高架仓库非稳态火灾温度场的数值模拟

超⾼层建筑中典型腔室⽕灾轰燃现象的实验及数值模拟⽐较研究超⾼层建筑中典型腔室⽕灾轰燃现象的实验及数值模拟⽐较研究李松阳1,2, 宗若雯1, 廖光煊11. 中国科学技术⼤学⽕灾科学国家重点实验室，安徽，合肥，2300272. 隆德⼤学能源科学系，隆德，瑞典，SE-22100摘要：轰燃是腔室⽕灾的发展过程中最剧烈的阶段，是建筑内部突发性的引起全⾯燃烧的现象。

当轰燃发⽣后，建筑内的温度、热辐射强度、烟⽓浓度等都将经历⼀个突跃过程，这对内部⼈员的⽣命安全及建筑结构将造成致命威胁。

由于超⾼层建筑的特殊性，轰燃过程对其的危害会远⼤于普通建筑。

本研究将利⽤两款⽕灾动⼒学数值模拟软件（FDS和SIMTEC）对超⾼层建筑中的典型腔室进⾏轰燃过程的模拟，并与⼩尺度⽕灾实验的结果进⾏⽐较，探讨数值模拟在超⾼层建筑轰燃现象重构中的应⽤性和可靠性。

实验共进⾏了四组，包括不同的⽕源⼤⼩和燃料种类，并测量了烟⽓层温度和⼆氧化碳、氧⽓的浓度；⽽两款数值模拟软件也对相应的⽕灾场景进⾏了模拟计算。

结果表明，两款模拟软件都能较好的模拟轰燃过程，但是SIMTEC软件在温度和⽓体浓度的预测结果上更精确。

关键词：超⾼层建筑；腔室⽕灾；轰燃重构；数值模拟Experimental and Modeling Study on Flashover in the Typical Compartment of Extra-high Building ConstructionLi Song-yang1, 2，ZONG Ruo-wen1，LIAO Guang-xuan11. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, 230027.2. Department of Energy Sciences, Lund University, Lund 221 00, Sweden.Abstract: Flashover is the ultimate event in a room fire signaling the final untenability for room occupants and greatly imposing a hazard to other building spaces. It is of great concern in the fire protection engineering of extra-high building. However, the knowledge in fire dynamics and the flashover occurrence in the confined compartments of such high buildings still present some gaps. This study aims at experimental investigation of the flashover occurrence in confined compartments and the corresponding validation of two kinds of computational fluid dynamics (CFD) models for prediction, including Fire Dynamics Simulator (FDS v5.2) and Simulation of Thermal Engineering Complex (SIMTEC). At first, four experimental tests of the confined compartment fire were conducted in a reduced-scale compartment with different areas of fire source and different types of fuels. Detailed transient measurements of upper layer temperature, gas concentration as well as mass loss rate of fire sources were recorded. Secondly, the experimental tests were simulated by FDS and SIMTEC, and the results were compared for validation. The result shows that both codes can reasonably and well simulate the progress of compartment fire and flashover phenomena, but SIMTEC results appeared to be in better agreement with experimental values of upper layer temperature and without the unrealistically intensive and irregular fluctuation observed in FDS results. Key words: Extra-high building, Compartment fire, Flashover, Fire modeling基⾦项⽬：国家⾃然科学基⾦(No. 50974110) 作者简介：李松阳（1983-），男，中国科学技术⼤学⽕灾科学国家重点实验室博⼠⽣，国家公派瑞典隆德⼤学联合培养博⼠⽣，主要从事⽕灾动⼒学演化及数值模拟、地下空间轰燃现象的机理研究.**************通讯作者：宗若雯（1967-），⼥，副教授，***************.cn.1 引⾔近年来，随着经济的⾼速增长和城市化进程的加快，超⾼层建筑在各⼤城市中不⽤涌现。

高层建筑火灾中的烟雾扩散建模与仿真摘要本文研究了封闭竖直井内火焰蔓延规律与高层建筑物中烟雾浓度扩散规律问题，建立了有限差分法模型与浓度扩散的高斯模型、连续点源高斯扩散模型。

问题一：针对封闭竖直井火势蔓延的规律问题，利用有限元研究方法，建立其传热的有限差分方程模型。

通过导热的数值方法计算井曹内各区域的温度分布规律，根据各区域的温度值，可以得到井曹内温度场的变化，建立起火势蔓延的规律。

此模型通过有限元分析软件ANSYS的热分析模块对其温度场的变化进行模拟，完成了对火势蔓延运动的仿真，最后通过Matlab对模型进行分析与检验，描绘出了温度变化曲线。

