1、火灾过程的模拟计算火灾过程的模拟计算概概 述述p火灾计算模拟的依据火灾计算模拟的依据l火灾过程具有一定的规律性火灾过程具有一定的规律性l规律可以抽象成以火灾数据为基础的经验公式或描规律可以抽象成以火灾数据为基础的经验公式或描述火灾过程的控制方程述火灾过程的控制方程p计算模拟的层次计算模拟的层次l经验模拟：以火灾统计数据或实验数据为基础总结经验模拟：以火灾统计数据或实验数据为基础总结的公式的公式l半物理模拟：经验公式和理论分析相结合半物理模拟：经验公式和理论分析相结合l物理模拟：以基本方程和理论模型为基础的模拟物理模拟：以基本方程和理论模型为基础的模拟概概 述述p建筑火灾的计算机模型建筑火灾的计
2、算机模型l随机性模型：火灾的发展看做不同状态的转变随机性模型：火灾的发展看做不同状态的转变l确定性模型：物理化学定律为基础，用公式表示火灾确定性模型：物理化学定律为基础，用公式表示火灾发展过程发展过程p确定性火灾模型的种类确定性火灾模型的种类 l从处理方法上分从处理方法上分区域模型区域模型场模型场模型网络模型网络模型l从功能上分从功能上分 火灾特性模型、烟气运动模型、火灾发展速率、材料耐火性能、火灾特性模型、烟气运动模型、火灾发展速率、材料耐火性能、探测喷淋响应模型、人员疏散模型、烟气毒性模型等探测喷淋响应模型、人员疏散模型、烟气毒性模型等p区域模型区域模型 l基本思想：基本思想：根据火灾发生
3、后室内的气体分层现象将空间分成几根据火灾发生后室内的气体分层现象将空间分成几个区域，假定在每个区域内状态参数均匀分布，根个区域，假定在每个区域内状态参数均匀分布，根据质量、动量、能量、组份守恒方程，求解各区域据质量、动量、能量、组份守恒方程，求解各区域状态参数的变化。状态参数的变化。l最常用的是双区模型：烟气区和空气区。最常用的是双区模型：烟气区和空气区。l研究对象主要是热气层的高度、温度、浓度等状态研究对象主要是热气层的高度、温度、浓度等状态参数随时间的变化情况。参数随时间的变化情况。概概 述述概概 述述o双区模型双区模型l冷热层之间的质量、能量交换仅通过羽流进行。冷热层之间的质量、能量交换
4、仅通过羽流进行。l交界面上忽略扩散和掺混。交界面上忽略扩散和掺混。l主要研究烟气层的变化，以烟气层为研究对象。主要研究烟气层的变化，以烟气层为研究对象。Mp室内火灾双区模型示意图Ma概概 述述o场模拟场模拟l利用偏微分方程求解状态参数的空间分布和随时间利用偏微分方程求解状态参数的空间分布和随时间的变化。的变化。l对空间的划分比较细致，可以得到较详细的参数分对空间的划分比较细致，可以得到较详细的参数分布和发展变化情况。布和发展变化情况。l基本方程也是守恒方程。基本方程也是守恒方程。l需要建立火灾各分过程的理论模型需要建立火灾各分过程的理论模型浮力影响的湍流模型浮力影响的湍流模型湍流燃烧模型湍流燃
5、烧模型辐射换热模型辐射换热模型炭黑模型炭黑模型l计算量大，对边界条件要求比较严格。计算量大，对边界条件要求比较严格。概概 述述o网络模拟网络模拟l整个建筑物作为一个系统，每个房间作为一个计算整个建筑物作为一个系统，每个房间作为一个计算体体l可考虑多个房间的情况，计算结果较粗糙可考虑多个房间的情况，计算结果较粗糙o场场-区区-(-(网网)模型模型l三种模型结合起来使用三种模型结合起来使用l起火区域或强通风区域用场模拟，较近区域用区域起火区域或强通风区域用场模拟，较近区域用区域模拟，较远区域用网络模拟模拟，较远区域用网络模拟概概 述述o火灾发展模型的验证火灾发展模型的验证l验证是发展火灾模型的重要
6、方面，应当把模型验证是发展火灾模型的重要方面，应当把模型计算的结果与从类似事件中得到的数据或测量计算的结果与从类似事件中得到的数据或测量结果进行比较。结果进行比较。l模拟计算和实验都有出错的可能模拟计算和实验都有出错的可能l每种模型的使用范围都是有限制的每种模型的使用范围都是有限制的l计算结果的正确性依赖于输入参数的准确性和计算结果的正确性依赖于输入参数的准确性和合理性合理性p火灾发展模型的验证火灾发展模型的验证lFAST的计算结果与实验结果的比较的计算结果与实验结果的比较 FASTFAST的计算结果与试验的比较的计算结果与试验的比较实验值实验值0计算值计算值0 100 200 300 400
