（热能工程专业论文）宿舍楼火灾烟流数值模拟及仿真实现.pdf

宿舍楼火灾烟流数值模拟及仿真实现 于两芰 学生宿舍楼是学校的主要建筑物之一，也是学生聚集的主要场所，其内部人员相对 集中，人流量大。宿舍楼内部可燃物种类繁多，火灾隐患随时存在，一旦发生火灾，高 温有毒烟气会迅速沿着走廊和楼梯间向四周蔓延，严重影响人员的逃生，给学生的生命 和财产安全带来巨大威胁。因此，非常有必要研究宿舍楼火灾烟流特性。 首先，根据该宿舍楼的平面图建立了宿舍楼的物理模型；然后，设定了宿舍楼火灾 场景( 包括火源类型的选择、燃烧物的设置、热释放速率以及火灾增长因子的确定等) ； 最后运用火灾动力学专业软件f d s 5 ，采用大涡模拟方法对哈尔滨工程大学某学生宿舍 楼的火灾烟气蔓延特性做了比较全面的研究。本文的模拟可以分为两大块房间火灾 和走廊火灾。房间火灾又分为以下几种情况：( 1 ) 着火房间窗户是否开启( 2 ) 某个房 间着火，其隔壁房间的门和窗在不同时刻打开。走廊火灾分为以下几种情况：( 1 ) 火 源所在的楼层位置相同，火源水平位置不同，( 2 ) 火源所在的水平位置相同，但是楼层 不同，( 3 ) 火源所在的水平位置和楼层相同，火源功率不同。 对数值模拟结果的分析表明：( 1 ) 房间着火时，房间窗户不论开启还是关闭，房间 内部的温度在1 5 0 s 都达到了1 0 0 以上，烟气层下降至了l m 左右，对房间内部人员构 成严重威胁。由于着火房间靠近楼梯间，着火房间所在的楼层相对无烟，楼层越高，烟 气沉降越明显。( 2 ) 房间发生火灾后，着火房间的隔壁房间的温度都低于6 5 。c ，对人员 不构成威胁，但是烟气层下降至了1 7 m 以下，对人员构成威胁。( 3 ) 火源在一层走廊 时，对于火源所在的楼层，离火源位置小于3 0 m 的地方，其温度都超过6 5 。c ，对人员 构成威胁，离火源近的楼梯问温升显著，烟气沉降明显，离火源远的楼梯间受火灾烟气 影响不大。二层至六层的温度都低于人体的耐受温度，但是烟气沉降严重，低于人体高 度。( 4 ) 火源在中问层走廊时，中间层以上的楼层温度比火源在一层时要高。中问层以 下的楼层处于无烟状态。( 5 ) 大功率火源比小功率火源的热驱动力大，产烟量多，烟气 流动速度更大。 在数值模拟基础上，本文运用v i s u a lc + + 结合虚拟现实软件v e g ap r i m e 实现了宿舍 楼火灾场景的仿真，再现了火灾场景。 本文的研究对于宿舍楼火灾的防排烟设计，宿舍楼人员的逃生都具有一定的指导意 义；也能够为火灾原因调查，消防模拟训练提供一定的帮助；为后续研究人员做相关方 面的研究提供一定参考。 关键词：宿舍楼，火灾，烟气流动，数值模拟，仿真，f d s ，v e g a p r i m e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宿舍楼火灾烟流数值模拟及仿真实现 a b s t r a c t s t u d e n t sa p a r t m e n ti so n eo ft h em i a nb u i l d i n go fs c h o o la n dc o l l e g e ，i nt h es t u d e n t s a p a r t m e n t s t a f fa r er e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e d ，e s p e c i a l l yt h es t u d e n t - q u a n t i t y sd e n s i t y i s l a r g e t h e r ea r em a n yi n f l a m m a b l eo b j e c t si ni t , t h e r e f o r e ，t h ef i r el o a da n df i r eh a z a r de x i s ta t a n yt i m e i n c a s eo ff i r ei ns t u d e n t sa p a r t m e n t ，h i g ht e m p e r a t u r ef l u eg a sw i t ht o x i cw i l l s p r e a da r o u n dq u i c k l ya l o n gt h ec o r r i d o ra n ds t a i r w e l l s ，a n dp r e v e n t t h ep e o p l ee s c a p i n g ，t h r e a t s t u d e n t s s a f e t ya n dt h e i re n o r m o u s s oi ti sq u i t en e c e s s a r y t or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i r es m o k ef l o wi ns t u d e n t sa p a r t m e n t f i r s t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n