（安全技术及工程专业论文）建筑火灾场模拟中计算区域的影响研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h es e l e c t i o no f c o m p u t a t i o n a ld o m a i nh a sb e g u nt oa t t r a c tm o r ea n dm o r ea a e n t i o no fs c h o l a r sb o t h a th o m ea n da b r o a d h o w e v e gs y s t e m a t i cs t u d i e so nt h es e l e c t i o no fc o m p u t a t i o n a l d o m a i nd u r i n gan u m e r i c a ls i m u l a t i o na r es t i l lr e l a t i v e l yr a r e ，o fw h i c h ，o n er e a s o n c a r lb ea t t r i b u t e dt ot h el a c ko fm e t h o df o rq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z i n gt h er a t i o n a l i t yo f c o m p u t a t i o n a ld o m a i ns e l e c t i o n ，a n dt h eo t h e rc a nb ea t t r i b u t e dt ot h er e s t r i c t i o no f m a n ya f f e c t i n gf a c t o r sa n dt h ed i f f i c u l t i e st oq u a n t i f yt h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n s e l e c t i o n c e n t r i n go nt h ei s s u e sr e l a t e dt oe f f e c t so fc o m p u t a t i o n a ld o m a i no nf i e l d m o d e l i n go fb u i l d i n gf i r e sa n dt a k i n gag e n e r a lc o n s t r u c t i o na sa ne x a m p l e ，t h i s a r t i c l e ，f i r s t l y , c a r r i e do u ts e v e r lt y p e so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，m a i n l yi n v o l v i n g t h ee f f e c t so fc o m p u t a t i o n a ld o m a i no nt h ef d ss i m u l a t i o n so ft w om a j o rf i r e su n d e r t h r e ed i f f e r e n ts h a p e so fb u i l d i n g o p e n i n g s e c o n d l y , w i t has h a p eo fb u i l d i n g o p e n i n gs e l e c t e da st h es u b j e c t ，t h ec h a n g e so fc o m p u t a t i o n a ld o m a i ns e l e c t i o nd u e t ot h ef i r et y p e sw e r ee x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e d ： 1 w i t ht h eg r i da n dc o m p u t a t i o n a ld o m a i nc r o s s l ye x a m i n e d ，t h ef d sr e s u l t so f af i r ep o w e rw e r ec o m p a r e dw i t h c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e n ， c o m b i n e dw i t ht h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，ar e a s o n a b l ea n de c o n o m i cg r i ds i z e s u t i b l ef o rs u c haf i r er e l e a s er a t ew a sf i