基于FDS的电缆火灾模拟

1、基于FDS的电缆火灾模拟 摘要：电缆一旦发生火灾，则火势凶猛，蔓延迅速，在燃烧时会发生大量的有害气体，造成扑救困难。电缆烧坏后，修复时间长，损失严重，因此必须十分重视防范电缆火灾事故搜索。据相关资料表明，火灾发生后，造成人员大量伤亡的原因是由于烟气扩散，导致人员窒息中毒身亡。本文基于FDS，模拟房间内电缆起火之后烟气情况以及热释放速率情况。关键字：FDS；电缆；火灾Abstract ：Once a fire, the fire, the fire spread quickly, in the burning of a large number of harmful gases, causing

2、 difficulties in fighting. The cable burned, repair time is long, serious losses, so we must attach great importance to preventing cable fire accident search. According to relevant information, after the fire, causing a large number of casualties is due to the proliferation of smoke, resulting in th

3、e death of personnel poisoning. In this paper, based on the FDS, the smoke and heat release rate of the cable after fire in the room is simulated.Key words: FDS; cable; fire第一章 概述 电缆通常是由几根或几组导线（每组至少两根）绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层。电缆具有内通电，外绝缘的特征。2015年7月12日，武汉市汉阳区政府应急办召开发布会，据该区应急

4、办副主任张风介绍，11日晚间发生在汉阳区“紫荆嘉苑”小区电缆井火灾事故造成7人遇难，12人受伤。 电线电缆引发火灾的原因，主要是因为过负荷、短路、接触电阻过大及外部热源作用。在短路、局部过热等故障状态及外热作用下，绝缘材料绝缘电阻下降、失去绝缘能力，甚至燃烧，进而引发火灾。火灾中电线电缆的主要特性有：（1）火灾温度一般在8001000，在火灾情况下，导线电缆会很快失去绝缘能力，进而引发短路等次生电气事故，造成更大的损失；（2）导线电缆在规定的允许载流量下有较大的过载能力；（3）短路状态下，导线电缆会在瞬间引起绝缘材料熔化、燃烧，并引燃周围可燃物。 电线电缆根据其本身具有的燃烧特性，可分为普通电

5、线电缆、阻燃电线电缆、耐火电线电缆、无卤低烟电线电缆及。（1）阻燃电线电缆指难以着火并具有防止或延缓火焰蔓延能力的电线电缆。常用的标准试验为GBT183803（等同于IEC60332-1999）；（2）耐火电线电缆指在规定温度和时间的火焰燃烧下，仍能保持线路完整性的电线电缆。常用的标准试验为GBT126666（等效于IEC60331-21-1999）；（3）无卤低烟电线电缆分为阻燃型和阻燃耐火型两种。阻燃型指材料不含卤素，燃烧时产生的烟尘较少并且具有阻止或延缓火焰蔓延的电线电缆。常用的标准试验有GBT176502（等同于IEC60754-2）、GBT176512（等同于IEC61034-2）和

6、GBT183803（等同于EC60332-3）三项。阻燃耐火型在以上的基础上还需满足保持线路完整性的要求，同时常用的标准试验增加了GBT12666.6(等效与IE60331)；（4）矿物绝缘电缆在火焰中具有不燃和无烟无毒的性能，其本身不会因为短路而引起火灾。常用的标准试验除了GB/T12666.6之外，还应针对火灾实际情况，参照英国BS标准中对电缆的试验有抗喷淋水和抗机械撞击（重物坠落）能力的标准要求。同时，可以参照国家标准额定电压750V及一下矿物绝缘电缆及终端（GB13033-1991）。第二章 FDS的基本理论知识FDS概述FDS（Fire Dynamics simulator）是一种以

7、火灾中流体运动为主要模拟对象的计算机流体力学软件，由美国国家标准技术研究所（NIST）开发。该软件具有观察界面友好、可视性强、针对性强等优点，并且可以得到物理量比较详细的时间分布及空间分布，能精细模拟火灾现象，同时对计算机的计算能力和运算时间均可根据所研究对象的实际需求调节，随着高速、大容量计算机的发展，FDS也得到了更广泛的应用，常用该软件对火灾进行研究，模拟再现火灾过程1。FDS以火灾中流体运动为主要模拟对象，重点计算火灾中烟气开放和热传递过程。FDS旨在解决消防工程中的实际问题，也可为火灾科学的理论研究作指导2。FDS模拟可以得到一系列有关烟雾、温度、毒气等相关参数，在对实际工程进行设计

