都设有楼梯, 东北、西北两个楼梯在四层设有铁栅栏, 东南、西南两个楼梯三层半处设有铁栅栏, 负一层, 地上一层、二层、三层楼梯平台进入各楼层处设有防火门。商厦负二层是家具商场和丹尼斯量贩洛阳东都分店租用的货物仓库。负一层、地上一层被丹尼斯量贩洛阳东都分店租用, 地上二层主要经营服装。地上三层仅有一些货架摊位。四层东侧和南侧为东都商厦办公室, 北侧有1间会议室, 西侧为舞厅KTV包间, 中部为东都歌舞大厅是人员集中地, 当晚有400余人在圣诞狂欢。起火原因为电焊火花引燃负二层沙发塑料泡沫等物质而引起大火。
根据商厦建筑情况, 笔者采用了美国国家标准技术研究中心 (NIST) 开发的FDS (Fire Dynamics Simulator) 软件, 模拟计算发生火灾时烟气蔓延情况。计算模型长80 m, 宽40 m, 高30 m, 其中地下两层10 m, 地上四层20 m。大楼有4个通道, 设置在4个角, 可从地下二层到地上四层, 地下负二层设置了家具, 由于火灾时地上二、三层防火门完好, 故构建模型时将其与火场屏蔽, 没有受火灾影响, 地上四层按商厦实际情况设置。FDS构建商厦物理模型如图1～图3所示。
火灾场景设置:根据对该火灾实际勘察情况, 火灾位置设置在地下二层, 位于坐标 (20, 12, 00) 和 (29.5, 16.0, 1.5) 处, 火源功率设定为稳定火源 (塑料电器火) 10 MW。随着火灾的发展, 火势扩大, 引燃负二层的家具, 最终烧毁负二层全部家具。
2 模拟结果及分析
2.1 烟气运动模拟分析
火灾从负二层发生并迅速蔓延, 产生大量有毒烟气, 这些高温有毒烟气沿走廊和楼梯通道迅速向上蔓延, 在5 min内把地上四层全部填充完毕。图4～图7是FDS软件模拟烟气蔓延过程示意图。
图8是地上四层1.5 m在坐标 (40.0, 27.00, 26.5) 处, 商厦舞厅正中设置CO体积分数检测仪器检测到CO体积分数随时间变化曲线图。由图可知大厅CO体积分数高达4.5×10-3, 人员吸入这样高浓度的CO后, 会在极短时间内窒息死亡。
图9是地上四层1.5 m坐标 (11.5, 20.0, 26.8) 处, 楼梯走廊上设置CO体积分数检测仪器检测到CO体积分数随时间变化曲线图。由图可知走廊上CO体积分数高于大厅CO体积分数, 这与烟气从走廊蔓延到大厅是相符的。
图10表明地上四层1.5 m高处, 在360 s时能见度几乎为零, 说明已经被浓烟充满, 人员已错过最佳逃生时机, 人员的生命安全处于非常危险状态。
2.2 温度场模拟分析
图11为模拟121 s时, 地下负二层2.5 m高度处水平面温度场。
由图11可知, 火灾产生的高温热烟气迅速充满整个负二层空间, 火源正上方温度高出700 ℃以上, 足以将整个负二层的各种家具热解引燃, 从而引起火势蔓延, 扩大火势, 烧毁负二层全部家具及装修, 释放出大量有毒烟气。
图12～图14为地上四层1.5 m处在不同时间的温度图。由图12～图14可知, 在8 min内地上第四层1.5 m高度处部分空间温度低于55 ℃, 人员在这样环境中不会被烧伤, 也不会出现亡人现象。
3模拟结论
根据火灾现场调查报告, 东都商厦从负二层到地上第四层, 除发生火灾的负二层完全被烧毁, 一些楼梯, 通道口、走廊有被浓烟熏烤痕迹外, 其它各层基本上没有被火烧过, 通过对死亡的309人进行尸检, 均因CO中毒窒息死亡。
FDS软件重构模拟得出:负二层一旦发生火灾, 温度迅速升高, 很快引起家具燃烧, 造成火势迅速扩大, 火灾迅速蔓延, 产生的大量有毒烟气在烟囱效应的作用下迅速充满大楼, 地上第四层歌舞厅CO体积分数最高达4.5×10-3, 且整个房间充满了烟气, 大大超过人员可承受的1.2×10-3, 但地上第四层1.5 m高度处大厅有的地方温度低于55℃。
:焰灼伤或热辐射作用, 而是由于受到有毒烟气的侵害, 造成大量人员死亡, 这与火灾现场勘察结论、人员死亡鉴定结论是相吻合的。
摘要：采用场模拟方法重现河南洛阳东都商厦特大火灾过程, 模拟计算烟气蔓延运动情况和温度场分布情况, 分析火灾所造成人员死亡的主要原因, 检验火灾现场勘察结论是否与模拟计算结论一致。
关键词：火灾重构,场模拟,烟气运动
参考文献
[1]范维澄, 王清安.火灾学简明教程[M].合肥:中国科技大学出版社, 2001.