问题二：针对烟雾浓度的扩散问题，考虑到扩散点源是连续的、均匀的、稳定的性质，运用散度、梯度、流量等知识，引入“扩散点源烟雾物质的质量守恒”、高斯公式和积分中值定律得到无界区域的抛物线型的偏微分方程，通过点源函数解出空间任一点的烟雾颗粒的浓度的表达式。

鉴于主教楼的建筑结构，烟雾的扩散会受到诸多因素的影响，例如墙体和地面的反射等因素，利用像源法处理反射因素对浓度的影响，对之前的模型进行完善与修正后，得到烟雾的扩散模型，即烟雾浓度的高斯模型。

最后使用有限元分析软件ANSYS对各楼梯口的浓度进行模拟和分析，并用Matlab对主教楼各楼梯口的浓度进行计算与检验。

问题三：根据问题二得到不同着火点及各楼道口烟雾浓度的分布，制定了一个全校师生紧急逃生的路线方案，结合实际情况撰写一份倡议书，呼吁全校师生理性的面对火灾。

关键词：有限差分法，ANSYS热分析模拟、烟雾模拟，高斯模型一·问题背景及重述1.1 问题背景火灾自古与人类同在，森林火灾、楼房火灾、汽车火灾等等，无不牵动着人们的心声。

城市扩建、高楼林立的今天，楼房火灾已然成为城市灾难的主要来源。

仅去年，有1月6日的上海农产品市场大火造成6人死亡、12人受伤；1月7日，哈尔滨国润家饰城大火；6月3日吉林宝源丰禽业公司大火，造成121人死亡，76人受伤，直接损失1.8亿元；12月15日，广州建业大厦火灾，造成3300万元损失等十余起重大火灾事故。

火灾风险评估的数值模拟及其应用火灾是一种常见的灾害，不仅会给人们的生活和财产带来巨大的损失，还会对城市和环境产生影响。

为了防范和控制火灾，需要对火灾进行风险评估，以便对火灾的发生概率和损失范围进行预测和预防。

数值模拟技术是一种有效的火灾风险评估方法，其应用范围广泛，效果显著，为火灾风险评估提供了有力的支持和保障。

一、数值模拟技术介绍数值模拟技术是一种通过计算机模拟物理规律的方法，将实际物理过程进行数值计算，预测和分析其变化规律的科学技术。

利用数学方法对物理规律进行建模，通过有限元、边界元、有限差分等数值方法将模型转化为计算机可以处理的数值问题，进而进行计算和分析。

数值模拟技术具有计算速度快、模型精度高、实验成本低等优点，可以模拟和预测很多实验无法进行或难以进行的实际问题。

二、火灾风险评估的数值模拟方法在火灾风险评估中，数值模拟技术可以通过对火灾发生的概率、火场温度分布、烟气扩散、火势蔓延等关键因素进行模拟和预测，提供火灾风险评估的重要依据。

其具体方法如下：1.建立火灾数学模型首先需要根据火灾情况和评估对象的特点，设计和建立数学模型，将火场的温度、烟气、火焰等物理量进行建模，得到数学关系式。

2.确定边界条件和物理参数在建立数学模型后，需要确定火场模拟的边界条件和物理参数，包括起火源的位置、火场的形状、建筑物和装修材料的热力学参数、气态物质性质等。

3.选择数值方法进行计算在确定边界条件和物理参数后，需要选择适当的数值方法进行计算，将数学模型转化成计算机可以处理的数值问题。

如常用的数值方法有有限元、有限差分、边界元等。

4.模拟和分析火场过程通过数值模拟，模拟和分析火场温度分布、烟气扩散、火势蔓延模式、热辐射等关键因素的变化规律，得出火灾风险评估的结论。

三、数值模拟技术在火灾风险评估中的应用数值模拟技术在火灾风险评估中的应用非常广泛，主要包括：1.确定建筑物的消防等级利用数值模拟技术可以预测建筑物火灾的扩散和影响范围，确定建筑物的消防等级和消防设备标准，为消防设计提供参考。