8、，以保证一旦发生火灾，其烟雾保持在一定高度之上，毒气的浓度在一定范围内，从而不会威胁到疏散人员的安全。FDS火灾模拟软件包含FDS和Smoke View两部分3：1FDS是软件的主体部分，主要用于完成模拟场景的构建和计算。FDS可以模拟：火灾驱动的传热温度分布、毒气浓度、烟气流动热辐射和对流喷淋、探测装置的火灾响应2Smoke View是一个可视化程序，是FDS计算结果显示程序，它既能处理动态数据也能显示静态数据，并将这些数据以二维或三维形势显现4。 PyroSim活在模拟软件简介 Thunderhead Engineering PyroSim 是一款用于消防模拟的软件，适用于FDS vers

9、ion 5和SMV(Smokeview)。PyroSim的图形用户界面可以作为消防动态仿真器(FDS)。PyroSim被用来建立消防模拟，并对火灾中烟气的运动、温度和毒气浓度进行准确预测分析。PyroSim的主要功能包括：1.编辑几何使用平面图，倾斜的墙壁，以及其他强大的工具；2.综合FDS和Smokeview执行；3.全面支持64位操作系统；4.运行多CPU模拟单一点击；5.导入现有FDS4和FDS5模型。；6.转换FDS4输入文件FDS5；7.导入AutoCAD的DXF模型直接或作为背景图像。PyroSim是设计运行于微软视窗操作系统。PyroSim火灾模拟软件最大的特点是提供了三维图形化

10、前处理和可视化编辑的功能，能够边编辑边查看所建模型，把用户从以前FDS建模的枯燥复杂的命令行中解放了出来。图1为它的模块组成结构。第三章 电缆火灾数值模拟模型建立步骤实际的火灾发生和燃烧过程比较复杂，由于现有的计算方法及条件有限，必须进行一定的简化。因此，进行一定的简化建模。相邻两个房间A和B用开关门连接，在火灾发生情况下，开始在A房间开关柜。这两个房间内包括开关柜，电缆桥架，供水管道，通风口和烟雾探测器。模型如图2所示。图2 整体房间模型3.1网格划分 由于有两个房间，房间A和房间B，因此，将使用两个网格。在A房间（左边的房间）的单元尺寸约0.5英尺（0.154米），距离B房间约1英尺（0.

11、3048米）。一般使单元格的个数是2、3和5的倍数，这样使解决方案更优化。A房间的网格尺寸以及单元格如图3所示，B房间的网格尺寸以及单元格如图3所示。图3 房间A的网格尺寸及单元格图4房间B的网格尺寸及单元格 由于这两个房间内包括开关柜，电缆桥架，供水管道，通风口和烟雾探测器，所以定义材料类型时需要包括混凝土、钢、热塑材料。由于PyroSim数据库中包含一些材料，所以无需自己定义材料，只需要将这些材料从菜单中的Libraries中的Materials中导入concrete和steel，即混凝土和钢铁材料；但是由于数据库中不包含热塑材料，所以需要自己新建这个材料，并定义其属性。新建的热塑材料的密

12、度为1380kg/m3，比热为1.289kJ/kg-K，导电性为0.192W/m-K。这样就定义好了所要用到的所有材料。 需要定义四周的墙，在model中新建一个surface，由于墙是现实生活可见存在的，所以在选择surface type中选择Layered，墙的厚度选取为2.0ft，材料选为100%的concrete。还需要在开关柜建立金属薄片，金属薄片的厚度为0.0042ft，组成材料选取100%的steel。创建电缆这个表面，因为电缆也是在现实生活中存在的，所以电缆的surface type选为Layered，其厚度定义为0.125ft，组成成分为100%的电缆，并将其设置为绝缘的，在

13、cable中的properties，点击Reaction，设置其属性点燃温度为250，如图5。图5 电缆属性 3.2 几何模型 现在，我们将使用几个对话框，并创建集合绘制的一些墙壁。该模型将包括两个房间之间的分隔墙，起属性为混凝土。首先将尺寸切换到英制。接下来，创建墙壁和门。新建一个组，New Group，将其建立在Model下，并命名为Wall。同理，新建一个隔离墙，New Obstruction，将其建立在wall下，并命名为Dividing wall，其尺寸如图6，在surface面板上，选择concrete wall。图6 隔离墙尺寸 接下来定义一个两个房间之间的门，对于这个门，我们将