[2]赵坚行.燃烧的数值模拟[M].北京:科学出版社, 2002.
火灾重构 篇2
1 典型三合一火灾
1.1 场景基本信息
该典型三合一场所为钢筋混凝土结构,地上4层,其中第一层临街为经营布拖把的商店,后部为其卧室;二、三层为卧室;四层为杂物库房,四层楼梯可以通向屋顶平台,但设置的两道门都被锁住。建筑中部设置一部贯穿四层的敞开楼梯(楼梯间堆放大量布料),二、三、四层只能从商店或一层卧室出入。
1.2 场景细节描述
火灾发生于一层商店内西侧墙面上,起火原因为电气线路短路,一层商店发生火灾后,大量烟气灌入敞开楼梯间,在烟囱效应作用下迅速向上蔓延,楼梯底部堆放的大量可燃材料,助长了火势的快速蔓延,封堵了人员向楼梯疏散的路线。4名死者自防自救能力不强,除楼梯间过火情况较为严重外,二至四楼房间内有的未过火,有的燃烧程度较轻,而4名死者选择向楼顶疏散,正是高温烟气流动的方向,无法疏散逃出,导致死亡。
2 火灾场景模拟
2.1 模型建立
根据建筑平面图及火灾灾后场景勘察,所模拟对象模型建立如图1所示。
2.2 参数设置
根据火灾调查的结果,计算所用的假设主要有:(1)起火点设置在室内,初始温度设为环境温度20 ℃;(2)假设室外风速对室内,流场无影响,门窗等通风口处速度为零;(3)墙等边界设置为无滑移边界;(4)火源位置设置在距离卷帘门4.0 m、距离西侧墙0.15 m的位置处;(5)考虑到实际火源为短路的电线,火灾初期阶段火源功率很小。所以,火源假设为t2增长火,且在500 s时达到最大的功率160 kW。此功率与轰燃发生后的功率2 700 kW相比相差很大,可以忽略不计,可以认为此火源功率较接近于实际火灾的点火源。
3 结果与讨论
3.1 火灾蔓延分析
从热释放速率曲线图2可以看出,此次火灾蔓延主要可以分为5个阶段。
第一阶段:燃烧主要发生在一楼的商店内,此时燃烧还处于初级阶段,是灭火的最佳时期(见图3)。
第二阶段:一楼商店发生轰燃(1 000 s左右),火焰向楼梯间蔓延,引燃楼梯间内的竹竿等可燃物。轰燃一旦发生,火势很难控制,并很有可能向邻近的可燃物蔓延,造成燃烧的进一步增强(见图4)。
第三阶段:商店轰燃发生后,含氧量大大降低,房间内的氧气已经不能维持商店内可燃物的燃烧,所以商店内熄火,燃烧主要发生在氧气较为充足的楼梯间内。在此阶段,火灾已经由最初的燃料控制型转为现在的通风控制型,燃烧由于严重缺氧,并没有发展至最大,此时一旦有外面空气的流入,火势就会急剧增大(见图5)。
第四阶段:一楼的人由于感觉到烟气和温度上升,打开了与楼梯间相连的门,楼梯间的含氧量暂时有所升高,燃烧速率陡然上升(1 200 s左右),燃烧蔓延至更大范围(见图6)。
第五阶段:三楼的人听到一楼的人叫喊,打开三楼房间的门准备逃生。由于三楼房门的突然打开,大量新鲜空气进入楼梯间,楼梯间的燃烧速率进一步上升,燃烧更加剧烈,火势发展到最大(见图7)。
3.2 起火部位数值认定
灾后现场勘查发现,门面房西侧墙面上的抹灰层有较大面积脱落,形成“V”形痕迹,“V”形痕迹距离卷帘门4 m,与此同时在“V”字形底部发现短路熔珠。
为运用数值模拟技术进一步确定起火位置,笔者用FDS的软件fds2ascii提取了西侧墙壁附近前1 000 s的温度平均值,并用Origin软件画图(如图8所示)。通过分析温度的等值线图,可以看出,温度的分布呈“V”字形,在“V”字形的内部,温度很高,最高可达到600~700 ℃;在“V”字形的外部,温度较低,在100 ℃左右。温度的“V”字形和现场墙壁的“V”字形(墙壁抹灰层的脱落情况)相符合。火灾中墙壁抹灰层的脱落是由于过高温度