g t ot h ep l a no fs t u d e n ta p a r t m e n t ； a n dt h e nt h eb a s i ce l e m e n t sf i r es c e n a r i ow a ss e t ( i n c l u d i n gt h ec h o i c eo ff i r et y p e ，s e t t i n g c o m b u s t i o na n dr e l e a s er a t e ，d e t e r m i n et h ef i r eg r o w t hf a c t o r ) ；f i n a l l y ，o n eo ft h eh a r b i n e n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y s t u d e n t sa p a r t m e n tw a ss i m u l a t e db yf i r ed y n a m i c sp r o f e s s i o n a l s o f t w a r ef d s 5w i t ht h em e t h o do fl a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，t or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i r e s m o k es p r e a d t h es i m u l a t i o no ft h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot w ol a r g ep i e c e s f i r ei n r o o ma n df i r ei nc o r r i d o r w h i l ef i r ei nr o o m ，i tc a nb ed e v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gk i n d s s i t u a t i o n ( 1 ) w h e t h e rt h ew i n d o wo ff i r er o o mi so p e n ，( 2 ) ar o o mi so nf i r e ，i t sn e x tr o o m s d o o ra n dw i n d o w so p e na td i f f e r e n tt i m e s w h i l ef i r ei nc o r r i d o r ，i tc a l lb ed e v i d e di n t ot h e f o l l o w i n gk i n d ss i t u a t i o nf 1 ) t h ef i r es c e n a r i oi nd i f f e r e n tl o c a t i o n so n t h es a m ef l o o r ，( 2 ) t h e f i r es c e n a r i oi nt h ed i f f e r e n tf l o o ri nt h es a m el o c a t i o n s ，( 3 ) t h ef i r ep o w e ri sd i f f e r e n tw i t ht h e s a m el o c a t i o n sa n df l o o r t oa n a l y st h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a t ：( 1 ) w h e nf i r ei nr o o m ，n om a t t e r r o o mw i n d o wi so p e no rc l o s e dt h et e m p e r a t u r ei n s i d et h er o o mr e a c h e da b o v e10 0i nt h e15 0 s e c o n da n da n dt h es m o k el a y h e i g h td o w nt oa b o u t1 , i ti sas e r i o u st h r e a tf o rt h ep e o p l ei n s i d e t h i sr o o m d u et ot h ef i r er o o mn e a rt ot h es t a i r w e l l s ，t h ef l o o rw h i c hc o n t a i n st h ef i r er o o m j u s th a v er a r e l ys m o k ea n dt h ef l o o ri sh i g h ，t h es m o k es e t t l e m e n tm o r eo b v i o u s ( 2 ) t h e t e m p e r a t u r ei n t h er o o