危险货物集装箱温度场的数值模拟危险货物集装箱温度场的数值模拟随着国际贸易的发展，海运成为了一种重要的运输方式。

然而，海洋环境的变化以及集装箱内部的特殊情况，使得危险货物集装箱的温度场分析变得十分重要。

本文将尝试进行危险货物集装箱温度场的数值模拟，以评估其内部温度变化和可能带来的风险。

首先，我们需要了解危险货物集装箱内部的温度场分布情况。

集装箱内部的温度不仅受外界环境温度的影响，还受到集装箱壁的传热和危险货物本身的热辐射的影响。

因此，在模拟集装箱内部的温度场时，需要考虑这些因素。

为了进行数值模拟，我们可以采用计算流体力学（CFD）方法。

CFD方法可以对流体或气体的流动和传热进行数值模拟，并得到相应的温度场分布。

在模拟危险货物集装箱的温度场时，我们可以将集装箱内部看作是一个封闭的空间，采用CFD方法对空气流动和传热进行模拟，并得到集装箱内部的温度场分布。

在进行数值模拟之前，我们需要收集一些必要的输入参数。

首先是危险货物的热辐射特性。

不同的危险货物具有不同的热辐射特性，因此需要根据具体情况进行分析。

其次是集装箱的尺寸和材质。

集装箱的尺寸和材质将直接影响集装箱内部的温度分布，因此需要准确获取这些信息。

最后是外界环境的温度、湿度和风速等参数。

这些参数将影响集装箱内部的温度场变化，因此也需要进行准确测量。

在得到必要的输入参数后，我们可以开始进行数值模拟。

首先，我们需要建立一个三维的数值模型，包括集装箱、危险货物和外界环境。

然后，我们根据CFD方法的原理，建立相应的方程组，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

最后，采用合适的数值迭代方法，解出方程组，得到集装箱内部的温度场分布。

通过数值模拟，我们可以得到集装箱内部的温度场分布，并分析其变化规律。

比如，在不同外界温度条件下，集装箱内部的温度如何变化？在不同危险货物热辐射特性的影响下，温度场分布是否会有所不同？这些分析结果可以为危险货物集装箱的管理和安全评估提供重要参考。

火灾烟气运动场数值模拟及其应用火灾烟气对人类的危害是极大的，因此对于火灾烟气运动的研究与模拟具有重要的意义。

在过去，人们往往采取试验方法进行研究，这不仅费时费力，而且危险性较高。

随着计算机技术的发展，数值模拟方法成为了研究烟气运动的主要手段。

一、数值模拟方法的原理数值模拟方法是通过对烟气运动中相关物理参数进行数学建模，并借助计算机进行数值求解，以获得烟气运动的相关特性。

数值模拟方法主要包括了建立模型、数值求解和验证三个步骤。

建立模型就是根据实际情况对烟气运动中所涉及的物理规律进行描述，并将其转化为数学方程，以供计算机求解。

数值求解就是将模型转化为离散形式，通过数值计算方法对烟气运动过程进行计算。

验证则是指通过试验或其他手段检验模拟结果的准确性。

二、数值模拟方法的应用火灾烟气运动场数值模拟方法的应用范围较为广泛。

在烟气排放、火灾烟雾控制、建筑物室内烟气运动和有害气体扩散等方面都有应用。

其中，火灾烟气运动场模拟应用最为广泛。

因为这种方法不仅可以有效地评估火灾风险，还可以在火灾爆发后快速预测烟气扩散范围、浓度和温度场分布等，有助于指导消防救援行动。

三、数值模拟方法的优势相对于传统试验方法，数值模拟方法具有如下优势：1.安全性高。

数值模拟方法不需要进行实验，在不危及人身安全的情况下，可以对各类情况进行模拟。

2.效率高。

数值模拟将一个复杂的运动系统离散化，计算分毫毕现，大大提高了运动学问题的求解效率。

3.经济性好。

使用数值模拟工具，可以少把资源花在人力、物力与时间的浪费上，减少成本的投入。

4.结果精度高。

在数字模型的前提下，减少测试人员对结果产生的任何可能的主观干扰。

四、总结火灾烟气运动场模拟方法已经广泛应用到消防领域中，有助于提高消防救援行动的效率。

然而，数值模拟模型是否可靠是使用数值模拟重要的前提。

我们不应仅一味追求模型的复杂性，更需要考虑真实情况与目标结果之间的平衡。

只有在保证可靠性的前提下，才能更好地开展数字模型的应用工作。

高层建筑火灾数值仿真高层建筑火灾数值仿真是怎样的？有什么特点？请看本店铺编辑的文章。

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,i ρs0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。