室内火灾开口流动的fds模拟

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1、室内火灾开口流动的FDS模拟室内火灾开口流动的FDS模拟宋艳,程远平,汪磊(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008)摘要:以Steckler开口流动实验数据作为参考,对比FDS模拟室内火灾开口流动的准确性及其影响因素.结果表明,在保证网格精度和正确的边界条件下,FDS对门洞开口质量流量的计算较为准确,而对窗户开口质量流量的预测误差较大;热释放速率的辐射分数和着火房间的压力升高都对模拟结果有一定的影响,对模型进行前期设置时应予以考虑.关键词:FDS;开口流动;Steckler实验中图分类号:X913.4.TK121

2、文献标志码:A文章编号:1009～0029(2O10)l1—0965一O4目前,火灾场模拟软件FDS在全世界范围内被广泛应用于建筑性能化防火设计,火灾实验验证和火灾调查的数值模拟,科研人员和工程设计人员通过FDS建立各种不同的火灾场景,获得火灾结果的关键参数和设计准则.然而在实际使用过程中人们发现,FDS对火灾中开口流动的预测结果可能出现误差,该误差一般来自于算法本身的缺陷或边界条件的错误.关于室内火灾开口流动的实验在尺寸(全尺寸,1/8尺寸),燃料类型(池火和木垛火)和开口类型(标准门框高度,大门窗高度和通过门洞的走道

3、流动)上差别很大.其中池火火源位于地板平面,而木垛火火源则高于地板,由于高度差异和木垛结构对卷吸行为的影响,木垛火灾的卷吸量小于池火火灾,所以相对于木垛火灾或其他类型的火灾,池火更加接近真实情况.笔者以Steckler开口流动实验为依据,通过模拟实验中的火灾场景,研究各种参数对误差的影响,将模拟结果与实验结果进行比较分析,以验证FDS预测室内火灾开口流动的准确性,并讨论导致误差的可能原因.1模型的建立在FDS中,影响模型准确性的因素很多.随着技术发展,FDS不断更新,对数据的算法也更为精确.此外,由于FDS采用CFD场模

4、拟理论,对空间的各个物理参数进行离散计算,因此网格的精细程度和网格边界条件是非常重要的影响因素.为了保证模拟结果的准确可靠,笔者在建立火灾场景数值模型前,考虑了Steckler实验的各种实际情况,并对网格的精细程度和边界条件对模拟结果的影响进行分析.1.1Steckler实验设置Steckler的实验测量是在稳态火灾条件下完成的,实验房间设置见图1.房间的围护结构材料为轻质绝热纤消防科学与技术2OlO年11月第29卷第11期建筑防火设计维板,这种材料可以使火灾在点燃后30min内达到稳态.火源直径30cm,燃料为恒定质量

5、流率的甲烷.在开口处设置移动式风速仪和热电偶,数量根据开口大小从28支到144支不等,同时在房间的角落设置一排吸入式热电偶,开口外部设置热电偶树,用来测量室外温度.火源功率分别为31.6,62.9,105.3,l58kW,其中开口尺寸设置见图2所示,门洞尺寸从0.24～0.99m不等,代号依次记为2/6,3/6,4/6,5/6,6/6,7/6和8/6,窗口尺寸分别为0.46,0.92,1.38m,代号记为1/3,2/3和3/3,火源位置设置见图3所示.图1Steckler实验设置示意图78609L)n1口.口口7/686

6、一饵r口简r_开r_图2Steckler实验开口尺寸示意图1.2FDS模型建立根据FDS技术原理手册,在设定FDS火灾模型的时候,网格的精细度会极大地影响模拟结果.如果网格过于粗糙,会导致计算结果产生较大误差.此外,边界条件也直接影响算法.因此,正式模拟前,笔者选取不同网格尺寸的模拟结果进行对比,将网格尺寸由稀疏到精细设置,当网格精细度变化对结果的影响足够小时,即认为模拟结果不再受网格尺寸的影响.同时,考虑到FDS在计965算开口流动时计算边界位置的不同可能会影响模拟结果,笔者还将比较不同边界条件对模拟结果的影响,选取较

7、为理想的设置条件.!一200m—l图3Steckler实验火源设置示意图1.2.1模型准确性检验为设定适当尺寸的网格,FDS建议使用当量火源直径与网格尺寸的比值参数.当量火源直径D与网格尺寸dx的比值介于4～16之间时,一般认为能准确地得到计算结果,比值越大,越能精细地解析火源,避免数值截断导致的误差.当量火源直径D的计算公式如式(1).QD一(————)(1)J0cpT..√g式中:D为当量火源直径,rfl;Q为火源热释放速率,kW;为空气密度,取1.204kg/m;c为空气定压比热容,取1.005kJ/(kg?K);

8、T..为环境温度,取295K;g为重力加速度,取9.81m/s.本场景中Q为62.9kW,得到D为0.316ITI,对应的一般可得到准确模拟结果的最大值为0.079m.在此基础上,为了进一步验证不同网格精细度对模拟结果的影响,笔者拟比较0.1ITl×0.1m和0.05m×0.05m两种网格尺寸的结果.考虑以上各种情况