火灾动力学课程设计.docx

火灾动力学课程设计FDS模拟居室火灾魏祺祥班级：消防工程08-1班 学号： 指导老师：季经纬 火灾动力学课程设计一、 设计目的本课程设计是通过火灾动力学模拟（FDS）对居室火灾进行模拟通过模拟获得火源的热释放速率、房间内两层气体的温度、烟气层的高度、可燃物的燃烧速率等数据，对卧室火灾的火灾危险性（如轰燃发生的时间，人员安全逃生的时间，财产损失等）进行分析、评估为减轻居室火灾危险性，提出可行的安全整改措施或方案二、 设计对象居室平面图如图一所示房间内物品的布置如图二所示，各个物品的尺寸如表一所示表一物品长（m）宽（m）高（m）单人床20.90.75双人床21.80.75衣橱1.50.61电视柜1.20.51.5梳妆台10.41餐桌1.50.950.8沙发20.651门0.92窗户1.82卧室平面图：图一Smokeview视图：卧室顶棚白色圆处为感温探测器，其坐标为（1.5,2,2.4） 图二三、 方法介绍1.FDS介绍火灾动力学模拟模型(FDS)是一个对火灾引起流动的流体动力学计算模型软件对于低速、热驱动流的定量计算使用那维尔-斯托克斯方程（粘性流体方程）， 其侧重于火灾产生的烟气和引起的热传输。

1.1 FDS的特点FDS的版本1于2000年2月公开发布版本2在2001年12月公开发布 到目前为止，模型约一半的应用用于烟气控制系统的设计和喷淋喷头或探测器启动的研究，另一半用于住宅和工厂火灾模拟在整个的发展过程中，FDS的目的是在致力于解决防火工程中实际问题的同时为火灾动力学和燃烧学的基础研究提供一个工具流体动力模型 FDS对于低速、热驱动流的定量计算使用那维尔-斯托克斯方程（粘性流体方程），其侧重于火灾产生的烟气和引起的热传导核心运算是一个明确的预测校正方案，在时间和空间二阶上精确湍流通过大涡流模拟(LES)的Smagorinsky 来处理 如果基础的数值表足够清晰，则可进行直接数值模拟(DNS) LES默认这种操作燃烧模型 对大多数应用来说，FDS使用一个混合物百分数燃烧模型 混合物百分数是一个守恒量，其定义为起源于燃料的流mixing-controlled），且燃动区给定点的气体百分数模型假定燃烧是一种混合控制（料与氧气的反应进行非常快所有反应物和产物的质量百分数可通过使用“状态关系”――燃烧简化分析和测量得出的经验表达式由混合物百分数推导出辐射传输 辐射传热通过模型中的非扩散灰色气体的辐射传输方程解决，在一些有限的情况下使用宽带模型。

方程求解采用类似于对流传热的有限体积法，因而，命名为“有限体积法”(FVM)选用约100个不连续的角度，由于辐射传热的复杂性，有限体积解算程序在一次计算中需占约15％的CPU处理时间水滴能吸收热辐射，这在有细水雾喷头的场所起很大的作用，在其他设置喷淋喷头的场所也起到一定作用这种吸收系数以Mie理论为基准几何结构 FDS 将控制方程近似为在直线的栅格（网格）上，因此用户在指定矩形障碍物时须与基础网格一致多网格 这是用来在一次计算过程中描述使用不止一个矩形的网格的一个术语当使用单网格不易计算时，可采用多于一个的矩形网格 边界条件 给定所有固体表面的热边界条件，以及材料的燃烧特性通常，材料特性储存于一个数据库中并可用名称调用固体表面的热量和质量转换通常可使用经验公式解决，但当执行直接数值模拟（DNS）时可直接进行估算1.2 FDS5的优势FDS5中在处理固体边界和气相燃烧时较以前版本有所不同比较重要的变化是：多步骤燃烧 早期版本的FDS假设只有一个气相反应现在，可以应用多步骤的反应方案来描述各种各样的现象中的局部灭火，CO的生成对燃烧模型的最重要的提升是一个更较精确的热量释放率的计算和一个对局部灭火的更好的处理。