mw h i c hn e x tt ot h ef i r er o o mi sb e l o w6 5 ，t h es t a f fw i l ln o tb e t h r e a t ，b u tt h es m o k el a y h e i g h ti sd o w nt o1 7m e t e r si ti sat h r e a tf o rt h ep e o p l e ( 3 ) w h e nf i r e i nt h ef i r s tf l o o r t h ep l a c ef r o mf i r el e s st h a n30m e t e r st h et e m p e r a t u r ei sh i g ht h a n6 5 ，t h i s w i l lt h r e a tp e o p l e ss a f e t h et e m p e r a t u r ei ns t a i r w e l l sw h i c hn e a rt of i r er i s es i g n i f i c a n t l ya n d t h es m o k es e t t l e m e n to b v i o u s t h es t a i r w e l l sf a ra w a yf r o mt h ef i r ei si m p a c tn o to b v i o u sb y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s m o k e t h e s e c o n df l o o rt ot h es i x t hf l o o r st e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a nt h eh u m a nb o a y t o l e r a n c e t e m p e r a t u r e ，b u tt h es m o k es e t t l e m e n ts e r i o u s ，l o w e rt h a nt h eh u m a nb o d y h e i g h t ( 4 ) t h et e m p e r a t u r eo ft h ef o u t ht ot h es i x t hf l o o ri sh i g h e rw h e nt h ef i r ei si nt h et h i r d f l o o rt h a nt h ef i r ei nt h ef i r s tf l o o r ，廿1 ef i r s tf l o o rt ot h es e c o n df l o o rh a v en os m o k e ( 5 ) t h e g r e a t e rf i r ep o w e rw i l lh a v eg r e a t e rh e a td r i v i n gf o r c e ，i tw i l lp r o d u c em o r es o r n k ea n dh a v ea g r e a t e rg a sv e l o c i t y 。 b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ru s ev i s u a lc + + c o m b i n e dw i t hv i r t u a l r e a l i t ys o f t w a r ev e g ap r i m er e a l i z e dt h es t u d e n t sa p a r t m e n tf i r es c e n a r i os i m u l a t i o n ，e m e r s i o n t h ef i r es c e n e t h i sp a p e r ss t u d i e sh a v es o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o r t h ef i r es m o k ee x h a u s td e s i g n a n dp e o p l ee s c a p eo ft h es t u d e n ta p a r t m e n t ；a n di tc a na l s op r o v i d e ss o m eh e l pf o rs u r v e yt h e c a u s eo ft h ef i r ea n df i r ec o n t r o ls i m u l a t i o nt r a i n i n g ；a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c hw i l lb ea b a s ef o rt h ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o n k e y w o r d s ：d o r m i t o r yb u i l d i n g ，f i r e ，s m o k ef l o w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o n ，f d s ， v e g ap r i m e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 火灾是失去控制的燃烧所造成的危害，火灾一旦发生，破坏力和危害极大，对人们 的生命和财产安全构成巨大威胁 1 1 。