n a l i z e d f u r t h e r , a c c o r d i n gt or e l a t e ds t u d i e s ， a g e n e r a lm e t h o df o rg r i ds e l e c t i o nw a sp r o p o s e d 2 c o m b i n e dw i t ht h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，s e r i e so fg r o u p so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u t ，i n v o l v i n gt h ee f f e c t so fc o m p u t a t i o n a ld o m a i no nt h e f d ss i m u l a t i o n so ft w om a j o rf i r e su n d e rt h r e ed i f f e r e n ts h a p e so f b u i l d i n go p e n i n g ， w h i c hi n d i c a t e dt h ev a r i a t i o n so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ( i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ea n d v e l o c i t y ) w i t hg r o w i n gc o m p u t a t i o n a ld o m a i ne x t e n s i o n 3 b a s e do nt h ep r e c e d i n ga n a l y s i s ，b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h r e e s h a p e so fb u i l d i n go p e n i n g ，t h ei n t e r n a lr e l a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n e x t e n s i o na n dt h es h a p eo fb u i l d i n go p e n i n ga sw e l la st h ef i r et y p e sw a sr e v e a l e d 4 b yt h ed i m e n s i o n l e s sa n a l y s i sm e t h o d ，t w od i m e n s i o n l e s sq u a n t i t i e s ，i e t h e d i m e n s i o n l e s sc o m p u t a t i o n a ld o m a i ne x t e n s i o na n dt h ed i m e n s i o n l e s sf i r ep o w e q w e r ec o n s t r u c t e d a n do nt h eb a s i so ft h ea c q u i r e dd a t a ，as t a t i s t i c a la n a l y s i sw a s c a r r i e do u ta b o u tt h et w od i m e n s i o n l e s sq u a n t i t i e s ，o fw h i c h ，t h er e s u l tr e v e a l e dt h e v a r i a t i o no fd i m e n s i o n l e s sf i r ep o w e rw i t ht h ed i m e n s i o n l e s sc o m p u t a t i o n a ld o m a i n e x t e n s i o n f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v ea n dp r o c e e d i n gf r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n i i a b s t r a c t o ff i r ee n g i n e e r i n g ，ad i m e n s i o n l e s sm o d e lo fc o m p u t a t i o n a ld o m a i ne x t e n s i o nf o r t h ef d ss i m u l a t i o no fb u i l d i n gf i r e sw a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：b u i