物质层 过去版本的FDS假设固体边界包含一个单个同系的层现在，固体边界可以用多层物质来建模每类物质通过名称组MATL来指定这个变化使过去的输入文件过时了指令行格式 FDS仍然是通过命令行来运行，但是句法较以前版本有所不同数据库 较早版本的FDS利用一个独立的“database”文档来储存材料和反应参数，现在不用这个文档了现在所有的参数都必须在输入文档中指定装置描述 过去用来描述一个装置或传感器（喷头，热量探测器，热电偶等等）的方法都改变了定义装置和他们的性质，任何一个装置都可以用来控制喷头的激活，通风口或障碍物的创建和移除喷头 早期版本的外部喷头文档不再使用所有关于喷头和其它特定的火灾装置的信息都在输入文档中表达控制功能 增加了一组新的输入参数来描述控制喷头激活，通风口和障碍物的创建和移除，编码执行（终止或倾销重启文件）的功能数字网格 早期版本的FDS利用分离的输入文件组来定义数字网格和计算区域现在，两个指令组融合为一个单独的，简化的MESH名称组名称组PDIM和GRID不再在输入文档中使用压力区域 在FDS中有可能在计算区域指定单独的区域，背景压力与周围环境压力不同，允许泄露的计算，风扇曲线，等等。

堆叠作用和大气阶层 做了更好的改进描述成层的大气，和高层建筑中由于内外温差造成的空气运动绝热层温度 添加了一个新的输出量来更加便利地使用FDS在热量和机械有限元素模型的输出发展，分布和正式的用户支持 开始FDS5,利用一个联机的，开放资源的发展环境，进行配置管理（编码存档，修订追踪，漏洞确定，用户建议等等）2.喷头动作时间预测的方法关于对喷头时间预测的理论公式基础：（1）顶棚射流的温度和速度：烟气顶棚射流中的最大温度和速度是估算火灾探测起和灭火喷头热响应的重要基础对于稳态火，为了确定不同位置上的顶棚射流的最大温度和速度，用不同的可燃物（木垛、塑料、纸板箱等），在不同大小火源（668kW～98MW）和不同顶棚高度（4.6～15.5m）条件下进行实验由一系列实验测量数据的拟合得到了以下关系式：式中，T为顶棚射流的最大温度，℃；U为最顶棚射流的最大流速，m/s；H和r分别为顶棚高度和以羽流中心线撞击点为中心的径向距离，m；为火源的总热释放速率，kW2）感温元件在稳态火灾下响应时间分析：要使面积为A的感温元件达到额定动作温度，假设感温元件的额定动作温度为，则要求感温元件必须暴露于温度超过的热烟气中。

根据对流换热的牛顿公式及对流传热理论可导出感温元件在稳态火灾的响应时间，起计算公式为： 式中，为感温元件的质量，kg；为感温元件的定压比热容，kJ/(kg.K)；h为强迫对流热换热系数，kW/(m2.K)； ；感温探测器的时间常数为：上式中的比较容易计算，但要计算h值是非常困难但在强迫对流条件下，内部导热热阻较小的薄板，，即Heskestad等人为描述喷头的热响应而引进了响应时间指数RTI的概念，其定义如下：上式中的响应时间指数RTI可由标准实验得出，如ISO6182、UL199等3）非稳态火灾下响应时间分析：由前面的非稳态火灾分析可知，实际火灾都要经历一个由小到达的发展过程，而用稳态火灾预测感温元件的动作时间将与实际情况有很大的差异在基于非稳态火灾的准稳态假设基础上，Evans和Stroup发展一个预测感温元件非稳态温升的数学模型，见式（3.2.7）当计算感温元件在火灾中的实际温度大于其额定动作温度时，所对应的时间即为感温元件在非稳态火灾中的动作时间在预测火灾的热释放速率时可以根据实验曲线给出，也可以根据实际情况由t2模型给出式中， 为感温元件的处t时刻的顶棚射流温度，℃；为感温元件处时刻的顶棚射流温度，℃；为感温元件在t时刻的温度，℃；为感温元件在时刻的温度，℃；为感温元件的时间常数，s，由式（3.2.6）给出。

