基于FDS的沙發(fā)火災數值模擬

　　0 引言
　　
　　隨著(zhù)生活條件的提高 ,裝飾家具越來(lái)越多地出現在現代建筑中 ,其種類(lèi)和性能也越來(lái)越復雜.室內火災的擴大常常與可燃的裝飾家具有關(guān).導致人員死亡的火災中有 1 /3 是裝飾家具火災[1]。統計結果表明，火災中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(guò)全尺寸實(shí)驗和數值模擬相結合的方法研究其燃燒過(guò)程的熱釋放速率、室內溫度場(chǎng)分布及煙氣流動(dòng),為建筑火災防治和火災安全設計提供參考依據。
　　
　　1 FDS 簡(jiǎn)介
　　
　　美國火災研究機構也對本國的裝飾家具的火災特性進(jìn)行了研究[3]。最終由NIST 開(kāi)發(fā)的一種模擬程序FDS，它用數值求解方法求解一組描述熱驅動(dòng)的低速流動(dòng)的Navier-Stokes 方程，重點(diǎn)計算火災中的煙氣流動(dòng)和熱傳遞過(guò)程。FDS 提供了兩種數值模擬方法，即直接數值模擬（DNS：Direct Numerical Simulation）和大渦模擬（LES：Large Eddy Simulation）。
　　直接數值模擬是通過(guò)直接求解湍流的控制方程，對流場(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，但是目前的計算條件下，只能用于對層流及較低雷諾數湍流流動(dòng)的求解[4]。
　　一般情況下，在利用FDS 進(jìn)行火災模擬時(shí)均選用大渦模擬。它是把包括脈動(dòng)在內的湍流瞬時(shí)運動(dòng)通過(guò)某種濾波方法分解成大尺度量通過(guò)數值求解微分方程直接計算出來(lái)，小尺度運動(dòng)對大尺度運動(dòng)的影響通過(guò)建立亞格子模型來(lái)模擬。
　　FDS火災動(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，FDS部分主要是用來(lái)完成對火災場(chǎng)的創(chuàng )建和計算階段。而Smokeview部分則是對FDS計算結果的可視化，它以三維動(dòng)態(tài)的形式顯示火災發(fā)生的全過(guò)程。
　　
　　2 couch 場(chǎng)景布置
　　
　　場(chǎng)景長(cháng)2.4 米，寬1.0 米，高2.4 米。在X 軸方向上共設有24 個(gè)網(wǎng)格，Y 軸方向上設有10 個(gè)網(wǎng)格。Z 軸方向上有24 個(gè)網(wǎng)格。本例子中設定時(shí)間為900 秒，直到運行結束為止。屋中材料有纖維、塑料、泡沫塑料、地毯等等，在原算例中沒(méi)種都設定了參數以及性質(zhì)，具場(chǎng)景布置圖。
　　場(chǎng)景布置好之后，從DOS 中啟動(dòng)FDS 計算，生成一系列的文件，其中包含我們所需要的結果。最后運行Smokeview 就可以形象地觀(guān)察火災發(fā)生的過(guò)程，并得到相關(guān)的平面截圖。
　　
　　3 模擬結果
　　
　　通過(guò)對火災場(chǎng)景的描述，利用FDS 軟件完整的模擬了單室火災發(fā)生的全過(guò)程。沙發(fā)是由外套、填充材料、木質(zhì)框架等幾個(gè)獨立的可燃組件組合而成的可燃物，燃燒過(guò)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)刻房間內的充滿(mǎn)了煙氣。沙發(fā)燃燒過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的高溫煙氣 ,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 結果生成的表格，從FDS 模擬所得出的結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)間內材料燃燒時(shí)所釋放的熱量，它是燃燒過(guò)程基本的特征參數之一， 也是衡量火災危害程度的一個(gè)重要參數[7]。如所示，隨著(zhù)時(shí)間的變化，HRR 開(kāi)始時(shí)增長(cháng)比較緩慢，當在320S 以后時(shí)，速度迅速增長(cháng)，并且隨著(zhù)時(shí)間增長(cháng)，增長(cháng)的速率越來(lái)越大，在750s 時(shí)有一個(gè)小波峰，接著(zhù)繼續增長(cháng)，直到900s 以后才達到頂峰，趨于穩定，可能此時(shí)沙發(fā)燃燒的已經(jīng)差不多了。燃燒反應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 結論
　　
　　本文通過(guò)對couch 算例的模擬計算，得到出房間內部的溫度場(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)的室內火災動(dòng)力學(xué)參數。通過(guò)Smokeview 功能，觀(guān)察整個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。分析數據結果，得到一些動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的臨界值，整個(gè)發(fā)生發(fā)展規律也與實(shí)際情況符合，對室內家具火災特性研究有一定的意義，值得注意的是數值模擬選用的沙發(fā)尺寸結構和性能等對數值計算的結果影響很大，只有選用合理的參數才能得到滿(mǎn)意的結果。
　　
　　[參考文獻] (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(wàn)順，耿玉領(lǐng)，范運領(lǐng).三維滲流模型模擬采空區注漿治理過(guò)程[J].中國煤田地質(zhì)，2005，17（1）
　　[5] 張和平，楊昀，祝佳琰，等.室內沙發(fā)火災中CO2 和CO 氣體全尺寸實(shí)驗模擬[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2005,4(29)：48-49
　　[6] 范維澄 ,陳莉.臥室火災危險度的雙重性模型 [ J ].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報 , 1994, 24 (2) : 220—224 .
　　[7] ISO 9705,Fire tests-Full scale room test for surface products. International Standards Organization (ISO),Ceneva,1993

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