的长时间作用所致,是温度的累积效应,当实际火灾调查遇到若干个可能的但不确定的起火点时,可以通过在各个可能的起火点设置点火源进行模拟计算,提取所有烧损严重墙壁的温度值并与实际情况进行对比,进而将模拟结果与实际最相符的起火点定为真实的起火点。
3.3 人员致死原因数值认定
尸体检验表明:4人尸表严重炭化,未发现机械性损伤,喉头、气管及支气管充血,水肿,有大量黑色颗粒物附着,深部肌肉切开呈鲜红色,结合现场、法医分析认定其死亡原因为烧死。
图9~图12分别是楼梯间的温度、CO体积分数、O2体积分数和能见度随时间的变化曲线。
图9表明,楼梯间内的温度随着高度的增加呈递减趋势,三楼处的温度最高,而顶层的温度最低。当三楼的人打开房间门后,楼梯间三楼处的温度已经达到900 ℃左右,四楼处的温度也高达500 ℃左右,顶层的温度最低,达到300 ℃左右。从表1可以看出,如此高的温度对于逃生人员非常不利。
图10显示,楼梯间CO体积分数在三楼以上位置外分布较为均匀、稳定。楼梯间三楼高度处由于受到下部火焰的影响,CO体积分数值波动很大。四楼和顶层的CO体积分数最高达到500×10-6左右,从表2可以看出,楼梯间内的CO不能致人于死亡。
表3给出了不同O2体积分数下对应的人的身体症状,如其所示,O2体积分数为7%人就有可能死亡。而图11示,在火灾发生后的1 000 s时,楼梯间内的O2体积分数已经下降到12%,O2体积分数在轰燃发生后下降到3%,过低的O2含量可以直接导致人员窒息死亡。
从图12可以看出,楼梯间的烟气能见度随高度的变
化很小,不同高度的能见度基本一致。能见度在火灾发生500 s以后迅速下降,在800 s时能见度只有5 m左右。三楼人发现火灾后,楼梯间能见度低至1.5 m,浓黑的烟气将严重影响人员逃生。
从以上分析得出,三楼人员发现火灾后,楼梯间能见度低至1.5 m,楼梯间3层温度高达850 ℃,4楼为500 ℃,O2体积分数下降到0.03,分析以上因素,该起火灾中人员的死亡是由高温和低氧的共同作用引起的。
4 结 论
根据火灾现场勘验等信息,笔者用火灾模拟软件FDS对重庆开县火灾进行了数值重构,再现了火灾发生时的全过程。发现通过提取温度均值分布图可以帮助火灾调查人员确定起火位置。因此,数值模拟技术可以作为新的火灾调查辅助工具推广应用。通过数值模拟重现火灾场景,分析温度、气体组分等主要危险因素对当时火场人员的影响,能够更加准确地判定人员致死原因。
参考文献
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火灾重构 篇3
1“三合一”火灾
1.1 起火建筑情况
起火建筑为砖混结构, 地上7层, 其中第一层临街为经营服装及装备的店面, 门口是展柜, 中间有个仓库, 后面有木质楼梯与第二层连通, 如图1所示。第二层是员工宿舍, 共有四间卧室和一个浴室, 中间卧室无开窗, 临街外墙上装设有广告牌, 遮住了大半个窗口, 如图2所示。三层以上为居民楼, 与一、二层无连通。一、二层共同构成了“三合一”场所。
1.2 火场还原
