基于数值模拟的大空间建筑火灾温度特性研究(5)
时间:2018-06-27 21:09 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
室内火灾受室内可燃物、火焰、烟气羽流、热烟气层、顶棚射流、壁面和通风因子等因素的影响，他们之间存在复杂的相互作用，从而出现受限燃烧这一特殊的燃烧现象。 火灾荷载的概念是着火空间内所有可燃材料的总潜热能，字面理解即是建筑空间内全部可燃物全部燃烧所产生的总燃烧热能。建筑火灾荷载是预测可能出现的火灾的大小和严重程度的基础，火灾荷载密度（火灾荷载与房间特征参考面积之比）越大，可能发生的火灾危险性也越大。由于建筑空间内的材料和物品种类繁多，所以建筑空间内的火灾荷载不但是可变的，而且还带有偶然性和随机性的特点。 关于室内火灾，还有一个关键因素即是火灾增长类型。目前，在火灾科学的研究中，通常有两类模型来描述火灾发展，一类是非稳态模型，它以t2火模型为代表。另一类是稳态模型，它是将整个火灾过程的热释放率视为恒定值的一种模型，类似区域模型，它是将整个火灾过程理想化处理的结果。实际燃烧过程是一个由初期缓慢增长的孕育期和随后的显著增长期组成的过程。它与火灾热释放率的关系可以表示为Q=αt2，其中Q为火源热释放率，α为火灾增长系数，t即为火灾发展时间。当室内可燃物不同时，不仅燃烧热值不同，火灾增长系数也将大不相同，一般将t2火的增长速度分为慢速、中速、快速、超快速四种。 2.2 FDS数值模拟理论及方法 目前，针对大空间建筑火灾温度特性的研究方法有以下几种：1、大空间实验厅火灾实验预测。该方法火灾实验费用较高，且每次模拟实验仅能够针对一种火灾发生的情况，换言之可变化程度很小。但是其模拟数值是基于真实火灾实验而得来的，可信度较高，也较能够被专业领域的研究人员所接受；2、国际标准升温曲线ISO834[14]。但该国际标准在一定意义上只能适应小空间建筑的火灾温度预测，与大空间建筑火灾实验的实际数值对比有一定偏差，仅供理论上作为参考和比较。其他几种方法有区域模型、双区域模型以及场模型。 2.2.1 区域模型和双区域模型 区域模型是研究建筑室内火灾过程的一种半物理的经验模型，通过研究和实验观察，科学家总结出在建筑室内火灾过程中，室内火灾形成的烟气在空间内存在不同程度的气体分层现象，其中上层空气大多由带热烟气填充，下层为与环境温度基本相等的所谓冷空气。科学家针对这一现象，人为的根据经验在研究室内火灾时将室内空间划分为若干区域，并且设定了一个在每个区域内状态参数均匀分布的假定条件。研究的中心论据是质量守恒及能量守恒定律，建立各个区域的控制方程然后考虑各个区域的能量交换，以求得最终各个区域的状态参数变化。这种研究方法在火灾研究中对火灾发展的描述很有帮助。 在实际运用中，一般以双区域模型应用最广。双区域模型即是在区域模型的定义基础上，将室内空间明确划分为两个区域，即上层带热烟气层和下层的室内环境空气层（即冷空气层），并用一个水平的横截面作为两个区域的划分。从双区域模型的思想出发，研究者曾提出过多种羽流模型和经验公式，其中影响较为重大的是McCaffrey模型，它被运用在区域火灾模拟软件CFAST中[15]。 在建筑室内火灾的研究中，区域模型的研究方法被认为能够较好适用于火灾初期的烟气填充阶段，但针对火灾中后期的空气升温研究，该研究方法表现不佳。 2.2.2场模型 根据区域模型的概念描述我们可以看出，它是建立在每个区域的参数条件均匀分布的假定条件下的，但是火灾的燃烧是一个复杂的过程，状态参数的分布并不完全是均匀的，为个更好的描述火灾带热烟气流动和传热控制方程进行求解，研究火灾发展中的状态参数在空间内的分布情况以及各参数随时间的变化情况，研究者开发采用了非稳定场定量描述，即场模拟。它较区域模型而言，是一种能够精准预测火灾发展规律的物理模型。由于火灾燃烧过程中的流体运动属于湍流,而其偏微分方程组求解非常复杂,研究者只能采用数据转化数值的收集方法,将上述非稳定场(如温度场、浓度场)用一系列数值的离散点的集合来代替,通过研究离散点的分布情况，得出初步的能够反映这些离散点变量值之间的关系的代数方程，这些代数方程能够帮助研究者得出所求变量的大约值[15]。场模拟的数值解能够从空间和时间上对大空间建筑火灾空气升温有较准确的预测，能够针对大空间建筑的特性，预测整个火灾时间内的温度非定场[17]。 (责任编辑：qin) |