小城镇火灾火灾流场的数值模拟研究

小城镇火灾火灾流场的数值模拟研究

1灾的流场特性近年来，随着我国农村经济的不断发展和农民生活水平的不断提高，城镇居民的常住人口迅速增加，小城镇的建设规模不断扩大，城市化进程正在逐步加快。由于目前小城镇建设整体抗灾技术水平较低、基础设施简陋、配套不完善,抵御灾害的能力不强,加大了火灾等各种灾害给国家和人民生命财产造成的损失。研究小城镇多层建筑火灾的流场特性具有非常重要的现实意义。调查表明,小城镇一般民宅和建筑物的高度在15.0m左右,周围风速在2.0～10.0m/s。建筑物发生火灾后,房间内外的冷热气流有一定的流通和对流通道,房间热气膨胀使窗户破碎、外门打开。这时,外界气流的温度、风向、风速会对房间内温度与速度场的分布状态产生很大的影响。1985年5月23日,伊春市某居民抽烟引燃木板棚,受6～7级西南风影响,造成火灾救援困难,使大火最终波及7条街,烧毁各类建筑8852m2,直接经济损失2097万元,火场迅速扩展为20万m2,一片火海。因小城镇一般民宅和建筑物的高度在15.0m左右,在垂直方向大气温度和压力的变化可忽略不计,重力也基本不变。笔者选用的算例为4层3列楼,认为风是均匀地从不同方向吹来的且热气流只向上运动。笔者针对小城镇一般民宅建筑高度特点,建立相应几何模型和物理模型,利用商业计算流体力学软件Phoenics,对不同风向、风速情况下小城镇多层建筑火灾流场进行数值模拟分析。2算例2:某公司内部不同位置房屋所取算例如图1所示,楼房为4层3列,空气温度为20℃,在下面3层9个房间内的中部靠里侧墙附近都设置火源。这样选择的原因还有各层各列均有自己的代表性:(1)由于浮力向上,第一层房间不受上面任何一层房间流入与流出气流状态的影响,即上一层不影响下一层;(2)第二层房间内外温度场的分布和流动特性要受到第一层房间流出热气流的影响;(3)第三层房间受到第二层和第一层房间流出热气流的共同影响;(4)第四层房间内设计成没有火源,以便观察浮力产生的热气流进入第四层房间的情况。楼房分为3列可以观察位于楼房边缘和中间位置时房间内外的流动情况有什么差别。在有外界风力作用时,这样布置也有其代表性。如图1所示,在所选算例楼房的前部和两侧,以及楼房上部都保证有一定的自由空间,以保证在各方向的界面上有气流流入和流出。为了研究多个房间发生火灾后的相互影响,在算例中除房间位于楼房上下左右的相对位置不同外,其他因素要保证完全相同且各房间之间不能有气流相通。所以计算所选的房间尺寸、火源位置、窗户位置和通气面积、热释放量都要完全一致。这样才能显示出在同样热释放条件下,同样外界风向和风速情况下,房间位于楼房上下层不同位置的温度场和流动特性的差别。全部计算都针对稳态温度场进行。因为只有在稳态情况下,才能保证流入房间的冷气流量和流出房间的热气流量是不变的,冷热气流的热交换和温度场的分布也是不变的。这样才便于对在不同风速时相应的稳态分布规律进行比较,才能显示出不同风速的变化对位于楼房不同位置房间流动特征的影响程度。建筑物几何尺寸及网格划分如图1所示。楼房每层高3.0m,总高12.0m,楼房顶部取自由空间5.5m;在x方向取房间进深为5.0m,房前取自由空间4.0m;每列房宽4.0m,3列宽12.0m,楼房两侧各取自由空间2.0m。计算网格取NX×NY×NZ=58×34×77=151844。火源热释放量在各个房间都设为219.4kW。使用PHOENICS3.5版本进行计算。为方便下面要多次提到的几个典型截面位置的简单叙述,定义了几个截面为:A1截面,位于y=8.28m处,该截面穿过有热源的高温区;A2截面位于y=4.12处,屋内距窗0.28m,在交错网格中,对于y方向的速度v,A2截面即为窗户的内侧面;A3截面位于y=3.84m处,该截面上有每个房间和外界的惟一的通道,窗口;A4截面位于y=3.56m处,窗外0.28m距离的截面;A5截面位于x=8.0m处,3列房间的中间一列的中线位置。3温度对楼楼高温区的影响当楼房下面3层房间发生火灾,外界风从正向以1.0～9.0m/s的速度吹向楼房时,楼房窗前的流动状态有所变化。