火灾发生于一楼店面内的仓库, 起火原因为仓库内的“热得快”干烧。初期, 火势在一楼仓库局部发展, 因卷帘门关闭, 仅有楼道可供通风, 在通风受限条件下, 火势发展较慢, 而烟气则通过楼道向二楼扩散。随后发现店面起火的老板打开了卷帘门, 此时通风条件改善, 火势迅速扩大, 产生大量浓烟, 顺着楼梯灌入二楼。虽然火势已蔓延至楼道, 且楼梯过火情况较为严重, 但二楼房间有的未过火, 有的燃烧程度较轻。有窗户的卧室①、③、④内的员工及时发现火灾, 并通过窗口逃生, 而中间密闭卧室②内的员工因发现太晚, 自防自救能力欠缺, 最后困守卧室中, 窒息而死。
2 火灾重构
2.1 模型建立
根据实际建筑物的结构及可燃物分布情况, 建立如图3所示的模型。火灾发生后, 只有一楼店面及二楼员工宿舍过烟过火。为节省计算时间, 仅选取前述“三合一”场所作为模拟对象, 其中一楼尺寸为13m×4m×3m, 二楼尺寸为13m×8m×3m。由于火灾只在室内发展蔓延, 模拟时仅在店面门口外侧扩展0.2m的计算区域, 其他方面不设扩展计算区域。
2.2 网格独立性测试
为保证计算结果的合理性和准确性, 对划分的网格进行了独立性测试, 采用0.1m×0.1m×0.1m、0.05m×0.05m×0.05m、0.025m×0.025m×0.025m三套网格。模拟结果显示, 后两套网格的计算结果几乎相同, 但第三套网格的计算时间明显长于第二套网格。因此, 笔者采用第二套网格计算。另外, 根据火灾调查情况, 二楼及一楼展柜部分过火面较小, 只需考虑烟气动向, 故网格划分可适当扩大。最终将模型划分为三个区, 即一楼展柜区 (网格划分0.1m×0.1m×0.1m) 、一楼后部区 (网格划分0.05m×0.05m×0.05m) 及二楼区 (网格划分0.1m×0.1m×0.1m) , 网格总数1 201 920个。
2.3 参数设置
根据火灾调查结果, 计算所用的假设主要有: (1) 起火点设置在仓库内, 初始温度设为环境温度20℃; (2) 假设室外风速对室内流场无影响, 门窗等通风口处速度为零, 考虑到门窗缝隙, 统一在上沿开0.1m高的孔隙; (3) 仓库内货物尺寸为0.3m×0.3m×0.3m, 纵横间隔0.2m均匀摆放在货架上; (4) 火源位置设在距离厕所1 m、距离外墙0.2m、距离地面0.3m的货物表面上, 尺寸为0.3m×0.3m; (5) 考虑到实际火源为“热得快”干烧, 火灾初期火源功率很小, 假设为90kW, 较之轰燃发生后的功率1 883kW相差很大, 可以忽略不计, 故认为此火源功率较接近于实际火灾的点火源; (6) 据调查, 从二楼员工发现火灾报警至消防队到场用时约5min, 且到场时火灾已发展到全面燃烧阶段, 这个发展过程一般需要5min。因此, 整个模拟时间设为10 min, 并假设4 min时店面卷帘门被打开。
3 结果与讨论
3.1 火灾发展过程
从图4热释放速率曲线可以看出, 此次火灾发展可以分成3个阶段。
第一阶段:燃烧主要发生在一楼仓库内, 此时火灾还处于初级阶段 (0~283s) , 火势在局部缓慢发展扩大, 是灭火的最佳时机;第二阶段:燃烧经过一个从局部扩大到全面发展的突变, 此时火灾处于轰燃阶段 (284~299s) , 火势充满仓库并迅速向大厅及楼道蔓延, 是火灾中最危险的时刻, 火势已难以控制;第三阶段:燃烧迅速衰减进入一个相对稳定的阶段 (300~600s) , 一方面部分可燃物表面燃烧结束, 另一方面火势还在继续蔓延。
3.2 温度变化