其中建筑物火灾的危害最为直接，学生宿舍楼火灾 是建筑物火灾中的典型。近年来，随着各个高校扩大招生数量，学生宿舍楼数量也随着 增加，宿舍楼发生火灾的现象屡见不鲜。2 0 0 3 年1 1 月2 4 日，莫斯科卢蒙巴民族友谊大 学女生宿舍楼发生火灾，大火造成7 名中国留学生遇难；2 0 0 8 年1 1 月1 4 日早6 时1 0 分左右，上海商学院女生宿舍楼失火，四名大学生慌乱中从六楼跳下，当场死亡；2 0 0 9 年4 月6 日早晨7 点左右，苏州大学东校区男生宿舍楼2 号楼5 0 4 发生火灾，突发的大 火把整个宿舍烧光，所幸没有造成人员伤亡，2 0 1 1 年9 月2 6 日1 7 时左右，陕西中医 学院第二附属医院西侧宿舍楼顶发生火灾，事故造成一名学生死亡多名学生受伤。学生 宿舍楼人员非常密集，同时也是学生财物的集中地，一旦发生火灾，后果无法估量。高 校宿舍楼通常有以下特点【2 4 j ： ( 1 ) 宿舍楼内部人数多，人员密集，一旦发生火灾，人员疏散难度比较大 学生宿舍楼是学生生活和学习的主要场所，现在高校宿舍楼以四人至六人间居多， 宿舍内人员密度非常大，一旦发生火灾，很容易在逃生的时候形成拥堵现象，严重影响 人员的逃生。 ( 2 ) 楼道内通道相对狭窄，走廊高度低，火灾发生后，烟气迅速蔓延并下沉 学生宿舍楼内的走廊通道相对狭窄，走廊高度低，整个走廊的空间相对较小，一旦 发生火灾，烟气会迅速向四周蔓延，充满整个空间，对人员的逃生构成严重威胁。 ( 3 ) 学生宿舍楼功能多样，内部设备繁多，起火因素多，火灾发生概率大 一般的高校宿舍楼在其内部设置了会议室，会客室，自习室等场所，有些部位存在 着多种火源和可燃物，一旦用火不慎，很容易发生火灾。宿舍楼内电器设备繁多，用电 量大，学生用的电脑以及其他生活电器经常会出现短路，漏电等现象，很容易引发电起 火。学生宿舍内可燃物种类繁多，如学生衣物，棉被品，塑料制品，一旦学生用火不慎 很容易形成火灾。 ( 4 ) 学生宿舍楼内消防设备不齐全，灭火难度大。 一些老式宿舍楼内部的消防设施比较不完善，有的宿舍楼连最基本的消防栓和灭火 器都没有配备，火灾发生时根本不能得到及时有效的扑救。 哈尔溟工程大学硕士学位论文 综上所述，高校学生宿舍楼火灾发生时产生的烟气多，烟气蔓延速度快，烟气毒性 强，安全疏散人员多，灭火和扑救工作困难。因此，应该尽量避免学生宿舍楼发生火灾 和减小火灾发生时的损失。所以，非常有必要深入研究学生宿舍楼火灾发生和发展的机 理和规律，把握宿舍楼火灾发生时温度分布和烟气蔓延规律，为高校宿舍楼的防火、防 排烟设计提供帮助和参考。 1 2 研究方法 随着科技的发展，社会的进步，人们对建筑火灾的危害性的认识也有了较深的理解， 消防意识逐渐增强。针对火灾类别的不同，研究方法的选择也越来越丰富。通常研究宿 舍楼火灾的方法有以两类：实验研究和数值模拟方法。 1 2 1 实验方法 实验研究是针对典型的建筑物，在特定的条件下真实，完整地演化火灾发展过程。 火灾实验可以通过测定火灾发生时的表征烟气流动特性的典型参数，如温度、烟气层高 度、烟气浓度、一氧化碳浓度等随空问和时间的变化规律。实验方法研究火灾最为精确， 但是实验研究也有其自身的缺点5 石】： ( 1 ) 实验成本高。要研究比较符合实际情况的火灾，首先要建立建筑物实体，其 次要设定可燃物( 如沙发，衣服，电器等) ，购买这些的成本比较高，另外需购买一套 完整的测量系统，这些都比较耗费财力。 ( 2 ) 实验周期长，测定的参数有限。进行实际火灾实验时，由于受其他外部条件 ( 比如天气情况) 影响较大，一次火灾实验的周期会比较长，测量实验数据时，往往测 量系统的功能也是有限制的，不可能完全测出火灾发生时的所有参数。 ( 3 ) 实验条件受限，火灾实验本身对环境会造成污染。目前一些大中城市是禁止 进行燃烧实验的，在这些城市想要进行火灾实验研究会非常不便。 ( 4 ) 实验的可重复性不强。火灾是非常复杂的燃烧，燃烧物种类，火灾发生的位 置、通风等情况不同，火灾过程的表现会完全不一样。因此一般来说实际火源在相同工 况下的可重复性差。 1 2 2 数值模拟方法 随着科技的发展，数值模拟方法已经越来越广泛地应用于建筑火灾的研究。根据研 究区域的不同数值模拟方法可以分为区域模拟、场模拟、网络模拟和复合模拟四类。区 域模拟的思想最早由哈佛大学的e m m o n s 教授提出，区域模型的思想是把要研究的区域 2 第1 章绪论 分为上下两部分，并且假设每部分的物理量分布均匀一致，上层是烟气层，下层是空气 层【7 】。区域模拟比较适合单室内的流体传输过程，区域模拟对计算机性能要求比较低， 模拟时间短，在多数场合下也能满足基本的工程需要。