l d i n gf i r e s ，f i e l dm o d e l i n g ，f d s ，g r i dd e p e n d e n c ea n a l y s i s ， c o r e l a t i o na n a l y s i s ，c o m p u t a t i o n a ld o m a i ne x t e n s i o n ，d i m e n s i o n l e s s a n a l y s i s i i i 符号说明 一一 符号说明 , 4 0 建筑开口面积( m 2 ) 睨组分口的摩尔分子量 es m a g o r i n s k y 常数( l e s ) r o 建筑开口宽度( m ) c p 常压比热( k j k g 1 k 1 ) z h 组分的质量分数 见组分口的扩散系数( m 2 - s 。1 ) x 碳原子数 巩水力直径( m ) x 位置矢量 d 火源特征直径( m ) x y 任意变量 五外力( 不包括重力) ( m s d ) 匕组分口的摩尔分数 g 重力( m 。s j ) z 混合分数 建筑开口高度( m ) 玎总压与密度之比( m 2 s 2 ) 正z 轴方向网格尺寸( m ) i 辐射强度( w m 。2 ) 建筑开口形状因子 厶黑体辐射强度( w m 之) 粘度( p a s ) k z z s 导热系数( l e s ) p 密度( k g m 3 ) ，；l ：单位体积组分口的质量生成速率 t ，粘性应力张量 p 压力( p a ) 瓦第m 个压力区域的背景压力( p a ) p r 普朗特数 易建筑开口周长( m ) s c 斯密特数 q 火源功率( k w ) q 无量纲火源功率 q 火灾由燃料控制向通风控制转变的阂值( k w ) 7 7 无量纲计算区域扩展量 冠气体常数 吼r 变量x 、y 之间的相关性系数 。环境 r e 不同网格尺寸下计算结果之间的相关性系数 碍f j ，算例i 、_ ，之间温度计算结果的相关性系数 al e s 滤波宽度( m ) r 地，算例i 、j 之间速度计算结果的相关性系数 ，x 轴方向计算区域扩展量( m ) 墨辐射强度方向上的单位矢量 t 温度 v 运算符号 t 时间 取平均 h 速度矢量 v i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：衅 签字日期：至：! ! ：! ! ：! ! 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 屯么开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 主坠垡茎 z 。i 口- 切口各 导师签名： 签字日期：圣：l ! ：b 略 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 国际上关于建筑火灾的研究方法主要有两种：一是开展火灾实体试验；二 是采用数值模拟的方法。通过试验手段对建筑火灾现象进行分析的方法，其应 用十分广泛。但由于燃烧本身的复杂性( 特别在建筑火灾中，受各种随机因素 的影响) ，各种火灾实体试验可重复性并不强，加之试验中所采用的试验设备和 观测记录手段还不完善，试验和数据采集记录的过程十分繁琐，因而完全采用 试验手段研究建筑火灾现象，其周期长、花费大、效果不够明剧。 随着计算机科学和数值计算方法的发展，人们开始更多地运用数值模拟求 解描述建筑火灾现象的数学方程，从而更深入、更全面地了解其发展过程。同 时，由于计算机的效能越来越高，进行数值模拟的时间与精确度都得到了大幅 提升，因此采用数值模拟来进行建筑火灾的多方面研究已是必然趋势。目前， 数值模拟在建筑火灾研究中的应用主要涉及以下两个方面：火灾预测与火场重 构。其中，火灾预测多应用在建筑性能化防火设计方法( 该方法在近年来国内 外各类新型建筑中应用非常广泛，并已成为当前建筑火灾防治技术领域最前沿、 最具影响力的技术。) 中f 2 1 ，而火场重构则多运用于火灾调查中1 3 l 。 经过近二三十年对于建筑火灾数值模拟的研究，现在已经发展出了多种用 于分析建筑火灾现象的数学模型，一般简称为火灾模型。据不完全统计，现在 有6 0 7 0 种比较完善的火灾模型可供选用。这些火灾模型大体上可分为确定型 模型和不确定型模型两大类。确定型模型是根据质量守恒方程、动量守恒方程 和能量守恒方程等基本物理定律建立的。如果给定有关建筑空间的几何尺寸、 物性参数、相应的边界条件和初始条件，利用这种模型可以得到相当准确的计 算结果。不确定模型也有多种形式，如统计模型和随机模型。在研究城市火灾 发展过程时主要涉及随机模型，这种模型把火灾的发展过程看成一系列连续出 现的状态( 或事件) ，而由一种状态转变为另一种状态有一定的概率。通过这种 概率的分析计算，可以得到出现某种结果状态的概率分布f 4 1 。 然而，建筑火灾过程是十分复杂的，采用数值模拟方法研究建筑火灾现象 时，除依据基本定律外，还需作出一些必要的简化和假设，或使用不甚准确的 测量数据，因而数值模拟的结果通常仅是建筑实际火灾现象的一定程度的近似。 需要指出的是，这种近似有时还会出现“失真”现象。