为了分析室内温度随火势发展的变化情况, 分别在5个不同点设置了热电偶, 其具体位置如表1所示。所有热电偶与所在楼层顶棚的距离均为0.1m。各探测点处温度变化情况, 如图5所示。
从图5可以看出:仓库内顶棚附近的温度在300s左右出现骤升, 最高温度达到894℃, 显然发生了轰燃;一楼大厅及楼梯口温度在相同时间段内也出现大幅提升, 表明火势已经波及至此, 故通过楼梯逃生不可行;二楼走道 (最高温度269℃) 及卧室② (最高温度174℃) 内的温度变化幅度较之一楼明显小些, 说明火势还未蔓延到二楼, 即员工不是被烧死的, 温度的提高主要是高温烟气扩散的结果。
根据研究, 人体对烟气层等火灾环境的辐射热耐受极限为2.5kW/m2, 相当于上部烟气层温度达到180~200℃。卧室②内的最高温度只有174℃, 即没有超过人体耐受极限, 故辐射热不是卧室②内员工致死原因。
3.3 烟气扩散
为了更直观地掌握火灾发展过程中的烟气动态, 图6给出了火灾模拟开始后每隔2min的烟气分布情况。
从图6可以看出:由于卧室②无开窗, 缺乏空气流通, 烟气通过门缝进入密闭卧室②的速度明显小于其他卧室, 这就可以解释有开窗的卧室内的员工为何先发现烟气而通过窗口逃生。300s左右发生轰燃后, 烟气迅速填充了二楼大部分空间, 这一方面由于轰燃导致产烟量增大, 另一方面也因为热烟气得不到及时排除, 而这与户外广告牌遮挡临街窗口阻止排烟关系甚大。到10 min时, 烟气已填充二楼所有空间, 即使卧室②内的员工之前发现起火并开门逃生, 由于一方面走道早已浓烟弥漫, 使人睁不开眼睛、辨不清方向, 另一方面人员缺乏应付、摆脱困境的力量或能力而造成恐惧, 严重干扰正常思维, 削弱理性判断能力, 促使卧室②内的员工关上房门躲在屋里, 最终被有毒浓烟吞噬生命。
4 隐患及对策探讨
4.1 消防安全隐患
店面主要存在以下违反《中华人民共和国消防法》 (以下简称《消防法》) 的行为, 造成了诸多安全隐患。
(1) 《消防法》第十五条明确规定:“在设有车间或者仓库的建筑物内, 不得设置员工集体宿舍。在设有车间或者仓库的建筑物内, 已经设置员工集体宿舍的, 应当限期加以解决。对于暂时确有困难的, 应当采取必要的消防安全措施, 经公安消防机构批准后, 可以继续使用。”店面未将销售区和生活区分离开, 导致一楼起火严重威胁二楼员工生命安全。
(2) 《消防法》第二十八条明确规定:人员密集场所的门窗不得设置影响逃生和灭火救援的障碍物。但该店面中二楼楼梯口处外窗为防盗安装了铁栅栏, 无形中将消防救生通道“网死”。
(3) 现行法规规定:墙面广告牌不能遮蔽外墙开口、窗口或建筑的主要结构;外墙面广告牌高度不得超过建筑物实体墙的上缘, 宽度不得大于建筑物的两侧墙面。但店面二楼临街窗口安装的广告牌明显不符合要求, 严重影响排烟散热, 阻碍了人员从窗户逃生和外部施救, 并使灭火救援工作难度加大。
(4) GB 50016-2006《建筑设计防火规范》规定:未采用机械排烟设施的建筑, 在消防设计时, 应留有足够的符合消防安全要求的可开启外窗。但该店面二楼卧室②却没有开窗, 既影响排烟散热, 又缺失了疏散救人的第二通道, 这正是两名女员工无法逃生的重要原因之一。
4.2 整治对策
针对“三合一”场所普遍存在的消防安全隐患, 不但要对现状加以管制, 更要从政策层面加以引导, 从法律层面加以规范。
(1) 通过“网格化”管理手段, 全面排查整治“三合一”场所火灾隐患, 构建全覆盖、无盲点的隐患排查网络。