14、规定在着火5分钟之后将门打开。首先，新建一个Hole，命名为door，将其建立在wall中，门的位置及尺寸如图7所示。在General中设定开门的响应，即着火5分钟之后将门打开，首先在activation中新建一个activation，命名为open door，在input type类型里选择time，并在create/activate文本窗口中，点击TBEGIN进行改变，在弹出的文本框中，输入300.0s。图7 门的位置及尺寸 接下来在客房B上增加一个大门，希望这门在大火开始后即300s后关闭。在默认情况下，FDS假定网格的边界是封闭的，要定义边界上的一个门，首先在网格边界上创建一个开口。在

15、wall的group下新建一个vent命名为entrance door，表面选取为open，在geometry选项卡上，选择plane Y=28.5，min x为20.0，max x为26.0，min z为0.0，max z为8.0，单击保存。定义大门堵塞，在wall的group中建立一个新的obstruction，将其命名为entrance door blockage，其尺寸及位置如图8所示。在surface的single中选择concrete wall。在activation中新建一个设备，名称为entrance blockage，在input type中选择time类型，对于，actio

16、n to perform，选择remove/deactivate，在文本窗口中，点击TBEGIN改变时间，在弹出框中，输入300.0s，并保存。这种控制在300.0s将删除阻塞，也就是将门打开。图8阻塞门位置及尺寸 再定义开关柜，首先，在新建立一个Group为switch gear，在描绘开关柜的时候，用2Dview，点击snap to sketch grid，the sketch grid允许指定一个网格间距，是创建独立网格有用的解决方案。在set sketch grid spacing的snap spacing窗口中，输入0.5。使用pan view工具拖动模式，使隔离墙在窗口的右侧。接下

17、来绘制柜体，在窗口左边，单击draw an obstruction tool ，并用tool properties设置属性，属性如下，min z为0.0，max z为8.0，在surface prop中选择sheet metal，在list列表中选择switch gear。单击select and manipulate objects tool，双击cabinet编辑其属性，在description中输入cabinet1，位置如图9所示。接下来复制其他三个柜体，现在translate objects tool工具，并点击cabinet1，向上拖动创建第二个柜体，将其命名为cabinet2，其尺

18、寸为图10。现在同时选住cabinet1和cabinet2，右键单击cabinet，选择copy/move，选择copy，并在number of copies中输入1，设置为绕x轴旋转，即设置offset为x型，输入30.5，更改名称为cabinet3和cabinet4。图9 柜体1位置图10 柜体2尺寸 继续设置电缆组，在model下新建一个group，命名为cables。然后绘制电缆。在工具栏中选择draw an obstruction工具，并电锯tool properties设置工具的属性，min z为8.5，max z为9.0，在surface prop列表中选择cable。接下来绘制

19、电缆，在cable上输入名称为cable A，电缆A的尺寸如图11所示。图11 电缆A的尺寸 通过复制电缆A得到电缆B，右键单击cable A并单击number of copies，点击copy，在number of copies中输入1，设置offset为Y=14.5，并更改名字为cable B。绘制电缆C和D也相似的，首先点击draw an obstruction，设置其属性为，min z为9.5，max z为10.0，在surface prop的列表中选择cable，将其命名为cable C，电缆C的尺寸如图12所示。复制电缆D，右键单击cable C，点击copy/move，选择cop

20、y，在number of copies中输入1，在offset中设置x的值为-4.0，并将其名称改为cable D。复制电缆E，右键单击cable D，点击copy/move，选择copy，在number of copies中输入1，在offset中设置x为-4.0，将其名称改为cable E。图12 电缆C的尺寸 每个房间都有通风口，通风口的通风系统模型组件假设它来提供空气和进入房间内并返回在墙壁上。首先在model下创建一个group将其命名为vents。需要通过三步来定义通风口。首先，创建一个表面，定义边界条件；然后创建阻塞，最后，通风（通风表面）。对于定义的通风口，需要定义一个流量，通