m c g r a t t a n l 5 j 在第八届国际 火灾科学大会所作报告中曾经引用过这样一个例子：考虑处于通风控制条件下 第l 章绪论 的某建筑火灾情形，在美国标准技术局( n i s t ：n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ) 下属l f l ( l a r g ef i r el a b ) 进行的试验结果表明，建筑开口处并 未出现明火；而采用火灾动力学模拟软件( f d s ：f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) 所 进行的数值模拟结果则表明，建筑开口处出现了明火，二者显然不一致。 事实上，迄今还未有哪种火灾模型进行过全面验证，而只是在某种程度上 与试验数据进行了比较。现有每种火灾模型的使用范围都是有限的，其只能在 一定范围内能够保证模拟结果的可靠性。另一方面，在进行建筑火灾现象的数 值模拟时，模拟结果的正确性强烈依赖于输入数据的合理性，这就有可能导致 模拟结果与实际情况存在一定的偏差。因此，在采用某种火灾模型进行建筑火 灾现象的数值模拟时，熟悉该火灾模型的基本假设及局限性并正确使用基于该 火灾模型的数值模拟软件是至关重要的。 1 2 数值模拟方法场模拟( f i e l dm o d e l i n g ) 6 , t j 在实际的建筑火灾过程中，很明显，烟气的各种状态参数，比如温度、组 分浓度及速度随时间及空间的变化而变化，其变化规律仍应满足一般的燃烧及 流动规律，因此，可以考虑用一些最基本的原理和方法来描述速度场、浓度场 及温度场等的变化，这就是场模拟。从普遍遵守的质量守恒原理、动量守恒原 理、能量守恒原理以及化学反应定律出发，可以在数学上抽象出一组基本的方 程，包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程及一些辅助方程，主要 以偏微分方程的形式出现。由于在火灾过程中不可避免地存在着湍流过程，在 建立场模拟模型时，就必然会遇到湍流模化问题( 目前，场模拟处理湍流的方 法主要有3 种：直接数值模拟( d n s ) ，雷诺平均模拟( r a n s ) 和大涡模拟 ( l e s ) 。) 。现阶段，由于湍流机理尚未完全搞清，人们主要感兴趣及能够求解 的只是湍流的平均量，因此需要对基本方程组进行雷诺分解和平均，建立均流 控制方程组。而在这过程中，又会出现新的未知量。为了使均流控制方程组在 数学上封闭，必须提供这些多余未知量的数学表达式，而这些表达式的建立都 必须引进一些近似的假设。另外，场模拟还必须对一些分过程做出模拟，因此， 场模拟的模型建立过程是相当复杂的，它最后所给出的一组方程也非常复杂， 必须用数值方法求解。 目前国际上大约有1 5 种可用于模拟建筑火灾现象的场模拟软件，较常用的 有英国a e a 公司发行的商业软件c f x ，英国商业软件p h o n e i c s ，美国商业 软件f l o w - 3 d 和美国n i s t 下属b r f l 发布的火灾动力学模拟软件f d s 。其 中，f d s 是所有研究建筑火灾场模拟软件中最具特色的一个，代表了目前研究 2 第1 章绪论 建筑火灾现象数值模拟的领先水平。r e h m 等曾用f d s 分析9 l l 恐怖袭击事件 中由飞机撞击引起的纽约世贸中心火灾过程。 特点与不足：场模拟原则上适用于分析任何类型的建筑火灾，得到的数据 比较全面，能详细了解计算空间内任何点、面的分布情况。但是场模拟对计算 机能力要求较高，需要较长的计算时间和强大的计算性能。尤其是目前计算机 计算的微元控制体数量在几百万左右，而对于大空间或整体建筑而言，要达到 一定计算精度所需要划分的微元体数量远远超过这个值。因此，场模拟应用于 工程设计还要经过较长时问的发展完善。 1 3 建筑火灾场模拟软件一f i 陀d y n a m i c ss i m u l a t o r ( f d s ) f d s 是n i s t 开发的一种以建筑火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流 体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的 n s 方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。f d s 程序是开放的，其准确 性得到了大量试验的验证，因此，在建筑火灾现象研究中得到了广泛应用。 f d s 的功能主要包括两大部分，即f d s 和s m o k e v i e w 。前者主要用于数值 计算并生成相关的数据文件；后者将前者的计算结果直观化的程序，它既能处 理动态数据也能显示静态数据，并将这些数据以而为或三维动i f | i i 的形式显示出 来。f d s1 版在2 0 0 0 年2 月公开发布，之后不断完善，陆续发布了2 版、3 版、 4 版和5 版，当前最新版本为5 4 3 。 f d s 中提供了两种数值模拟方法，即直接数值模拟( d n s ) 和大涡模拟 ( l e s ) 。