0-建筑火灾烟气运动数值模拟方法的回顾与评价

14卷1期2005年2月自　然　灾　害　学　报JOURNAL OF NAT URAL D I S ASTERS Vol .14,No .1Feb .,2005收稿日期:2004-04-23;　修订日期:2004-06-09 基金项目:哈尔滨工业大学跨学科学交叉性研究基金资助项目(H I T MD2001.33) 作者简介:邱旭东(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,硕士,主要从事高层建筑火灾及排烟研究.文章编号:100424574(2005)0120132207建筑火灾烟气运动数值模拟方法的回顾与评价邱旭东,高甫生,王砚玲(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘要:系统地介绍了建筑火灾烟气运动的各种数值模拟方法。

将收集到的59种建筑火灾模型分为4大类,包括9种网络模型、32种区域模型、15种场模型及3种复合模型;从理论角度阐述了各类模型的计算方法,着重介绍了其中有代表性的几个模型;提出复合模型是未来模型的发展方向。

为初涉建筑火灾烟气运动数值模拟的研究人员提供了思路。

关键词:建筑火灾;网络模型;区域模型;场模型;复合模型中图分类号:T U834.2 文献标识码:ARev i ew and eva lua ti on on num er i ca l si m ul a ti on m ethodof s m oke m ovem en t under bu ild i n g f i reQ I U Xu 2dong,G AO Fu 2sheng,WANG Yan 2ling(School of Munici pal &Envir onmental Engineering,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150090,China )Abstract:This paper intr oduces several nu merical si m ulati on models about building fire and s moke move ment .Col 2lected 59building fire models are identified,which include 9net models,32z one models,15field models and 3compound models .A general discussi on on all kinds of nu merical si m ulati on methods is p r ovided and s ome rep re 2sentative fire models are e mphasized .Author considers that compound model should be devel oped in future and wi 2shes the article would give s ome guidance t o the ne w researchers in this field .Key words:building fire;net w ork model;z one model;field model;compound model建筑火灾烟气运动研究是火灾研究中的重要内容之一。

但由于火灾现象的复杂性,近几十年来才建立起描述火灾现象的实用数学模型(有别于控制燃烧)。

研究的困难主要表现在几个方面: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不可胜数。

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,同时现有的PC 机性能不足以完成大规模建筑火灾烟气运动过程的场模拟计算。

火灾研究涉及空气动力学、多相流、湍流的混合与燃烧、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对其进行解释。

第三,火灾过程中可能发生燃烧的物质多种多样,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可燃气体并发生燃烧的过程。

火灾模型主要分为确定性模型和随机性模型。

确定性模型中主要包括场模型、区域模型和网络模型为主体的模型和经验模型等。

本文主要介绍4种建筑火灾烟气运动模型:网络模型、区域模型、场模型和场区网复合模型。

本文通过广泛收集资料综合分析总结介绍了9种网络模型、32种区域模型、15种场模型及2种复合模型,从理论角度阐述各类模型的计算方法及优缺点,为从事建筑火灾烟气运动研究的人员提供一定的指导。

1　网络模型 网络模型把整个建筑物作为一个系统,而其中的每个房间为一个控制体(或称网络节点),各个网络节点之间通过各种空气流通路径相连,利用质量、能量等守恒方程对整个建筑物内的空气流动、压力分布和烟气传播情况进行研究。

典型的网络模型输入数据是气象参数(空气温度、风速)、建筑特点(高度、渗透面积、开口条件)、送风量、火焰参数和室内空气温度。

这种模型可以考虑不同建筑特点、室内外温差引起的烟囱效应、风力、通风空调系统、电梯的活塞效应等因素对烟气传播造成的影响,可实现对建筑楼梯间加压防烟、局部区域排烟及二者联合使用的建筑防排烟系统进行研究分析,评价烟控系统效果及与人员有关的火灾安全分析。

网络模型对火灾烟气的处理手法十分粗糙,适用于远离火区的建筑各区域之间的烟气流动分析。

美国、英国、加拿大、日本、荷兰等国家对网络模型的研究和开发起步较早,且己发展到较为成熟的阶段[1],其中尤以美国标准技术局(Nati onal I nstitute of Standards and Technol ogy,N I ST )为代表。

主要网络模型有:加拿大国家建筑研究院的I RC 模型;N I ST 的建筑火灾研究实验室(BFRL )的ASCOS 模型,CONT AM 模型及S MACS 模型;美国ASHRAE 的S MOKESI M 模型;英国建筑研究部的BRE 模型;英国O scar Faber &Part 2ners 咨询工程公司的O scar Faber 模型;荷兰应用物理学院的T NO 模型等。

我国重庆建筑大学严治军等研究的项目“建筑物火灾烟气流动性状预测”采用的也是网络模型[2]。

N I ST 下属的BFRL 是研究建筑火灾问题的著名科研机构。

ASCOS 由隶属该实验室的Kl ote 采用F OR 2TRAN 77语言编写,用于分析由烟控系统引起的恒定空气流动。

烟控系统运行时,引起建筑物内部各区域压力发生变化,抑制烟气在起火建筑内扩散,为人员疏散争取时间,ASCOS 能够分析这一过程,为优化烟控系统设计提供依据;该程序能够模拟建筑火灾中多种影响因素的叠加作用,计算结果较为可靠。