但是，对于建筑物结构复杂，有 强火源或者有单一通风很强的房间，区域模拟结果的误差将会很大，往往会偏离实际结 果，在这样的条件下，区域模拟将不再适合。 随着计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术的发展，场模拟应用于火 灾研究也越来越普遍【9 】。场模型将控制体划分为大量的相互关联的小网格，在每个网格 中求解连续性方程、动量平衡方程、能量守衡方程等来得到火灾过程各状态参数变化趋 势。场模拟的优点是计算结果比较精确，其缺点是计算量大，计算时间长，对计算机硬 件要求高。火灾数值模拟研究伴随湍流理论的深入而不断成长，当前场模拟应用于湍流 问题的研究主要有三种方法：湍流模式理论，直接模拟( d i r e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， 简称d n s ) 和大涡模拟方法( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 网络模型是把整个模拟的建筑物作为一个整体，建筑物中的单个区间为一个网络节 点，各个节点之间通过空气流动路径相连，并且假设各个控制体内所有参数均匀一致【l0 1 。 网络模型的优点是计算成本低，计算简单；网络模型的缺点是计算所得到的结果粗糙， 与实际情况差别比较大。 将场模拟，区域模拟和网络模拟三者结合起来，发挥各自的优缺点，就得到了复合 模型。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室首先提出了场一区网复合模型理论 1 。 复合模型与计算机技术发展水平比较符合，具有极大的发展前景，但是目前由于技术上 还存在一些特定的原因，应用还不是很广泛。 1 2 3 本文研究方法 以往国内外学者研究建筑火灾的动态发展过程主要采用实验方法和计算机数值模 拟方法。实验方法虽然能很好地呈现建筑火灾发生时烟气流动、温度分布等情况，但是 进行火灾实验耗资大，实验周期一般比较长，由于火灾发展的不确定性因素多，实验模 拟往往受到比较大的限制。数值模拟主要采用网络模拟技术( 如m f i r e 等) 、区域模拟技 术( 如c f a s t 等) 及场模拟技术( 如f d s ，f l u e n t 等) 模拟火灾发生时研究区域内的烟气 流动情况以及温度等参数随时间和空间的分布情况。但是，这些模拟方式的计算结果为 数据文件或者依据数据文件做出的各种参数随时间变化的曲线图，或者是简单的三维模 拟动画图，而且这些软件计算结果的分析需要相关专业技术人员才能看懂，限制了其在 灭火、救灾、火灾事故原因调查分析及安全培训中的应用。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着计算机图形学的发展，虚拟现实技术在火灾科学领域的应用越来越广泛。虚拟 现实技术可以“真实再现”火灾场景，有助于科学预测火灾事故演化规律，为事故原因 调查、应急救援提供直观的辅助决策手段。虚拟现实技术在火灾科学领域方面的应用能 够极大地缩减各种实验成本，帮助分析和调查火灾事故的原因【l 2 l 。 对比以上几种研究建筑火灾的方法，再结合本文要研究的具体问题，本文采用数值 模拟方法与虚拟现实技术相结合的方法。数值模拟采用火灾场景专业模拟软件 f d s 5 。火灾仿真采用m u l t i g e n p a r a d i g m 公司开发的虚拟现实仿真驱动软件v e g a p r i m e 。对于这两款软件的功能和详细介绍将在本文后面章节中讲述。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 随着科技的发展，国内一些专业人士和学者对宿舍楼火灾的研究也越来越多，研究 的范围不断扩大，研究方法不断更新。 数值模拟与实验方面，国内专业人士和学者做了如下研究： 武汉大学的唐涛，李星华等人在s t e p s 里建立了一个基于宿舍楼的火灾三维逃生 模型，在此模型中可以很直观地研究起火楼层，出口位置以及人员反应时间等因素对 人员总疏散时间的影响【l 引。 武汉科技大学的毛龙等人采用f d s 软件对高校宿舍楼火灾进行了全尺寸模拟，通 过数值模拟给出了宿舍楼房问发生火灾时，房间内的烟气蔓延规律 1 4 1 。 黄雅楠，谢正文等人依据火灾安全评价的特性，采用模糊数学评判理论，和基于信 息理论中熵概念计算指标方法，提出了高校宿舍楼火灾安全模糊评价综合方法u 川。 史毅，胡又咏等人对高校学生宿舍楼火灾荷载进行了调查研究，他们把全国7 个省 份1 4 所高校的部分宿舍楼作为研究对象，通过对大量数据的处理，得出了高校宿舍楼 火灾荷载密度的平均值和均方差，并且研究了地理位置，高校性质对宿舍楼火灾荷载值 的影响，对后人研究宿舍楼火灾荷载密度提供了一定的参考依据l l 6 | 。 中国科学技术大学的霍然，李源州等人对长走廊通道进行了全尺寸实验，研究了不 同排烟速度和排烟温度对走廊烟气蔓延的影响【l7 i 。 香港理工大学的周允基教授运用c f d 技术对房间一走廊结构体进行火灾烟气蔓延数 值模拟，得出了诱发火灾主要因素是热势力，并且决定了烟气的运动趋势【l 8 i 。 虚拟现实技术应用于火灾科学领域，国内所做的研究主要如下： 中国科学技术大学的周德闯，在v c 2 0 0 3 n e t 平台下调用v e g ap r i m e 实现了v e g a 4 第1 苹绪论 p r i m e 环境下大空间火灾烟气蔓延的仿真1 1 9 1 。 