有了上述的分析，我们对与喷头动作时间的计算思路为：首先用式（3.2.1）～（3.2.4）计算随火灾发展每一时刻喷头处顶棚射流的温度和速度，再由公式（3.2.6）或式（3.2.7）得出对应时刻的时间常数最后由式（3.2.8）迭代计算出对应时刻的喷头温度，迭代终止的条件是四、 计算分析1.计算模型对实际情况的简化各房间内的物品均简化为长方体起火源设置在厨房内的灶台上如图二所示各房间的门分为开与关两种情况进行模拟2.计算条件房间内双人床、单人床、衣厨、门、电视柜、餐桌、梳妆台、书桌的材料设为橡木，厨房内壁橱的材料设为橡木板，墙体默认为石膏板，沙发的材料设为家具装饰材料，地面上厨房和卫生间的材料为松木，其余房间为地毯橡木、家具装饰材料、石膏板、地毯、松木等相关数据均来自FDS5所提供的原始数据起火源的单位面积热释放速率HRRPUA=3000KW/m2，起火源长0.5m,宽0.3m,取值依据NIST统计数据 3.FDS模拟结果分析说明：测量烟气层高度，上层烟气层温度，下层冷空气层温度时，在每个房间中心内设置1个测量点，在各个房间的交界处再设一个测点，共计七个测点测点1（1.5，2.0,1.2），测点2（3.5,6.0,1.2），测点3（8.0,6.8,1.2），测点4（11.0,5.5,1.2），测点5（10.5,1.8,1.2），测点6（1.0,2.0,1.2），测点7（5.6,4.5,1.2），如图三所示。

图三⑴有感温探测器且门关闭smokeview运行界面：20s时运行截图60秒时运行截图表1.1：平均的热释放速率表1.2：可燃物的燃烧速率表1.3：烟气层高度表1.4：上层烟气层温度表1.5：下层冷空气层2）有感温探测器门打开smokeview运行界面：20s时运行界面60s时运行界面表2.1：平均热释放速率表2.2：可燃物的燃烧速率表2.3：烟气层的高度表2.4：上层烟气层的温度表2.5：下层冷空气层的温度从表1.1和表2.1可以看出：起火源点火后，表1.1平均热释放速率急剧上升，在52s左后时达到最大；由于卧室门为关闭，房间内的氧气含量得不到补充，平均热释放速率随氧含量的下降而呈现下降趋势表2.1平均热释放速率上升也较为迅速，在50s左右时达到最大，后由于可燃物的减少，热释放速率开始下降门关时平均热释放速率最高达到13000Kw，门开时平均热释放速率最高达到15000Kw，从两者的差距可以看出门开比门关火灾发展迅速并且门关时由于没有足够的氧气，火灾为通风控制燃烧，燃烧逐渐变为阴燃；门开由于有大量新鲜空气补进，火灾为燃料控制火灾，这样的火灾会造成巨大的经济损失从表1.2和表2.2可以看出：两者的可燃物的燃烧速率在火灾前期比较接近，在50s左右达到最大值后，随着氧气含量的减少开始呈现下降趋势。

两者的可燃物的燃烧速率变化情况基本与平均热释放速率一致但在火灾后期两者出现一定的差别，表1.2可燃物的燃烧速率最大为0.82Kg/s，表2.2可燃物的燃烧速率最大为0.85Kg/s，表1.2可燃物的燃烧速率下降的比表2.2的要快，门开时燃物的燃烧速率大于门关时值从表1.3和表2.3可以看出：表1.3在卧室卫生间的门紧闭的情况下，各个卧室和卫生间里几乎没有烟气，而厨房和客厅的烟气层高度随着燃烧进行逐渐降低，在50s左右达到最低，后烟气层高度一直保持在0.。