一般情况下，在利用f d s 进行建筑火灾现象的数值模拟时均选用大涡 模拟。因此，结合f d s5 4 3 【8 】的技术文档，以下从：( 1 ) 基本控制方程和( 2 ) 数值计算方法两个方面对f d s 中l e s 的主要思路进行简要介绍。 1 3 1 基本控制方程 f d s 中的基本控制方程主要由流体力学模型、燃烧模型和热辐射模型这三 部分组成，见图1 1 。 3 第1 章绪论 低马赫数流假定； 状态方程滤波简化； 1 质量与能量守恒方 n - s 方程 i 程联合简化： ( 牛顿流体r 虿历戛吾覆蕊 。形处理： 耗散过程( 包括粘性 耗散、热传导和物质扩 散1 l e s 处理 广。一一。 。_ _ _ _ _ 一 i i 流体动力学匕 模型 基本控制方程( f d s ) 图1 1f d s 基本控制方程组成 质量守恒方程 组分守恒方程 动量守恒方程 压力方程 状态方程 1 流体动力学模型 f d s 中流体动力学模型简化后的控制方程详见表1 1 ，其由质量守恒方程、 组份守恒方程、动量守恒方程、压力方程、状态方程以及辅助方程这六类方程 构成。 表1 1 流体动力学模型之控制方程 控制方程名称表达式 质量守恒方程 组份守恒方程 动量守恒方程 压力方程 状态方程 鼍+ n 固p 一国m 警栅v p r ：一此v 时v p d v y + 坑 o t 塑+gxco+v玎：上(ppo)g+以+v勺)ot p 。 ”7 v 2 h ：一翌型书f ； 西 f = 砧国一 ( ( p p ) g - f , 一v 勺) o l ( z ，f ) = p 丁叹圪w 口 辅助方程l e s 的s m a g o r i n s k y 形式： i 比l e s = p ( c , ) 2 ( 2 面瓦一亏2 ( v 耐： 4 一 蓦 第1 章绪论 k 2 箐；( 础脚2 等 2 燃烧模型 对于大多数应用，f d s 采用混合分数模型。该模型假设燃烧混合控制，燃 料和氧气反应无限快。主要反应物和生成物的质量分数通过“状态关系”从混 合物分数中得到。f d s 中提供了两种混合分数模型，即：( 1 ) 两参数混合分数 模型和( 2 ) 三参数混合分数模型，见表1 2 。 表1 2 燃烧模型之混合分数模型 1 3 。 模型名称表达式 两参数混合分数 模型 三参数混合分数 模型 互2 毒, - 7 7 吩瓦蒜等 7 一巧 7 一 一w 7 fx c o z l2 专。z 22 i 硒丽瓦可 z ： 坠鱼 【x 一( 1 一) 匕】y ，z 3 辐射模型 f d s 中的辐射热传递一般通过求解非扩散气体的辐射输运方程得到，见表 表1 3 辐射模型之辐射输运方程 方程名称表达式 辐射输运方程 s 。v i ( x ，s ) = k ( x ) 【厶。( 功一厶( 工，s ) 】， = l n 1 3 2 数值计算方法 f d s 中用于进行控制方程离散化的方法主要有两种，即：有限差分方法 ( f d m ) 和有限体积法( f v m ) 。 有限差分方法( f d m ) 1 9 1 是数值模拟最早采用的方法，该方法将计算区域 划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分方法以t a y l o r 级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行 离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。对于有限差分格式， 从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式；从差分的空间形式 来考虑，可分为中心格式和逆风格式：考虑时间因子的影响，差分格式还可以 5 第1 章绪论 分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。构造差分的方法有多种形式，目前主 要采用的是t a y l o r 级数展开方法，其基本的差分表达式主要有三种：一阶向前 差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一 阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。通过对时间和空间这几种不同差分 格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。差分方法主要适用于结构网格， 网格的步长一般根据实际情况和c o u r a n t 稳定条件来决定。 有限体积法( f v m ) 1 9 又称为控制体积法，其基本思路是：将计算区域划 分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；并将待 解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是 网格点上的因变量的数值。从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权 剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近 似的离散方法。