邵钢，金浩等人开发了基于v r 的可视化隧道火灾仿真系统 2 0 】。 靳学胜等人使用v p ( v e g a p r i m e ) 技术开发了灭火救援视景仿真系统【2 1 1 。 张成斌，栾立秋，叶立新等人开发了基于v r 的某防空火控训练模拟系统。该系统 o p e n g v s 、m u l t i g e nc r e a t o r 、d i r e c t s o u n d 、v c 6 0 为开发工具，构建了一个逼真的虚拟 战场场景 2 引。 西南交通大学的王莉，杜文运用v r 技术建立地铁站的三维模型，并且运用粒子系 统模拟火焰，实现地铁站火灾的仿真 2 3 】。 1 3 2 国外研究现状 国外研究人员和学者对宿舍楼和宿舍楼结构类似建筑物的火灾做了很多研究。实 验与数值模拟方面： h o p k i n s o n 通过火灾实验，强调走廊发生火灾时，及时关闭走廊门，切断火源氧气 补给是灭火的关键2 4 1 。 h e s k e s t a d 等对由走廊连接的三个房问模型进行了一系列的火灾实验，分析了不同 通风条件下火灾烟气的蔓延情况【2 5 l 。 l y n c h 和l l o y d 在走廊和房间做了小规模火灾实验，研究了瞬态场模型，实验数据 结果与以往公布的数据存在一些出入 2 创。 h a d j i s o p h o c l e o u 运用c f d 技术模拟了相互连接的走廊内的烟气运动规律，为走廊 的防排烟设计和人员疏散提供了重要指导【2 7 】。 v a n d el e a u r 模拟了房间走廊火灾场景中热烟气流动，发现烟气存在明显的分层现 象 2 8 1 。 q u i n t i e r e 研究了走廊烟雾流场，通过分析烟气流动的速度值，对目前用于预测烟 气层高度和速度流率的模型提出了质疑【2 9 】。 j o n e s 以区域模型为基础，结合横向动量方程，通过模拟烟气在走廊的运动规律提 出了走廊烟气蔓延的预测模型【3 0 1 。 虚拟现实技术应用于火灾科学领域，国外主要做了以下研究： 1 9 9 3 年英国的c o l tv i r t u a lr e a l i t y 公司开发基于v e g a 的火灾疏散仿真系统，系统 以三维动画的形式演示火灾发生时人员的疏散情况【3 1 1 。 1 9 9 9 年美国a t f 、n f p a 合作开发了名为i n t e r f i r ev r ”虚拟仿真系统【3 2 1 ，该 系统主要用于对火灾调查人员以及消防人员的培训。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 0 4 年c f a i 、w f r s 合作开发了“f i r e s ”程序，该程序主要用于虚拟环境下 消防人员训练和识别火灾危险源 3 3 1 。 美国a l a b a m a 大学的研究人员运用虚拟现实程序训练消防队员，消防队员在陌生 的建筑中成功找到了营救路线3 4 1 。 n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y 的研究人员为训练消防队员专门设计了虚拟训练系统， 该系统主要用于训练消防队员的规范操作和消除恐惧感【3 5 | 。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要围绕哈尔滨工程大学某学生宿舍楼火灾进行研究，采用f d s 5 作为数值模 拟工具，分析中高层住宅建筑火灾发生时烟气和火焰的蔓延情况，以及火灾发生时房间 内部以及走廊的温度、氧气浓度、烟气浓度、速度等分布情况。最后运用虚拟现实技术 软件v e g ap r i m e 结合宿舍楼火灾烟流数值模拟结果实现宿舍楼火灾烟气蔓延的仿真。具 体内容如下： ( 1 ) 分析国内外的研究现状，在阅读大量文献的基础上，确定论文的总体写作思 路，依据目前用于火灾研究的方法，选取适合本文的研究方法。 ( 2 ) 通过对所选取的研究方法进行深入的分析，根据火灾场的特点，建立与本文 相符合的数学物理模型。 ( 3 ) 确定学生宿舍楼火灾发生的计算参数，通过实际的调查计算得出了宿舍楼的 火灾荷载密度，火灾增长因子以及火灾的热释放速率等参数，为后续的宿舍楼火灾烟流 数值模拟做好了充分的准备。 ( 4 ) 运用f d s 5 软件对宿舍楼火灾进行比较系统全面的模拟，设置不同火灾场景 进行对比，包括着火房间窗户的启闭，同一楼层不同火源位置，不同楼层相同火源位置， 着火位置在房间内部和着火位置在走廊，不同火源功率这五种情况，分析这几神情况下 宿舍楼内部的物理场的分布，总结学生宿舍楼火灾发生时的烟气蔓延规律。 ( 5 ) 以v c + + 6 0 为开发平台，调用仿真软件v e g a p r i m e 的a p i ，结合学生宿舍楼 火灾烟流数值模拟结果，实现宿舍楼火灾烟气蔓延的仿真，逼真地呈现宿舍楼火灾发生 时的场景。 6 第2 草火灾场模拟理论基础 第2 章火灾场理论基础 火灾是失去控制的燃烧，是包含了流动、传热和化学反应的非常复杂的物理化学过 程。燃烧过程中气体速度远低于音速，火灾场的流动属于低马赫数可压缩流。