(2) 通过法律手段, 加强火灾隐患源头管理, 在地方政府的统一领导下, 加强多部门协调配合, 形成合力, 齐抓共管。
(3) 通过宣传手段, 加强消防安全培训, 普及消防法律法规和基本灭火逃生常识, 增强群众消防安全意识。
(4) 通过技术手段, 预防火灾发生, 减小火灾危害:在“三合一”场所内采取有效的防火隔离措施, 设置独立的安全出口, 将住宿场所从经营场所中独立分离出来;对有人员住宿的房间必须开设外窗作为疏散救人的第二通道, 不得安装影响逃生和施救的固定栅栏、广告牌等障碍物, 以保证自然排烟条件;对于国家规范没有明确要求设置室内消火栓和自动喷水灭火系统的建筑底部沿街店面, 应增设消防水喉或简易自动喷水灭火设施, 供水管道可直接由市政管网接入。
综上所述, 只有加强源头管理, 建立长效管理机制, 制定相关法律、法规, 明确防火技术规范要求, 才是根除“三合一”场所消防安全隐患的最佳对策。
参考文献
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火灾重构 篇4
笔者以火灾动力学仿真模拟软件FDS为基础,从壁面热蚀痕迹的形成机理出发,根据其影响因素,借助数学方法建立了以壁面热负荷的累积效应表征痕迹深浅程度的半物理预测模型,并嵌入FDS源程序,实现了壁面热蚀痕迹的数值重构,弥补了现有软件的不足,进一步完善了数值重构技术。
1 壁面热蚀痕迹预测模型
1.1 量纲分析法
量纲分析(Dimensional Analysis)是20世纪初提出的在物理领域中建立数学模型的一种方法,它在经验和实验的基础上利用物理定律的量纲齐次原则,确定各物理量之间的关系。
所谓量纲齐次原则,即用数学公式表示一个物理定律时,等号两端必须保持量纲的一致。在表示各物理量时,除基本物理量如长度l、质量m、时间t和温度T的量纲是基本的,其他物理量的量纲由基本量纲根据其定义或某些物理定律推导出来。
1.2 模型的建立
根据前面所介绍的量纲分析法,利用影响壁面热蚀痕迹的4个重要因素,即壁面接收的净热通量undefined、壁面附近温差ΔT、火源的几何位置、材料的热分解温度Td建立半物理模型。其中,火源的几何位置包括火源距壁面的水平距离l及壁面内各点与火源在壁面内投影点的斜线距离h。若研究单位面积壁面材料表面在单位时间内接收到的热量undefined,则上述因素组成关系式见式(1)。
undefined (1)
写出各变量之间的指数关系式见式(2)。
undefined (2)
式中:α、β、γ、δ、τ均为待定系数,K为常数。
undefined、undefined的量纲为MT-3;ΔT、Td的量纲为θ;h,l的量纲为L。对应的量纲关系式见式(3)。
MT-3=K·(MT-3)α·θβ·Lγ·Lδ·θτ=K·Mα·T-3α·Lγ+δ·θβ+τ (3)
比较等式两边对应量纲的指数,并根据量纲一致的原理解得各待定指数:α=1;γ+δ=0;β+τ=0。上述3个方程中包含4个未知数,将其中2个作为待定系数,从而解得α=1;δ=-γ;β=-τ。将其代入指数关系式(2),则得到火灾条件下单位面积壁面材料表面在单位时间内接收到的热量见式(4)。
undefined
式中:Tg为壁面附近热烟气的温度;Tw为壁面温度,二者之差为壁面附近温差ΔT;Td为壁面材料的热分解温度;壁面接收的净热通量为对流热通量和辐射热通量的代数和,即;X、Y、Z分别为网格的坐标,Xfire、Yfire、Zfire为火源中心的坐标;τ、γ为待定系数,根据实验结果确定。