21、风后并返回通风口，这确保了在房间内的空气压力是没有任何工供需之间的差异影响和回流率的影响。首先要创建表面表示送风，在model菜单上，单击edit surfaces，新建一个表面，将其命名为supply vent，表面类型选择supply。再定义通风口的属性，在air flow的选项中，点击specify velocity，输入值为8.33ft/s。在定义回风口，在vents下新建一个通风口，将其命名为return vent B。在surface列表中选择它的表面为open，在几何面板上将Y的值设定为0.0，min x为13.0，max x为15.0，min z为11.0，max z为13.0

22、。然后通过复制创建第二个回风口，右键单击return vent B，选择copy/move，选择copy，在number of copies中输入1，将offset中x的值设置为30.5，并将其名称改为return vent A。 创建供应导管室B，点击new obstruction，命名为supply duct，设置group为vent，边界条件为：min x为1.0，max x为18.0，min y为23.5，max y为25.5，min z为11.0，max z为13.0。在导管室B增加通风口，新建一个vent，命名为supply vent B，在group列表中选择vents，在几何面

23、板上，lies in the plane中将y的值设置为23.49，其他属性值为：min x为11.0，max x为13.0，min z为11.0，max z为13.0。同理，在房间A创建通风口，surface类型选择为supply vent，在几何面板上，lies in the plane 中将y的值设置为28.5，其他属性值为：min x为34.5，max x为36.0，min z为11.0，max z为13.0。 现在定义火源，假设，火刚开始在A房间的开关柜。通过机柜侧面的排气孔将热释放到房间B。首先，定义一个火源。新建一个group，将其建立在model下，将这个group命名为fir

24、e。创建一个表面定义热释放速率，然后火将连接到开关柜的顶部，用到的单位是SI。在view菜单中，单击units，选择SI。新建一个表面，将其命名为fire，选择表面类型为burner。接下来定义火源属性，在heat release rate中输入3000.0KW/m2。在ramp-up time列表中，选择T2，并输入值为60s，这是火超过60s的峰值。将来将单位定位为English。添加防火内阁，新建一个vent，名称为fire，在group列表中选择fire，其表面也选择为fire，在几何面板中，lies in the plane列表中将x的值设置为50.51，这个地方只是勉强可视为内阁之

25、外，但是它会被返回到确切的网格坐标中。在大多数情况下，轻微的偏移不会造成任何问题，因为通风口和防火内阁将被移动到相同的网格坐标，但是，如果转移到不同的网格坐标，将会发生一些问题。fire的其他属性为:min x为20.0，max x为23.0，min z为6.5，max z为7.5。 每个房间都需要烟雾探测器。在分析中，烟雾探测器将输出数据，但不会激活模型中的任何功能。接下来创建烟雾探测器，首先在B房间中，在devices菜单中，新建一个new smoke detector，井其命名为room B，其位置为14.0，10.0和19.75。再在A房间中创建一个烟雾探测器，同理，新建一个new s

26、moke detector，将其命名为room A，其位置为44.5，10.0和19.75。 还有一些后处理控制，将定义一个层。添加一个层，在device菜单上点击new layer zoning device，将其命名为layer room A，房间A、B的层数据如图13、14所示。图13 房间A层数据图14 房间B数据 建立一个切片平面，可用于显示烟雾情况和温度情况。单击show slice工具，在output的菜单上，单击slices，建立切片平面，其属性值如图15所示。选择观察物体的表面温度，在output菜单上，点击boundary quantities，选择wall tempera

27、ture。图15 切片平面数据 建立等值面，等值面是3D绘图显示数量的表面上有一个指定的值，我们将在在等值面上保存温度的数据，这是一个方式来定义一个热气体的位置层。在output菜单上，点击Isosurface，单击temperature文本框，在contour values列表中，输入50，100，150，200，250，等高值分隔空间，如图16所示。图16 温度等值面 最后设置仿真参数，在FDS面板中，点击simulation parameters，在simulation title 中，输入switch gear fire，结束时间为100s即在end time中输入100s。在simulation parameter框中，点击Misc.在default surface type列表中选择concrete wall，保存参数。第四章 结果分析 图16展示了着火后的情况。图16 房间着火状态燃烧后的烟雾密度如图17所示。图17 烟雾密度 气温轮廓图像如图18所示。图18 气温轮廓图像 在FDS菜单上点击plot time history results，选择devc.csv查看时间历史的结果