而子区域法属于有限体积法的基本方法。 1 流体动力学模型 流体动力学模型数值计算的核心算法为显式预估校正方案，时间和空间均 采用二阶精度。均一网格情形下流体动力学模型数值计算的一般过程见图1 2 。 多网格情形下流体力学模型的数值计算过程在此暂不作介绍。 下 下一时间步 ( 校正) 图1 2 流体动力学模型数值计算过程( 均一网格情形) 2 燃烧模型 燃烧模型( 包括两参数混合分数模型和三参数混合分数模型) 的数值计算 6 第1 章绪论 过程相对简单，主要通过经简单分析与测量相结合所得到的经验表达式进行。 3 辐射模型 f d s 中对于辐射模型之辐射输运方程的数值计算采用类似于对流研究中采 用的有限体积法( f v m ) 。 1 4 计算区域对数值模拟( 场模拟) 影响的研究进展 如前所述，计算机技术的迅猛发展和数值模拟( 场模拟) 软件的不断完善 使得数值模拟( 场模拟) 方法正迅速成为学术研究和工程实际问题分析中不可 缺少的工具。然而，如果数值模拟( 场模拟) 结果不准确或者误报，其后果通 常将是灾难性的。因此，一直以来，人们都非常关注数值模拟( 场模拟) 计算 结果的可信性。自上世纪末以来，国际上对于数值模拟( 场模拟) 的可信性研 究、数值模拟( 场模拟) 结果的验证和确认的研究以及数值模拟( 场模拟) 的 不确定模拟研究正在投入越来越多的人力和财力。 对于数值模拟( 场模拟) 软件的使用者而言，除了要了解数值解的离散误 差、收敛误差、阶段误差和编程缺陷等之外，还要熟知所采用的软件中数学模 型是否与所研究的物理模型一致。特别地，由于计算机的限制，人们在进行数 值模拟计算时常常对所研究的问题进行简化( 包括几何模型简化、物理模型简 化以及边界条件近似) ，这样的简化将不可避免地会带来计算误差。而在这一简 化过程中便会涉及到计算区域的选择问题。原则上讲，计算区域要尽可能地与 所研究问题的实际情况一致，但这样往往会使计算网格数目很大，计算机难以 承受或者计算时间很长，因此如何正确地选择计算区域就显得非常重要。 1 4 1 国内外研究进展 相比较与数值模拟( 场模拟) 领域其他问题的研究，国内外有关数值模拟 ( 场模拟) 中计算区域的选取问题的研究较少，可参考资料非常有限。一方面 是因为缺少可用于定量分析计算区域选取合理性的方法，另一方面是受影响因 素多、计算区域量化选取难度大的限制。 基于火灾动力学模拟软件f d s5 0 ，h e 等【l0 】对某- 4 , 型建筑在不同计算区 域下数值模拟结果的差异性进行了探讨，并初步提出了一个用于进行计算区域 选取的经验表述。 g a n i 利用商用软件f l u e n t 对一大- d , 两种尺寸计算区域情形下某孔穴 的通风冷却效果进行了数值模拟，结果表明，孔穴的自然通风速率和热传递系 数的计算结果不仅取决于孔穴尺寸和孔穴壁面上的热分布，还取决于计算区域 7 第1 章绪论 的大小。 基于n u m e c a 软件f i n e t u r b o ，康顺2 】就计算区域的选取对旋转机械 中叶片数值模拟结果的影响进行了简单例证，并指出在进行c f d 模拟工程实际 问题时，合理的选取计算区域是很重要的，否则可能会得出不恰当的结论。 吴振坤等【1 3 j 采用火灾动力学模拟软件f d s4 0 对：( 1 ) s t e c k l e r 火灾烟气流 动实验；( 2 ) 长隧道结构和( 3 ) 大空间结构在无计算区域扩展和有计算区域扩 展两种情形下的数值模拟结果进行了比较分析，结果表明，计算区域的不同会 造成计算结果的差异，计算区域的选取是否合理直接影响计算结果的合理性。 并进一步指出，采用扩展区域的计算结果具有更好的物理真实性，计算区域通 常应进行适当的扩展以便易于给定正确的边界条件。 此外，围绕火灾动力学模拟软件f d s 的计算结果受计算区域设定影响这一 问题，祝实等f 1 4 】进一步就火灾动力学模拟软件f d s5 0 应用中计算区域的设定 问题，结合s t e c k l e r 房间火灾场景，引入相关性分析方法，对几个算例进行了 量化分析。结果表明，计算区域的设置对于建筑开口处的烟气溢流和补气情况 有重要影响，进而影响建筑内部的热流场。并指出，将计算区域向外扩展是保 证计算结果精确度的有效手段，且扩展区域的有效尺寸与着火房间的空间大小、 火源功率及开口尺寸有关。 1 4 2 目前研究的不足 尽管国内外学者已经针对数值模拟( 场模拟) 中计算区域的选取问题开展 了相关的研究工作，并初步取得了一定的成果，但仍有许多问题未涉及或虽有 研究但仍有许多不足之处，有待于进一步完善： 1 由于缺少可用于定量分析计算区域选取合理性的方法以及受影响因素 多、计算区域选取量化难度大的限制，已有研究多集中在定性分析和讨论： 2 对于数值模拟( 场模拟) 中所探讨变量受计算区域选取影响程度的研究 较少，已有针对数值模拟( 场模拟) 中计算区域影响的研究侧重于定性地说明 计算区域的选取对所探讨变量数值模拟( 场模拟) 计算结果存在一定的影响； 3 计算区域的选取与数值模拟( 场模拟) 中某一个或者多个影响因素之间 的量化关系有待通过相应的数值模拟( 场模拟) 进行深入的研究。 