但是，通 常用来描述可压缩流的算法在求解地马赫数流的时候不是很有效，因此要对模型方程组 做出合理的简化。f d s 提供两种求解方法直接模拟( d n s ) 和大涡模拟( l e s ) ， 本文采用第二种。 2 1 多组分粘性流模型方程组 实际火灾场的流动是多组分、有粘性、低马赫数、热驱动的浮力流。假设流体为 理想气体，则多组分可压缩流的通用方程组为： 质量守恒 等+ v ( p - ) = o ( 2 _ 1 ) 动量守恒a ( 瓦p u 一) + v ( p u u ) + v p = p g + v f ( 2 - 2 ) 能量守。i _ v 昙( 砌) + v ( p 向u ) = d 。p ，+ 口”一v q + ( 2 - 3 ) 组分方程 云( p 1 ) + v ( p 鬈u ) = v ( p 口v i ) + r h 。” ( 2 _ 4 ) 状态方程p 2 警训丁莩 沼5 ， 式中：p 气体密度，k g m 3 u 速度矢量，m s ，1 1 = ( “，v ，w ) p 压力，p a g 重力加速度矢量，m s 2 t 粘性应力张量，p a h 比焓，j k g q 一体积热源，w m 3 q 辐射热通量矢量，w 艋2 耗散函数，w m 3 i 组分i 的质量分数，k g k g b 组分i 的扩散系数，m 2 s r h ，”单位体积内组分i 的生成率或消耗率，k g ( m 3 s ) 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 通用气体常数，r = 8 3 1 4j ( m o l k ) m 气体分子量，k g m o l m 。组分f 的分子量，k g m o l 方程式( 2 2 ) 中， 乃= 2 s 一；岛( v u ) ) ；毛= 毛；主多 岛= 糖+ 詈 式中：岛变形速率张量； 流体的动力粘性系数，p a s 。 方程式( 2 3 ) 中耗散函数为： = 限2 西一扣u ) 2 ) = l2 ( - - 鼠) + ( 砂 2 + 2 ( 0 瑟w ) 2 ( 罢+ 暑爹 2 + ( 茜+ 笔) 2 一o u - + 罢) 2 一；( 塞+ 万0 v + 塑0 z 2 所有绸分相；o h 可得到后量守佰方捍。千县有 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 鬈= 1砌i ”= 0z p d , v 鬈= 0 ( 2 9 fff 方程组中耗散函数的值非常小，一般取西= 0 。则能量方程可以简化为： 昙( 肋) + v ( 肋u ) = 面d p + 口”一v q 2 2 低马赫数浮力流模型方程组 ( 2 1 0 ) 火灾过程中气体的流动为低马赫数流动。然而通用的n s 方程组求解低马赫数流并 不精确。针对这个问题，r e h r n 和b a u m 在1 9 7 8 年首先提出了热驱动浮力流的模型方程， 后来美国国家标准与技术研究院( n i s t ) 的m c g r a t t a n 与其合作者在此基础上对此模型 做了进一步的修正，进一步简化了状态方程 3 6 - 3 8 】。实际的工程应用中压力p ( x i ，f ) 可以分 解为背压p 。( t ) 、静压一风g z 和压力扰动p ( x ，r ) 三个部分，即： p = p o 一成g z + p ( 2 - 1 1 ) 式中，和成为常数，z 为竖直方向坐标。 8 第2 苹火灭场模拟理论基础 一般情况下p 。为常数，而一成g z 和p 很小。低马赫数流动中可以假定温度和密度成 反比。因此，可以用空间平均压力p 。( f ) 来代替能量方程( 2 1 0 ) 和状态方程( 2 5 ) 中的压力 p ( 薯，f ) ，低马赫数流的模型方程组为： 娑+ v ( p u ) ：0 ( 2 1 2 a ) 里霎竺! + v ( p u u ) + v p ：p g + v t ( 2 1 2 b ) 昙( 肋) 冉( 砌) = 訾坷彤q ( 2 - 1 2 c ) 云( 训+ v 。( 尸i u ) = v ( p o y r , ) + r h r ”( 2 - 1 2 d ) 州沪警训丁莩 协，2 e ， 以上方程组的主要特点是用p o ( f ) 代替能量方程和状态方程中的p ( x ，t ) ，主要考虑 了由温度变化而引发的热流场的密度的变化。 2 3 控制方程的简化 为了使方程组( 2 1 2 ) 在离散后能够尽快收敛，有必要对模型方程做进一步简化。 2 3 1 能量方程的简化 简化能量方程量方程，需要从推导速度散度v u 入手3 9 1 。考虑到混合气与其组分i 的定压比热容之间有如下关系： = ，i ( 2 1 3 ) 式中，c 。定压比热容，j ( k g k ) c 鲥组分i 的定压比热容，j ( k g k ) 混合气体与组分i 焓值的关系： h = 忽z ( 2 一1 4 ) 式中，h 混合气体的比焓，j & g 忽组分i 的比焓，j k g 其中， 忽( r ) = 臂+ ec ( 丁) d r ( 2 1 5 ) 式中，钟组分f 的基准焓。 