注册消防工程师技术实务讲义：烟气流动的计算方法及模型选用原则

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1、烟气流动的计算方法及模型选用原则（一）概述在火灾科学的研究方法中，采用计算机实现火灾过程或某火灾分过程阶段的模拟研究是一个飞跃。它具有信息代价少、模拟工况灵活、可重复性强等优点。随着计算机技术的不断发展，流体数学物理模型进一步完善，将成为未来研究火灾问题的主要手段。火灾的计算机模拟方法的核心是火灾模型，火灾模型是由火灾各分过程子模型在特定的模拟平台上融合而成的。运用数学模型模拟计算防火的发展过程，是认识火灾特点和开展有关消防安全水平评估的重要手段，尤其对建筑物的性能和设计來说尤为重要。经过最近二、三十年的研究，在火灾烟气流动研究领域已经发展岀了多种分

2、析火灾的数学模型。据统计，现在有人约60、70种比较完善的火灾模型可供使用。综合实际计算要求和客观条件限制，对火灾过程的同一个分过程进行模拟时，各火灾模型采用的了模型形式往往是不同的。各子模型形式从不同的角度、不同的程度对分过程釆用合理的简化形式进行模化。同一分过程采用不同的了模型形式时，其适用范围内的模拟结果可能都是合理的。冇的模型适用于模拟计算火灾产生的坏境，主耍反映出建筑在火灾时室内温度随时间的变化、火灾屮烟气的流动、烟气屮有毒气体的浓度、火灾中人员的可耐受时间等；有的模型适用于计算建筑、装修材料的耐火性能、火灾探测辭和自动灭火设施的响应时间等

3、。火灾过程是可燃物在热作用下发生的复杂物理化学过程，与周围的环境有着密切的相互作用。任何—•种火灾模型都是以对•实际火灾过程的分析为依据，各种火灾模型的有效性取决于对实际过程分析的合理性。火灾数值研究的困难主要表现在几个方而：第一，火灾事件具有随机性特点，现实生活中可能出现的火灾场景数不胜数；第二，对于大多数火灾过程很难进行深入的机理方面的分析。火灾研究涉及空气动力学、多相流、湍流的混合■燃烧、辐射以及导热等多学科知识，许多相关内容在各个学科领域还都是研究的热点，其中某些现象至今仍无法建立成熟的理论対其进行解释；第三，火灾过程中可能发牛燃烧的物质多种

4、多样,因此无法应用单一的数学模型及经验数据描述物质由聚合状态热解为对燃气体并发生燃烧的过程。建筑火灾的计算机模型有随机性模型和确定性模型两类。随机性模型把火灾的发展看成一系列连续的事件或状态，由一•个事件转变到另一•个事件，如由引燃到稳定燃烧等。而由--种状态转变到另--种状态有一定的概率，在分析有关的实验数据和火灾事故数据的革础上，通过这种事件概率的分析计算，可以得到岀现某种结果状态的概率分布，建立概率与时间的函数关系。而确定性模型是以物理和化学定律为基础，如质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等基本物理定律。用相互关联的数学公式來表示建筑物的

5、火灾发展过程。如果给定有关空间的儿何尺寸、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。在开展火灾危险性分析时，应当综合考虑火灾发展的确定性和随机性的特点，单纯依据任何一种模型都难以全面反映火灾的真实过程。出于火灾研究的定量分析和定性分析需要，大家更关心的是火灾过程的确定性数学模型。本节主耍介绍火灾发展的确定性火灾模型，包括有经验模型、区域模型、场模型和场区混合模型。（二）经验模型多年来，人们在与火灾斗争的过程中收集了很多实际火场的资料，也开展过大量的火灾实验，测得了很多数据，并分析、整理出了不少关于火灾分过程的经验公式

6、。经验模型则是指以实验测定的数据和经验为基础，通过将实验研究的一些经验性模型或是将一些经过简化处理的半经验模型加上重耍的热物性数据编制成的数学模型。它是对火灾过程的较浅层次的经验模拟，应用这些经验模型，可以对火灾的主要分过程有较淸楚的了解。经验模型不同于其它理论模型能够对火源空间以及关联空间的火灾发展过程进行估计，现有的经验模型通常局限于描述火源空间的一些特征物理参数，如烟气温度、浓度、热流密度等随时间的变化，因此经常被称为“局部模型”，常用的经验模型有美国标准与技术研究院（N1ST）开发的FPETOOL模型、计算烟羽流温度的Alpert模型和计算火

7、焰长度的Hasemi模型。（三）区域模型20世纪70年代，美国哈佛大学的Emmons教授提出了区域模拟思想：把所研究的受限空间划分为不同的区域，并假设每个区域内的状态参数是均匀一致的，而质量、能量的交换只发生在区域与区域Z间、区域与边界之间以及它们与火源之间。从这一思想出发，根据质蜃、能量守怛原理可以推导出一组常微分方程；而区域、边界及火源Z间的质量、能量交换则是通过方程小所出现的各源项体现出來。区域模型一般还有如下的假设：①各个控制体内的气体被认为是理想气体，并且气体的相対分子质量与比热视为常数；②受限空间内部压力均匀分布；③不同控制体之间的质量交

8、换主要由羽流传递作用与出口处卷吸作用造成；④能虽传递除部分由质虽交换造成外，还包括辐射与导热；⑤受限空间内部