7、 500 600时间时间 t(s)烟烟气气层层位位置置 HR HL(m)2.52.01.51.00.5烟烟气气层层温温度度 T(K)TL（实验值）（实验值）TL(计算值计算值)100 150 200 250 300 350 400 时间时间t(s)1000300400500600700800900概概 述述p火灾发展模型的验证火灾发展模型的验证概概 述述p火灾发展模型的验证火灾发展模型的验证概概 述述-10001002003004005006007008002030405060708090100110120130140150T(?)t(s)Heskestad Zukoski McCaffrey
8、 Thomas Experiment CFAST0100200300400500600424446485052545658606264T(?)t(s)Heskestad Zukoski McCaffrey Thomas Experiment CFAST不同羽流模型的适应性比较不同羽流模型的适应性比较较小火源功率较大火源功率p火灾发展模型的验证火灾发展模型的验证概概 述述p火灾模型的应用现状及发展火灾模型的应用现状及发展l火灾模型方法出现的时间还不长，向实际应用的转火灾模型方法出现的时间还不长，向实际应用的转化尚处于起步阶段，经验模型与实际最容易结合。化尚处于起步阶段，经验模型与实际最容易结合。
9、l火灾模型应用发展较快的另一方面是帮助制定防火火灾模型应用发展较快的另一方面是帮助制定防火设计规范。设计规范。l火灾模型也是建筑物火灾安全分析的重要工具。区火灾模型也是建筑物火灾安全分析的重要工具。区域模拟和场模拟已进入防火设计和安全性评估的实域模拟和场模拟已进入防火设计和安全性评估的实用中。用中。l在不久的将来它就可能成为消防技术的一部分，并在不久的将来它就可能成为消防技术的一部分，并向规范化方向发展。向规范化方向发展。l有针对性的和特殊火灾现象的模型也将越来越多。有针对性的和特殊火灾现象的模型也将越来越多。概概 述述 FPETOOLpFPETOOL是一种用经验公式和简化模型描述火是一种用经
10、验公式和简化模型描述火灾分过程的计算机程序灾分过程的计算机程序.p主菜单主菜单l系统设置系统设置l火灾形式火灾形式l设定火灾设定火灾l火灾模拟火灾模拟l走廊流动走廊流动p火灾形式火灾形式(FIREFORM)l不同的火灾分过程中各参数的计算，不同的火灾分过程中各参数的计算，17个子程序个子程序l每个程序按要求输入初始条件后可很快得到计算结果每个程序按要求输入初始条件后可很快得到计算结果p设定火灾设定火灾l模拟火灾的释热速率模拟火灾的释热速率l指数增长火的情况指数增长火的情况l多个物体不同时刻燃烧时多个物体不同时刻燃烧时l自己设定自己设定l已有数据文件已有数据文件l一些可燃物的释热速率峰值一些可燃
11、物的释热速率峰值 FPETOOLp火灾模拟火灾模拟l燃烧产生烟气的温度和体积燃烧产生烟气的温度和体积l房间开口流出的气体和产物房间开口流出的气体和产物l水喷头、探测器的响应时间水喷头、探测器的响应时间l烟气中氧气、烟气中氧气、CO、CO2的浓度的浓度l氧气对燃烧的影响氧气对燃烧的影响p走廊流动走廊流动l主要计算烟气从房间流到走廊中的速度、温度、距主要计算烟气从房间流到走廊中的速度、温度、距离等离等FPETOOLpASET(Available Safe Egress Time)程序是美国国程序是美国国家标准技术研究所建筑与火灾研究室编制的一种家标准技术研究所建筑与火灾研究室编制的一种单室火灾区域
12、模拟程序。单室火灾区域模拟程序。p目前目前ASET程序主要用于讨论火灾中与生命安全程序主要用于讨论火灾中与生命安全有关的问题，但也可用于研究室内火灾的多种其有关的问题，但也可用于研究室内火灾的多种其它特征。它特征。ASET REST(Required Safe Egress Time)ASETASETo模型计算要点模型计算要点l在所讨论的火灾场景下，对室内可燃物的燃烧特性及建在所讨论的火灾场景下，对室内可燃物的燃烧特性及建筑物的空间状况作出物理描述；筑物的空间状况作出物理描述；l使用室内火灾发展模型分析建筑物内部的火灾动力学环使用室内火灾发展模型分析建筑物内部的火灾动力学环境；境；l给出探测到
13、火灾及其达到危险状态的临界条件给出探测到火灾及其达到危险状态的临界条件(判据判据)，这些判据应分别与现行的火灾探测元件的特性和建筑物这些判据应分别与现行的火灾探测元件的特性和建筑物内的人员特性相一致；内的人员特性相一致；l使用使用(3)给出的判据来计算给出的判据来计算(2)的环境，并由此估计受到火的环境，并由此估计受到火灾威胁区域的灾威胁区域的tdet和和thaz，并进一步计算出，并进一步计算出ASET。ASETo模型的假设模型的假设l室内门窗及通风口关闭，在靠近地面有一个与外界环境室内门窗及通风口关闭，在靠近地面有一个与外界环境相通的缝隙；相通的缝隙；l整个火灾过程中，室内气压不变，且空气及