为了进一步简化做出如下假设： ( 1 ) 比热容与温度无关 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i o p , i d t c p j t ( 2 1 6 ) 则有 红( 丁) = 暴c ( 丁d t t - _ c p , i 丁 忍= 曩z = 丁c p ，。z = t c p ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 ) 组分f 的焓值能够用分子的自由度v 表不 = ( 半净 者 砉 式中，v f 组分f 分子运动的自由度，对于双原子气体分子v = 5 ，y = c 。c v = 7 5 。 ( 3 ) 组分比热容的k l 笸r , 为常数，则有 ，文吉j 畚 池2 。， 将式( 2 2 0 ) 带入状态方程f 2 1 2 e ) q b ，得 删2 百p k t 叫 - 烈可y , j 钢莩参= 等以 池2 ， 将式( 2 1 8 ) 带入式( 2 2 1 ) 中可得 p 。( f ) ：型p 死，：型肋 ( 2 2 2 ) 对焓求全导数，得 p丝=旦(肋)+一v(，phudto t )p = 一i p ，2l + ii 。 ， =i万yot1 引巾 知1 u i ，一i ，一 = 上r - lf ，亟d t 幅v u ) 整理以上方程可以得到速度散度v u 的表达式为，、 一1 。( o - v q ) + 、寿ptpcpp c 一去pj 挚d t ioj 把能量方程( 2 1 2 c ) 带入以上方程可得到 v u = 上p o 型yf k 亟d t a tm v 耻v 丁) + 军v ( v 驴v q r b p 荤d tjn 2 筹卜v 肚v 丁，十莩v c 囊辟瞩h 吼 _ 去等 1 0 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 a ) v 一譬卜丁，+ 聊御驴v q ) _ 盖鲁 ：杀以聃脚瞩h m + 学船q 删 一般情况下，比热容是温度的函数，非密闭空间的火灾研究中p 。( f ) 般为常数；但是 如果是密闭空间内着火，p 。( f ) 是时间的函数，此时可对式( 2 2 5 a ) 和( 2 2 5 b ) 在其计 算区域内d 内积分，可得风( f ) 的表达式： 慨v 叫= 胍 篡卜v 耻v 即军v c 囊最瞩h m 渺 一s s s 。( 1 矿 f i i d v u d v = f f c 1 7 ( 邮耻v 卅莩v c v 驴v q ) 卜 + f f l ( 南一去 象d y 整理上式，得： 百o = 等( f f c 弘矿+ 也n 五v 删+ 莩见v ( 忽辟口v z ) 幽 ( 2 2 6 a ) ( 2 2 6 b ) ( 2 2 7 a ) 一儿n m 以) 一等豫n u 幽 孕：些 岛二：竺三! 二季翌竺竺二萋! 二二兰： 卜二二璺二竺二。2 功b ， 出 胍 寿p 2 3 2 动量方程的简化 为了使计算更加简单，在简化能量方程的基础上，有必要进一步的简化动量方程【3 9 】。 定义涡矢量： 将对流项做下列变形： = v u ( u v ) u = v 一u ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 把式( 2 - 2 9 ) 带入到式( 2 1 2 b ) 中，有 p0 - u x o j + 1v i u l 2 + v p = p g + v t ( 2 - 3 0 ) p u li + 2 p g + v t 。2 3 0 1 1 哈尔浜工程大学硕士学位论文 上式等号两边分别减掉静压梯度成g ，可得 p ( 詈+ 虿1v i ) + 勖一几g = ( p - 础冉t ( 2 - 3 ) 对式( 2 11 ) 做适当变形，得 唧= 几g + 即 ( 2 3 2 ) 将式( 2 3 2 ) 代人式( 2 3 1 ) 中，整理后得 害+ j 1v l u l 2 + 詈= 抄一成) 妒司 ( 2 - 3 3 ) 钟2 h ppl v ，d j 定义总压h ： h ：土v 卅+ 卫 ( 2 3 4 ) 2 成 则总压梯度为 v 日：土vj u l 2 + v 卫 ( 2 3 5 ) 2 | 成 把式( 2 3 5 ) 代入式( 2 3 3 ) 中，得 害一u + v h + ( 吉一去 功= 每( p 一成) g + v 吲 c 2 氆， ；i 。t pp 。) p l ? 。 j 上式中f 土一上1 即可以忽略，上式方程简化为： pp m ) 詈圳+ v h = 长( p 一成) g 冉司( 2 - 3 7 ) 对式( 2 3 7 ) 求散度，可得到求总压的椭圆型方程： v 2 h - 一笙型一v f ( 2 - 3 8 ) 式中， f = 一fu + 盟g + v ti ( 2 3 9 ) 、 运用傅里叶变换直接求解式( 2 3 9 ) ，方程的边界条件如下： 壁面上： 掣：一e ，e ：一_ a h o l d + 纸 ( 2 _ 4 0 ) 式中，n 壁面的法向 e f 在法向上的分量 松弛因子，取0 8 西 日”计算的时侯所能得到的h 的最新值 在自由边界匕： 1 2 第2 苹火灭场模拟理论基础 h = u 2 2 流出计算区域 ( 2 4 1 ) h = 0流入计算区域 经过以上一系列的简化之后，得到了所要求的控制方程组如下所示： 连续性方程：_ 0 p + v p u