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高层建筑火灾数值仿真

1火灾蔓延数值分析的实现

FDS中的固体物质可以由多层材料组成,每一层材料都可包含多种物质成分。每种固体物质可以进行多个反应,这几个反应可能发生在不同的温度下,消耗不同量的热量。热解反应需要确定每个反应的产物,FDS中热解产物可以是固体残留物、水蒸汽、燃料气体等。反应物可通过参数:NU_RESIDUE(固体残留物),NU_WATER(水蒸气),和NU_FUEL(燃料)来设定。热解模型必须指定反应温度和反应。在温度Ts下,第i类材料的第j个热解反应的反应速度由式(1)给定:ρs,i是特定层中的第i类材料的密度,ρs0是层的初始密度。若某层材料仅由一种材料组成,且反应不产生固体残余物,则ρs,iρs0为1。ns,ij是反应因子,默认值是1。Ai,j是一指数因子,单位是s-1;Ei,j是活化能,单位是kJ/kmol。对于大多数材料,很难确定Ai,j和Ei,j。此时,可以通过指定参数referencerate(s-1)和referencetemperature(℃)来进行计算。FDS会利用这两个参数来完成计算。referencerate的默认值是0.1s-1。数值分析时,一般取referencerate为默认值,只指定referencetemperature。

2火灾蔓延数值分析及蔓延规律研究

2.1模拟场景设置经分析,共设置3个火源位置,火源位置A位于建筑东侧中部位置,火源位置B位于建筑南侧中部位置,火源位置C位于建筑东南侧,如图1。根据需要共设位置4个计算场景,场景设置,见表1。2.2模拟参数设置2.2.1建模建模过程中对实际模型进行了局部简化,将外墙材料统一简化为挤塑聚苯板,另外由于实际建筑体量巨大(长45m,宽30m,高90m),进行火焰蔓延需要网格尺寸极小,进行整体模拟,计算系统难以承受,因此在考虑计算经济性的情况下,对实际建筑进行了1/3比例的缩尺建模,网格尺寸最小0.04m,最大0.08m。2.2.2输入参数设置环境初始温度24℃,初始风速0m/s;湍流模型采用大涡模拟模型,燃烧模型采用混合分数模型,热解模型采用固体材料热分解模型;初始火源为1MW恒定火源,引燃外墙材料后,自行熄灭,外墙材料统一为模塑聚苯板,热解温度320℃,内墙为混凝土。2.2.3测点布置在模型各墙面上分上、中、下位置各布置3个热电偶测点,位置分别距离地面5m、15m和25m,其中THCPB位于墙角,其余热电偶位于各面墙的中部位置。各热电偶具体位置和编号,如图2。2.2.4模拟结果图3为火灾场景B的火焰蔓延过程图,由于未考虑室外风的影响,火灾在建筑外立面基本成对称形式向上部和两侧蔓延,向上蔓延速度远高于向两侧蔓延速度,从着火侧立面向相邻立面的蔓延首先发生在建筑上部,除着火侧外,其他立面呈现火焰自上而下蔓延的现象,该场景火焰蔓延顺序为南侧、东侧、西侧、北侧。图4为测点THCPC和测点THCPD的温度曲线,可以看到最高温度可以达到1000℃以上。其他场景模拟结果,见表2。

3结论和建议

通过模拟分析,可得如下结论:(1)利用FDS软件的热解模型和燃烧模型可以较好地实现火灾的蔓延仿真,但对超大体量建筑采用并行算法进行分析时,在网格尺寸较小的情况下,数值计算的稳定性较差,极易出现数值发散的情况;(2)在单点点火的情况下,火灾首先从着火点沿着火面外墙向上及向两侧蔓延,火焰垂直蔓延速度远远高于水平蔓延速度,火灾从单侧向相邻侧蔓延一般首先会出现在建筑顶部区域,然后相邻侧火灾会呈现自上而下的蔓延过程,最终会发展为整个建筑外表面全部参与燃烧的情形;(3)有风情况下,火灾的蔓延速度会明显加快,尤其是火焰在下风向的水平蔓延速度会明显加快,但风力会阻止火焰向上风向蔓延。通过研究分析,对高层建筑的外立面防火提出如下建议:(1)建议相关规范尽快完善对铝塑板幕墙的防火要求。如可以对不同高度的高层建筑,规定可采用的铝塑板材料的防火性能;(2)建议相关规范尽快完善对外墙外保温材料的防火要求。如规定防火隔离带的做法,防火隔离带不应只考虑水平隔离,还应考虑垂直隔离带。从数值分析看,对于两个立面交界处采用一定的防火措施,有利于阻止火灾向相邻侧的蔓延;(3)对于高层建筑,为防止外部火灾向建筑内部蔓延,应加强其外窗的防火要求,如规定超高层建筑外窗宜采用防火窗等。

作者:智会强 牛坤 单位:公安部天津消防研究所


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