对式(4)进行时间的积分,得到t时刻单位面积壁面材料表面的热负荷,以此值的大小表征痕迹的深浅程度,以得到期望的图形随时间的变化,见式(5)。
undefined
式中:K为材料因子,表征材料本身的性质,如可燃性、阻燃性等,对于同种材料,K为常数。
2 壁面热蚀痕迹重构的数值方法
壁面热蚀痕迹子功能模块与湍流模型、燃烧模型、辐射换热模型以及固相模型紧密联系,相辅相成,在FDS软件中通过时间离散、空间离散和方程离散实现火灾过程及痕迹形成过程的计算。
2.1 时间离散
在时间离散上,计算分为预估和校正两个步骤。在每个时间步长开始时,密度ρn、组分的质量分数Yundefined、速度un、压力修正值Hn以及区域m处的背景压力undefined是已知的。上标n表示该物理量在第n个时间步长的取值;(n+1)e表示该物理量在第n+1个时间步长的预估值。
(1)利用显式尤拉格式计算下一时间步长的热力学量(ρ、Yα和undefined的预估值。以密度为例,见式(6)。
ρ(n+1)e=ρn-δt(un·∇ρn+ρn∇·un) (6)
(2)利用热力学量的预估值计算散度(∇·u)(n+1)e。
(3)直接求解关于压力项的泊松方程,见式(7)。
undefined (7)
(4)速度的预估值见式(8)。
u(n+1)e=un-δt(Fn+∇H(n+1)e) (8)
检查CFL条件是否满足,即式(9)。
undefined;
undefined (9)
如果时间步长满足不等式,则进行下一步长的计算;否则调整时间步长。
(5)在下一时间步长对热力学量进行校正,以密度为例,见式(10)。
undefined
ρ(n+1)e∇·u(n+1)e)) (10)
然后据此对散度(∇·u)n+1进行校正。
(6)利用预估值重新计算压力项,得式(11)。
undefined
(7)校正速度,见式(12)。
undefined (12)
2.2 空间离散
计算区域被划分为矩形网格,每个网格用(i, j, k)进行标记,分别代表其在x、y、z方向的坐标。其中标量定义在网格的中心,如ρundefined代表密度在第n个时间步长、在坐标为(i, j, k)的网格的中心点处的取值;矢量定义在相应的网格的界面处,如uundefined和uundefined分别代表速度在第n个时间步长、在坐标为(i, j, k)的网格的x方向上前后两个相邻界面上的取值。
2.3 方程离散
2.3.1 质量传递方程与散度
(1)对流与扩散项的离散。
对质量守恒方程∂ρ/∂t+∇ρu=0按照改进尤拉格式进行离散,按照预报-校正公式计算坐标为(i, j, k)的网格的中心点处密度。首先由式(13)计算密度在下一时间步长的预估值。
undefined (13)
利用式(14)进行校正。
undefined
同理,对组分守恒方程undefined进行离散。
对流项在预报阶段采用迎风差分,在校正阶段采用逆风差分,以质量守恒方程为例,见式(15)。
undefined
式中:ε为局部库朗数,εu=uδt/δx,εv=vδt/δy,εw=wδt/δz,其作用是决定方程的离散方式。
在预报阶段,当ε接近于1时,离散方式近似迎风格式(未知量恒取上游节点的值);当其接近于0时,离散方式就接近于中心差分(未知量取上、下游节点的算术平均值);在校正阶段作用相反。±表示预报阶段中取+,在校正步中取-,∓则相反。
