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3.2.2 火灾计算流体动力学的运用
在本论文中，计算流体动力学的运用主要体现在了运用FDS软件，对不同状况的火灾进行模拟，从而根据所得到的不同结果进行分析，得出结论。FDS ( Fire Dynamics Simulator ) 是美国国家技术标准局( NIST : National Institute of Standards and Technology ) 建筑火灾实验室开发的基于现场模拟的火灾模拟软件, 该软件采用先进的大涡模拟技术, 已经得到众多的实例验证[11-13]。
以上海静安区住宅楼火灾为背景, 应用FDS软件对超高层建筑火灾进行模拟分析。国外火灾研究者针对FDS 的准确性进行了大量的研究, 证明FDS与实体实验结果吻合性较好。通过模拟分析了火灾过程中蔓延情况和温度场的分布状态, 为现实中相邻超高层建筑的火灾救援、火灾控制和高层建筑的疏散提供参考依据。通过FDS模拟计算, 分析了温度、热对流、烟气等的分布规律,总结这些规律, 以及这些因素对人员和建筑的危害情况。
3.2.3 FDS数值模拟理论基础
FDS是美国国家技术标准局( NIST ) 开发的产品. 它是一个常用的计算流体动力学模拟(CFD)软件, 专门用于研究火灾烟气传播的模型,可以模拟三文空间内空气的速度、温度和烟气的流动情况[14]。FDS以网格作为最小计算单位,采用数值方法求解受浮力驱动的低马赫数流动的Navier-Stokes方程,在每一个离散时间步长内计算出每一个网格内的温度、密度、压力、速度和化学成分等。数值算法中求解的基本方程有:
(1) 连续性方程
(3.1)
式中: 为流体密度； 为 方向上的速度。
(2) 动量守恒方程
(3.2)
式中: p 为静压强； 为应力张量。
(3.3)
(3) 能量守恒方程
(3.4)
式中： 为分子导热率； 为由于湍流扩散引起的导热率， ； 为所定义的体积热源。
火灾过程中的烟气运动遵循质量守恒定律、牛顿第二运动定律、能量守恒定律和组分输运守恒定律. 这些定律的数学描述构成了化学流体力学的基本方程组, 加上有浮力修正的k- 湍流双方程流动模型, 即构成控制烟气运动的封闭方程组.
3.3 高层建筑火灾研究特性
3.3.1 火势迅猛，烟火蔓延迅速，极易形成立体式火灾
根据科学实验表明，在火灾燃烧猛烈阶段，由于高温状态下的热对流而造成的水平方向烟气扩散速度为0.3-0.5m/s，烟气沿着楼梯间或其他竖向管井扩散的速度能达到3-4m/s。一座100m的高层建筑，在无阻挡的情况下，只需半分钟左右，烟气就能顺着竖向管井扩散到顶层。高层建筑竖井、管道多，竖井使楼梯上下相通，水平位的管道有排风管、水管、电线管道等，这些管道通向各个房间，使整个楼层互相贯穿。加上可燃装修材料多，发生火灾时就像一座座高耸的烟囱，极容易产生烟囱效应和风效应，成为火势迅速蔓延的重要途径。又因高楼受气压和风速的影响，导致火势更猛烈，蔓延更迅速，极易使整幢建筑形成立体火场。
3.3.2 高层建筑结果复杂，人员疏散困难，伤亡严重
在高层建筑起火时，要使人员迅速疏散到地面或建筑物内等不受火灾威胁的安全部位，是一项艰巨的任务。
高层建筑结构复杂，主体建筑高、层数多，功能复杂，人员密集，垂直疏散距离远，火灾发生后容易出现拥挤碰撞踩踏事件，造成伤亡事故。再加上发生火灾时的烟气浓烈，火势竖向蔓延快，给建筑物内人员安全疏散带来困难。