8 第1 章绪论 1 5 本文的研究工作 1 5 1 研究内容 针对数值模拟( 场模拟) 中计算区域选取的研究现状，特别是建筑火灾数 值模拟( 场模拟) 中计算区域的选取，确定本文的研究内容为： 1 建筑火灾数值模拟( 场模拟) 中相同火源功率及位置但不同垂直开口形 状情形下温度场和速度场受计算区域选取影响程度的模拟研究，采用相关性分 析的方法，对面积( 以) 相同但宽高比( ) 不同的三种开口形状下温度场 和速度场的计算结果进行定量分析，获得其在不同计算区域选取下的相关性系 数，并基于相关性系数分析相应情形下温度场和速度场受计算区域选取的影响 程度。 2 对建筑火灾数值模拟( 场模拟) 中相同垂直开口形状及火源位置但不同 火源功率情形下计算区域选取与开口尺寸、火源功率之间的关系进行定量研究， 建立计算区域选取、火源功率和开口尺寸三者之间的无量纲模型。 1 5 2 研究思路和目标 1 5 2 1 研究思路 采用相关性分析方法定量地分析建筑火灾f d s 模拟中相同火源功率及位置 但不同垂直开口形状情形下温度场和速度场受计算区域选取的影响程度，在此 基础上，进一步开展相同垂直开口形状及火源位置但不同火源功率情形下计算 区域选取、开1 ：3 尺寸和火源功率三者之间关系的定量研究。 ! 。二二二二二二彳i ：i 1ij 不冒喜嘉开i 回 叫 三三至至二l _ 叫 卫 l i i 不同火源功i 率情形! l l 图1 3 研究思路示意图 9 第1 章绪论 图1 3 给出了论文总体研究思路示意图，具体如下： 1 建筑火灾f d s 模拟中不同垂直开口情形下温度场和速度场受计算区域选 取影响程度的模拟研究。通过对三种不同开口情形下温度场和速度场的f d s 模 拟结果进行相关性分析，定量地分析相应情形下温度场和速度场受计算区域选 取的影响程度，并为进行无量纲化处理提供依据。 2 建筑火灾f d s 模拟中不同火源功率情形下温度场和速度场受计算区域选 取影响程度的模拟研究。结合对不同火源功率情形以及对三种不同开口形状的 f d s 模拟的相关性分析结果，通过无量纲化处理，建立计算区域选取、开口尺 寸和火源功率三者之间的无量纲模型。 1 5 2 2 研究目标 。1 对不同垂直开口情形下温度场和速度场受计算区域选取的影响程度进行 f d s 模拟研究，获得计算区域选取与开口形状之间的定性关系。 2 对不同火源功率情形下温度场和速度场受计算区域选取的影响程度进行 f d s 模拟研究，通过无量纲化处理，建立计算区域选取、开口形状和火源功率 三者之间的无量纲模型。 1 5 2 3 章节安排 根据研究内容和研究方法，论文的章节安排如下： 第1 章是绪论部分，主要介绍本文的研究背景、国内外研究现状及本文的 研究思路和目标。 第2 章、第3 章和第4 章分别对 1 三种开r i g s 状进行 燃料控制和通风控制的f d s 模拟，主要分析相应情形下温度场和速度场受计算 区域选取的影响程度。 第5 章对不同火源功率情形进行f d s 模拟，并通过无量纲化处理，建立计 算区域选取、开口尺寸和火源功率三者之间的无量纲模型。 第6 章是本文的主要研究结论和下一步工作的展望。 1 0 第2 章- 一i 下计算区域的影响分析 第2 章p 。 1 下计算区域的影响分析 2 1 数值实验设计 2 1 1 分组 数值实验共分为三组( 详见表21 ) ： 组1 主要通过进行建筑火灾中相关参数( 温度和速度) 的f d s 计算结果 与s t e e k l e r 等人 l q 的实验结果的对比分析，衙略地说明本文中关于网格划分所 采用的一般方法。 组2 和组3 分别用于进行建筑火灾f d s 模拟中两类情形，即燃料控制和 通风控制下计算区域的影响分析 衰2 1 数值实验设计一览 2 1 2 几何模型 所有的数值实验均在一带有单一开口的小室中进行( 如图21 所示) 。火源 位于小室中央，为一0 2 7 m ( l ) + 0 2 7 m ( 的甲烷池火。房间尺寸为： 3 0 r e ( l ) + 30 m ( w ) + 2 2 8 m ( h ) 。墙壁采用0i m 厚的“c o n c r e t e ”材质。所有 固壁均是无滑移的。计算区域最初赴为与房阃尺寸一致随后则在j 和= 方向 上同时进行扩展。扩展尺寸的具体设计将在后续各节中进一步缭出。 圈2 1 儿何模型示愈 第2 章l 下计算区域的影响分析 2 1 3 模拟参数及方法 在每一组数值实验中，火源热释放速率均设定为常数。环境及初始温度均 设为3 0 ( 2 。不考虑外部风的影响。湍流模拟采用大涡模拟( l e s ) 方法。 2 1 4 结果处理 在后续各节的分析中，所有获得的结果均取为准稳态( 即相应变量的预测 值不再随时间呈现显著变化) 之后一段时间( 本文中取l m i n ) 的平均值。关于 网格尺寸和计算区域对建筑火灾f d s 模拟的具体影响，本章将通过对比数值实 验输出数据( 包括温度和速度) ，并引入相关性分析的方法( 参照式( 2 1 ) 1 6 1 ) 加以探讨。 r2 高赫眩。 ，式中，x ，j ，一变量；j ，一变量平均值。 2 2 网格独立性分析( 组1 ) 为避免或者减小网格独立性对区域独立性分析所产生的影响，本节以一种 火源热释放速率及两种计算区域的情形为例，开展网格和计算区域的交错检验， 并提出本文中关于网格划分所采用的方法。 