模型输入部分包括建筑物内外部的温度、建筑内部格局的网络化描述、通风系统及烟控系统的情况;输出部分包括建筑内部各区域内的静压及区域间气体交换量。

上个世纪80年代及90年代初期,ASCOS 是世界上应用最广的网络模型,但在今天看来,它仅具有史料价值。

另一种网络模型程序CONT AM 替代了ASCOS 的昔日地位,成为现今广泛应用的网络模型。

CONT AM 同样由N I ST 发行,是BFRL 室内通风及空气品质课题组的研究成果,由W alt on 应用C 语言编写并负责升级服务,用于多区域空气流动模拟研究。

其雏形是A I RNET (1989),随后进一步发展为CONT AM 94(1994),CONT AM 96(1996),直至最新的CONT AMW 2.1(2003)。

与AS 2COS 相比,CONT AMW 的计算速度更快,计算结果更为可靠[3]。

CONT AMW 利用层、区域、空气流通路径等概念,按照不同的模拟目标将实际建筑简化为理想建筑模型,在此基础上进行模拟计算分析;该程序具有友好的图形用户界面、丰富的数据库、良好的数据分析绘图功能,能够处理大型复杂的网络模拟计算问题。

上述的网络模型在计算中都是将整个建筑物作为一个系统,而其中的每个房间为一个节点,假设每个房间的温度、压力等值是均匀的。

将其应用于整个建筑着火计算时,计算结果比较粗糙,与火灾发生时的实际情况有一定差距。

但网络模型可以考虑复杂格局建筑的多个房间,适合计算离起火房间较远区域的情况。

2　区域模型 美国哈佛大学的E mmons 教授首先提出火灾区域模型。

区域模拟把所研究的受限空间划分为不同的控制体,通常把房间分为两个控制体,即上层的热烟气区和下层的冷空气区[4,5]。

通常称之为层,假设在每一层内温度、烟气浓度等状态参数都是均匀的,通过求解每层质量和能量守恒方程能够得出上述参数的变化。

能量交换除了由质量交换带来的能量传递以外,还考虑辐射和导热损失。

对于面积较大、长度较长的空间,传统的分层模型将存在较大误差,有学者在一般的区域模型方法基础之上,提出多单元区域模拟的思想[6],结果表明,在大尺度空间中这种方法比传统的区域模拟方法更符合实际。

表1列出32种模拟室内火灾烟气运动过程的区域模型[7],其中18种模型仅能模拟通风状况下的单室・331・1期邱旭东等:建筑火灾烟气运动数值模拟方法的回顾与评价火灾过程,其余的14种模型可以模拟多室火灾过程;两种模型着重处理轰燃后的火灾过程,其它模型可以模拟火灾全过程;所有模型都要求使用者输入燃烧释热量随时间的函数变化关系;除6种模型外,其余模型均可以运行于PC 平台。

某些模型(特别是CF AST 、Hazard I )在计算结果分析方面较其它模型更为完善。

单室火灾区域模型是最早发展起来的一类区域模型,虽然从现在的研究水平来看,这种模型十分简单,并且进行了大量简化,但正是它开拓了利用区域模型研究建筑火灾的局面,验证了该模型的可靠性,在区域模型的发展过程中发挥了重要的作用。

ASET (available safe egress ti m e )是BFRL 编制的一种单室火灾区域模拟程序,经过若干年的发展,ASET 已经发展了用F ORTRAN 语言,BASI C 语言和C 语言编写的不同版本。

该程序主要用于讨论火灾中与安全疏散有关的问题,也可用于研究室内火灾的多种其它特征。

表1区域模型Table 1　Zone model序号模型名称来源编程语言说明序号模型名称来源编程语言说明1ARG OS 丹麦--多室17F I R M _QB /VB 美国QBasic /VB单室2ASET 3美国F ORTRAN 单室18Fire wind 澳大利亚C 多室3ASET -B 3美国BASI C 单室19F I R I N &美国--多室,复杂通风系统4BRANZF I RE 3新西兰VB 6.0多室20F I RST 3美国F ORTRAN 77单室5BR I -2日本--多室21F I S BA &法国--单室6CCF M.VENTS 3美国F ORTRAN 77多室22FPET OOL 3美国F ORTRAN 单室7CF AST 3美国F ORTRAN /C 多室23Harvard Mark V I 3美国F ORTRAN 77多室8CF I RE -X 德国/挪威F ORTRAN 77单室24Hazard I 3美国F ORTRAN 77F AST 核心9CiFi &法国F ORTRAN 多室25I M FE 波兰--单室,多风口10COMP BRN -III 3美国F ORTRAN 77单室26MAGI C &法国F ORTRAN /C 多室11COMPF23美国F ORTRAN 66轰然后火灾过程27NRCC1加拿大F ORTRAN 77单室12DACF I R -33&美国--飞机舱室28NRCC2加拿大F ORTRAN 77大型开放办公空间13DS LAY V 3瑞典Pascal 单室29OS U 美国--单室14F AST 3美国F ORTRAN 多室30Oz one 3比利时F ORTRAN /VB单室15F AST L ite 3美国F ORTRAN 多室31R -VENT 挪威Pascal单室16F I RAC &美国--F I R I N 核心32SF I RE -43瑞典F ORTRAN77轰然后火灾过程 注:右上角带有3的模型为免费发行,带有&的模型不能在PC 上运行。