同理,对组分守恒方程中的对流项(u·∇ρYα)ijk进行离散。
(2)散度的离散。 散度方程(7)在预报、校正阶段被离散为式(16)。
undefined
上述方程中导热项与物质扩散项均采用中心差分,且在预报和校正阶段差分方式相同。以导热项为例,见式(17)。
undefined
式中:温度T可通过状态方程得到,见式(18)。
undefined (18)
2.3.2 动量方程的离散
(1)动量方程的处理。 动量方程见式(19)。
undefined (19)
其空间离散方式见式(20)。
undefined
式中:Hijk为位于网格(i,j,k)中心的值。
Fx,ijk、Fy,ijk和Fz,ijk分别定义在网格(i,j,k)的x、y和z方向上的前表面上,以Fx,ijk为例,见式(21)。
undefined
式(21)中的涡量(ωx,ωy,ωz)以及非对角线上的粘性应力张量(τxy,τzy,τxz)定义在网格边界处,以x方向为例,见式(22)、式(23)。
undefined (22)
undefined (23)
(2)粘性项(LES)。 在大涡模拟中,动态粘性被定义在网格中心,见式(24)。
μijk=ρijk(CsΔ)2|S| (24)
式中:Cs为经验常数;Δ=(δxδyδz)1/3;S见式(25)。
undefined
2.3.3 压力方程
由离散后的动量方程(19)中的散度算子得到如下离散形式的泊松方程,计算压力修正值H,见式(26)。
undefined
其中,∂(∇·u)ijk/∂t在预报阶段被定义为式(27)。
undefined (27)
在校正阶段为式(28)。
undefined (28)
3 模型的应用
利用预测模型模拟一个相对简单的室内火灾场景,计算墙角火的热蚀痕迹形成过程,进而证明使用数值模拟技术重构壁面材料热蚀痕迹可以为火灾调查提供理论支持。
3.1 火灾场景
计算空间大小为5.2 m×5.0 m×2.4 m,网格为52×50×24,如图1所示,房间设有一个门,大小为0.9 m×2.0 m;壁面材料为PVC装饰板;火源功率为30 kW。
3.2 计算结果与分析
分析图2得到:点火初期壁面热蚀痕迹从起火点开始,依火焰形状呈圆锥形;然后自起火点开始垂直向上发展,由于火焰蔓延和热烟气在顶棚的积聚,使痕迹由浅至深,如图2(b)所示;随着火焰及热烟气蔓延,壁面热蚀痕迹开始由墙角向两侧发展,如图2(c)所示;正对门处由于空气流通作用,烟气不宜积聚,因此痕迹相对较浅,最终形成如图2(d)所示的热蚀痕迹。
利用预测模型计算的墙角火痕迹的形状特征与实际火灾现场中呈现的痕迹(如图3所示)近似,证明模型可以应用到墙角火的计算中,进而辅助推断起火部位。
4 结 论
笔者从壁面热蚀痕迹的形成机理入手,以壁面热负荷的累积效应为基础,通过层次分析法遴选出主要影响因素:壁面接收的净热通量、壁面附近温差、火源的几何位置以及材料的热分解温度,借助量纲分析法建立了以单位面积壁面材料表面的热负荷为痕迹深浅程度的度量单位的壁面热蚀痕迹的半物理预测模型,并将模型嵌入FDS源程序中,通过时间离散、空间离散和方程离散3种数值方法计算火灾发生发展的过程以及痕迹的形成过程,扩展了FDS的计算功能和SmokeView的显示功能。
参考文献
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