数值模拟论文

基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟研究

摘要：建立了一个简化的高校宿舍空间模型，采用美国国家标准和美国技术研究院( NIST)开发的FDS软件，建立火灾模型，对宿舍火灾进行全尺寸模拟，通过模拟实验给出了火灾发生过程中烟气运动、温度变化和氧气浓度变化的规律，最后提出了灭火方案，并进行模拟和验证，为高校制定消防安全对策提供了有力的依据。

关键词:高校宿舍；FDS模拟；灭火方案；消防安全对策

Abstract:A simplify university dormitory space model be established,the FDS software developed by U.S.National Institute of Standards and Technology Research Institute(NIST) is used to build a model house in college and simulate the model dormitory fire in full-size .The law of smoke movement and the changed of vertical temperature and oxygen concentration in the course of fire is given through experiments.Finally extinguish scheme was proposed,performing simulation and verification so as to provides a strong basis for the college develop fire safety measures.

Key words:university dormitory; fds simulation;extinguish scheme;fire safety measures

0 引言

近年来，随着我国高校规模的扩大，一方面满足了社会对人才的需求，但同时也产生了很多问题，其中宿舍火灾事故屡有发生，已引起人们的极大关注。高等院校宿舍人口密度大，火灾荷载较多，再加上一些学生安全意识淡薄，给学生的生命和财产安全带来了极大威胁。因此，针对高校宿舍火灾预防的研究不断的受到重视。目前，对高校宿舍火灾从研究内容上包括高校学生宿舍火灾载荷的调查、宿舍火灾危险性分析、火灾发展情况的数值模拟以及宿舍火灾评价体系构建的各个方面。然而，高校火灾的风险性仍然很大，且造成的损失和影响严重。进一步对高校宿舍火灾的研究，仍然具有重要的实际意义。

目前，国内对高校宿舍火灾的实验研究比较少，因为火灾实体实验不但耗资巨大，并且由于条件有限，只能针对性地进行，缺乏全面性。因此采用计算机模拟

根据有优越性。本文全尺寸数值模拟方法，利用FDS 软件建立模型，获取火灾数据，以研究烟气运动、 氧气浓度变化规律，对指导学生疏散、减少火灾造成的伤害具有一定的实际意义。

1 FDS 数值计算原理

1.1 FDS 理论基础

FDS 是由美国N IST ( National Institute of Standards and Technology)开发的一种场模拟程序，它是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的 N - s 方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于 FDS 程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证。因此，在火灾科学领域得到了广泛应用。在利用FDS 进行火灾模拟时均选用大涡模拟。

1.2 FDS 数学模型

FDS 所求的基本方程如下：

1连续方程：

0t

=⋅∇+∂∂→u ρρ 2能量守恒方程：

()()()i i i i

r Y D h T k q p t u h h ∇∇+∇⋅∇+⋅∇-∇⋅+∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∇+∂∂∑→→ρρρρu t

式中 k ：导热系数（W/(mk))；h ：比焓（J/kg)。

3组分守恒方程：

()()m i i i i i m Y D u Y Y ∙→+∇⋅∇=⎪⎭

⎫ ⎝⎛⋅∇+∂∂ρρρt 式中 Di ：第i 种组分的扩散系数（s 2m ）；Yi ：第i 种组分的质量分数；单位体积内第i 种组分的质量生成率（kg/(s 3m ））

4动量守恒方程：

τρρ⋅∇++=∇+∇⋅+∂∂→→→→

f g p u u t ))(u （

式中: p：压力( Pa) ；τ: 黏性力张量( N) ; g: 重力加速度（m/s2) ; →f: 作用于流体上的外力( 除重力外)（N)。

以上为流体动力学基本方程，能够准确描述出烟气的流动与传热。

2 高校宿舍的FDS建模

2.1 建立网格

本文以某高校宿舍为参照实物建立模型：

设空间6.96m×3.4m×3.3m，划分网格参数见表1—2

表1

轴min max 网格数

X 0.0 5.5 32 Y 0.0 2.0 20 Z 0.0 3.3 19 最小网格尺寸0.17m×0.17m×0.17m，网格总数为12160。

表 2

轴min max 网格数

X 5.5 6.96 19

Y 0.0 2.0 20

Z 0.0 3.3 19

最小网格尺寸0.16m×0.17m×0.17m，网格总数为3420。

在模型中，我们假设起火原因是由宿舍内超负荷用电引起电线短路发热照成的。取红色小方块( 0.1 m×0. 1 m×0. 1 m ) 为火源, 热释放功率为1500k w / m2。具体模型如下：

图1 学生宿舍模型

2.2 模型方案设置

我们假设在T=300s时，隔离上门被打开，考虑到宿舍平时通风情况，设置V=0.2/s的风机向里送风，前门设置为关闭。在X=2.7m，Y=1.2m，Z=1.7m(HDO3)，X=5.7m，Y=1.7m，Z=1.7m（HDO5)，设置感烟探头，X=2.7m，Y=1.2m，Z=1.7m(HDO5)，X=5.7m，Y=1.7m，Z=1.7m（SDO5)，设置感烟探头。

模型建好后，进行2400s的模拟计算。

3 实验结果与分析

3.1 烟气

有研究表明：在火灾中有2/3以上的死亡是由烟气导致的，延期的流动方向也决定人员的逃生方向。因此，对火灾中烟气的研究具有重要的意义。

通过模拟表明，烟气在宿舍内是受限运动模式，在初始时期，由于烟气的密度小于冷空气的密度，烟气垂直上升，到达顶棚后，成为水平方向的顶棚射流并逐步转播至整个顶棚面，由于左右墙壁限制，烟气向下填充，在室内上空形成热烟气层，随着火势旺盛，烟气层逐渐变厚，最后充满整个空间。

如图2，当t=628s(10.5min）时，烟气层已经下降到1.0m处，远低于安全能见度（10m)，但是可燃物还在继续燃烧，烟气仍在积累，这对学生的疏散构成巨大威胁，并且烟气中还有很多有毒有害气体，将直接威胁人员的生命安全。因此学生宿舍火灾中烟气危害后果严重，在制定措施时应重点考虑火灾烟气的控制与排放。