图2(a)和图2(b)是A5截面上第二层房间在v为1.0m/s和6.0m/s的矢量图。图2(a)表明,当外界风速为1.0m/s时,楼房前主要为以浮力产生的热气流向上运动的流动状态为主。图2(b)表明,当外界风速为6.0m/s时,窗前的流动状态显示出以外界冷气流的运动状态为主。图3(a)和图3(b)是外界风速在1.0m/s和3.0m/s时,A1截面处与温度成正比例的热密度C1的变化规律。可以看出,当外界有正向风吹来时,不同楼层的房间高温区受外界风速的影响,其运动状态也有不同。图3中都显示出第二层和第三层楼房的温度场分布近似。这都是外界不同的温度环境造成的。图3(a)的外界风速只有1.0m/s,第一、第三列房间的高温气流向中间有微小的倾斜。在图3(b)中,外界风速为3.0m/s,使热密度较大的热源已有较强的向中间运动的动态倾斜。因为风从正向吹来后,在楼房前成为向两侧运动的横向气流,由于气体黏性的作用,会使得房间内的气流逆着外界气流的方向运动,像作一个大的漩涡运动。图4(a)、图4(b)是外界正向风速为6.0m/s情况下,在A4截面上y方向速度v和z方向速度w的分布图像。从图4(a)可以看出,进入窗口前在A4截面上所有窗口中心处的速度v基本保持为4.0m/s。图4(b)表明:外界风以6.0m/s速度吹来时,每个窗口都出现窗口下沿速度w是向上的正值;窗口上沿速度w是向下的负值。图5是在A2截面上,即窗户内侧附近速度v的分布图像。图像充分显示出外界冷气流以6.0m/s的速度从正向吹来时,楼房的中列和左右两列,在第一、第二、第三层有热源的房间和第四层无热源的房间,流动状态有很大的差别。图5中表明:在第一、二、三层窗口附近,其下半部分的气流向房间内流动(v为正值);在其上半部分的气流向外流动(v为负值)。不管房间在哪一层哪一列,都有清楚的速度中性面。正向吹来的气流在楼房前向两侧的运动使得进出房间的速度中性面均呈斜面,尤其是靠边界的两列房间。在一、二、三层有热源的房间中,靠边界的两列房间,其中性面约为45°从里向外的斜面。4各平面内的速度分布图6(a)、图6(b)、图6(c)是外界风速为3.0m/s情况下,在第一、二、三列房间的中线位置的第三层房间内外的速度矢量图。图6中表明,3列房间第三层的窗前位置的主流矢量有很大的区别。图6(a)所示的第一列房间窗前一定程度地由外界风速控制;第三列房间窗前主要受向上运动的浮力控制。5火灾救援时的注意事项当小城镇多层建筑物发生火灾时,外界风向和风速对有热源与无热源的房间内的流动特性均有影响,风速不同影响程度不同。当外界风速等于或高于6.0m/s时,窗前的流动状态显示出以外界冷气流的运动状态为主。一般说,冷空气的进入具有降温和助燃两方面的作用。如果处理得当,可利用其降温作用为人员进去灭火创造有利条件,但是,值得注意的是,进入的冷空气的助燃作用尤其不可忽视。有资料表明,只要室内仍有明火,无论从何处进风都会使燃烧加强,有时还可导致烟气回燃。发生回燃可使室内的温度和压力急剧增高,并加大火势,不仅能对建筑物造成很大的破坏,而且也对救火人员构成严重威胁,因此,在火灾救援时应特别注意。当外界风从建筑物正面吹来时,会在楼房中线附近分界,再向楼房两侧运动。因黏性作用,向两侧运动的横向气流,会使房间内的高温区和流场,朝着与外界气流相反的方向运动。因此,对于门洞,尤其是内墙门而言,为有效阻挡火势的蔓延,在满足使用宽度和疏散宽度的前提条件下,应尽量控制门洞宽度和尽量采用不易燃烧的制门材料。正向风情况下,楼房第二层和第三层房间温度场分布和流动特性都是相似的且都与第一层房间不同。这主要是在浮力作用下,房间外部的温度和流动状况的差别造成的。侧向风情况也类似。不同外界风速会使房间内部和窗口的速度中性面沿横向倾斜不同的角度。针对外界风速较大情况下的火灾特点,为减少火灾损失,火灾救援可采取如下措施:(1)优先救人。火灾在外界风影响下,燃烧更为猛烈,蔓延更为迅速,更容易造成人员伤亡,故这种情况下救人是首先应该考虑的第一项重要任务。(2)适当进行破拆,建立一定的空间地带。在外界风速较大的情况