14、烟气都视为整个火灾过程中，室内气压不变，且空气及烟气都视为分子量相同的理想气体；分子量相同的理想气体；l冷、热气层界面上没有质量和能量的交换，热气层的质冷、热气层界面上没有质量和能量的交换，热气层的质量交换及火源对热气层的加热通过浮力射流进行，火源量交换及火源对热气层的加热通过浮力射流进行，火源对冷空气层无能量传输；对冷空气层无能量传输；l冷、热气层内各参数在空间均匀分布。冷、热气层内各参数在空间均匀分布。ASETo考虑了热、冷区的质量守恒、热气层的能量守恒和组份考虑了热、冷区的质量守恒、热气层的能量守恒和组份守恒守恒o程序编制程序编制l输入数据输入数据释热速率：曲线、设计释热速率：曲线、设计
15、产物生成速率：与释热速率相关、指定数据产物生成速率：与释热速率相关、指定数据房间结构房间结构l探测和危险判据探测和危险判据烟气温度、浓度、温升速率烟气温度、浓度、温升速率烟气高度烟气高度l运算结果运算结果烟气温度、浓度、高度烟气温度、浓度、高度ASETo使用限制使用限制l不能用于长宽比大于不能用于长宽比大于10:1 或高度与宽度之比大于或高度与宽度之比大于1的房间；的房间；l假设所有的门、窗及其它的与毗邻空间相通的通道都被关闭。假设所有的门、窗及其它的与毗邻空间相通的通道都被关闭。但又假定在达到危险状况之前室内有足够的氧气以维持自由燃但又假定在达到危险状况之前室内有足够的氧气以维持自由燃烧；烧
16、；l假定房间分成水平两层，其间有明显界面，上部为温度较高的假定房间分成水平两层，其间有明显界面，上部为温度较高的烟气层，下部为冷的环境空气，并假设上层内各种气体混合均烟气层，下部为冷的环境空气，并假设上层内各种气体混合均匀。当上层温度超过匀。当上层温度超过350450时，烟层反馈到燃料的热辐时，烟层反馈到燃料的热辐射变强，这将显著改变火灾的自由燃烧特性，因此以后计算结射变强，这将显著改变火灾的自由燃烧特性，因此以后计算结果便不可靠了；果便不可靠了；l假设这种缝隙紧靠地板，在烟层界面接近地板前，只在房间较假设这种缝隙紧靠地板，在烟层界面接近地板前，只在房间较低的部位可泄漏出冷空气，而顶棚附近的高
17、温燃烧产物不会泄低的部位可泄漏出冷空气，而顶棚附近的高温燃烧产物不会泄漏。漏。CFASToCFAST是一种计算火灾与烟气在建筑物内蔓延是一种计算火灾与烟气在建筑物内蔓延的区域模拟程序，它是在的区域模拟程序，它是在FAST和和CCFM程序的程序的基础上发展而来的。基础上发展而来的。o包括的主要部分包括的主要部分lCEDITlCFASTlCPLOTCFASTo基本方程和源项l烟气层、空气层的守恒方程、理想气体定律l火源：释热速率、面积的变化l羽流和烟气层经验公式确定羽流的质量变化能量和质量传输靠羽流和开口处的混合流l开口流动水平流动和竖直流动能考虑0.1Pa的压差l传热设计了墙壁、顶棚、地面的材料
18、及其导热系数考虑辐射传热l组份浓度p应用举例应用举例l某单元住宅某单元住宅2.02.559.05.011.0 2.04.02.0TV阳台阳台PC143256 所选单元住宅的平面布置所选单元住宅的平面布置 CFAST p应用举例应用举例l计算结果计算结果020040060080010000.00.51.01.52.02.53.0 room1 room2 room3 room4 room5 room6烟气层高度(m)烟气层高度(m)时 间 (s)时 间 (s)02004006008001000020406080100120140 room1 room2 room3 room4 room5 room
19、6烟气层平均温度(烟气层平均温度(0 0C)C)时 间 (s)时 间 (s)住宅火灾算例的部分结果住宅火灾算例的部分结果(a)(b)CFAST CFASTo合理使用合理使用018036054072090010801260144016201800020406080100120140160180200220240260280300 烟气层平均温度烟气层平均温度()时 间时 间(s)0180360540720900108012601440162018000.00.51.01.52.02.53.03.54.0 烟气层高度烟气层高度(m)时 间 时 间(s)1,4,7,10,13,15传统区域模拟某狭长型空间的多单元区域模拟与传统区域模拟某狭长型空间的多单元区域模拟与传统区域模拟