2 2 i 网格划分 组l 中所有算例的网格划分情况详见表2 2 。两种计算区域在小室开口处别 采用o o m 和0 i m 的扩展。 表2 2 网格划分情况一览( 组1 ) 火源特征直径d + 根据f d s 用户指南中所给定的公式进行估算。网格尺寸 在所有方向上保持一致，即缸歪尸昆。表2 2 中所有列举的模拟情形对两种计 算区域各进行一次。 1 2 第2 章g o l 下计算区域的影响分析 2 2 2 模拟结果 2 2 2 1 温度 不同网格尺寸及计算区域有无扩展情形下，小室开口处中轴上温度分布的 预测值与实验值的对比见图2 2 。在该图中，每一种网格下温度分布的预测值与 实验值之间的相关性系数也一并给出。 心) d - - - o o m6 ) z l = o 1 m 图2 2 不同网格尺寸及计算区域有无扩展下小室开口处中轴上温度分布的预测值与实验 值的对比( q = 6 2 9 k w ) 从图2 2 可以看出，对于o o m 和0 1 m 两种计算区域扩展情形，8 0 r a m 网格 尺寸预测的温度分布与实验结果的相关性系数最小，且明显不同于较小网格尺 寸预测的温度分布。另一方面，3 0 m m 网格尺寸和2 0 m m 网格尺寸下预测的温 度分布大致类似：( 1 ) 峰值温度出现在地面上方1 7 5 m 高度处；( 2 ) 随着高度 下降，温度逐渐降低；( 3 ) 高度下降至0 7 5 m 及以后，温度恒定为常数而不再 变化。此外，0 1 m 计算区域扩展情形下，相比较与其他网格尺寸，3 0 m m 网格 尺寸预测的峰值温度与实验结果非常接近。 2 2 2 2 速度 不同网格尺寸及计算区域有无扩展情形下，小室开口处中轴上速度分布的 预测值与实验值的对比见图2 3 。在该图中，每一种网格下速度分布的预测值与 实验值之间的相关性系数也一并给出。 第2 章9 0 l 下计算区域的影响分析 1 5 。笺厂 诬殪f f j i 舅； 一圆一誊 f ： 且o 5口oo 51 o 52 o2 s 置度i m l s ) ( 口) 庐0 o m( 6 ) z 仁o 1 m 图2 3 不同网格尺寸及计算区域有无扩展下小室开口处中轴上速度分布的预测值与实验 值的对比( q = 6 2 9 k w ) 从图2 3 可以看出，对于o o m 和o 1 m 两种计算区域扩展情形，8 0 m m 网格 尺寸预测的速度分布与实验结果的相关性系数最小，且明显不同于较小网格尺 寸预测的速度分布。另一方面，0 1 m 计算区域扩展情形下：( 1 ) 相比较与其他 网格尺寸，8 0 m m 网格尺寸预测的空气流入速度和中性层高度均偏大；( 2 ) 3 0 r a m 网格尺寸和2 0 r a m 网格尺寸预测的速度分布基本一致。 2 2 3 讨论 上述分析表明，8 0 m m 网格尺寸的预测结果明显不同于较小网格尺寸的预测 结果且求解精度较差，而3 0 m m 网格尺寸和2 0 m m 网格尺寸的预测结果则基本 一致。可见，对于6 2 9 k w 火源功率，综合考虑模拟计算的合理性和经济性， 选取3 0 r a m 网格尺寸将是合适的。 注意到，对于6 2 9 k w 火源功率，3 0 m m 网格尺寸对应于d * 1 0 的网格尺寸 推荐值。而d r e i s b a c h 等人1 博j 的研究表明，对于绝大多数防火工程应用而言， 当选取d 彘介于5 1 0 之间时，通常可以得到较为恰当的模拟计算结果。 因此，在本文后续有关区域独立性的探讨中，对任一火源功率所采用的网 格尺寸将统一按“d * t 星x = 1 0 ”进行选取，而不再逐一进行网格独立性分析。 2 3 燃料控制火灾情形( 组2 ) 火灾存在燃料控制和通风控制两种情形。在火灾的初期，火区和房间相比 是很小的，火灾燃烧所需的氧气比较充足，燃烧速率主要是由可燃物本身性质 所决定的，一般称之为燃料控制火灾。随着火灾的发展，火区面积不断增大， 当通风状况无法满足火灾继续增长的需要，燃烧速率则由空间的通风条件控制， 1 4 第2 章o o 1 下计算区域的影响分析 这种形式称为通风控制火灾【内】。 关于燃料控制火灾和通风控制火灾的界定，k a r l s s o n 等人【2 0 】给出了如下公 式： q = 1 5 厶( m w ) ( 2 2 ) ，式中，龟一火灾由燃料控制向通风控制转变的阂值，m w ；, 4 0 一建筑开口面 积，m 2 ：一建筑开口高度，m 。 由此，对于0 7 4 m ( w ) 宰1 8 3 m ( h ) 的单一开口小室而言，火灾由燃料控制向通 风控制转变的阈值约为2 7 4 8 k w 。组2 中采用的火源功率为10 0 0 k w ，则该火源 功率下的火灾情形为燃料控制情形。 2 3 1 网格及计算区域扩展设置 组2 中所有算例的网格及计算区域扩展设置情况详见表2 3 。网格尺寸根据 已有探讨中所提出的方法进行选取，并在所有方向上保持一致，且p s x = s y = s z 。 计算区域初始设为与房间尺寸一致，随后在x 和z 方向上同时进行逐步扩展( 且 产赴) ，增量恒定为网格尺寸。 表2 3网格及计算区域