FDS模拟火灾的实验研究

科学技术

2010．7 75

FDS 模拟火灾的实验研究

于慧鸣

鞍山市消防支队 辽宁 鞍山 114000

【摘 要】本文使用FDS 火灾模型模拟火灾，分析建筑内发生火灾时，可燃物的数量对于烟气层高度、温度和能见距离的影响情况，得出危险指标与各影响因素之间的关系。

【关键词】烟气层高度 能见距离 FDS 火灾模型

一、绪论

由于当烟气层高于人眼特征高度（人眼的特征高度通常为1.3～1.8 m，我们取1.5 m），烟气层温度达到180 ℃时，则其产生的热辐射就会对人体造成不可恢复的烧伤；当烟气层高度低于人眼特征高度，烟气层温度达到115 ℃时，就会对人体构成危险。本文使用FDS 火灾模型模拟火灾，分析建筑内发生火灾时，可燃物的种类和数量等因素对于烟气层高度、温度和能见距离的影响，得出危险指标与各影响因素之间的关系。

二、利用FDS 模拟火灾

1、FDS 火灾模型简介

FDS 火灾模型包括两大部分。第一部分简称FDS4，是求解微分方程的主程序，需要用户创建文本来描述火灾场景；第二部分称SMOKEVIEW，可以直观的查看计算结果。FDS 的输入文件分成三部分：第一部分为几何参数和网格的设置；第二部分为有关燃烧过程的设置，如燃烧时间、火源功率、通风口的设置等；第三部分为输出数据的设置，如某点或某个面上的温度、密度、混合组分在火灾过程中随时间的变化情况等。

2、FDS 模拟火灾 （1）参数设定

为了准确地求解火灾的相关问题，设置基本参数如下：

①设置烟的减光系数与能见距离之积C=1（系统默认值为3）。对于发光物质来说C=8，对于反光物质来说C=3，但在性能化评估中为保守起见通常取C=1，因此，本文取C=1。

②室内温度为20 ℃；

（2）火灾模拟

图2.1 模拟火灾基本模型

如图2.1所示模拟火灾的基本模型，建立两间尺寸均为4.0 m×4.0 m×4.0 m 房间，本文以房间1作为分析对象，设置床为火源且热释放速率稳定。

在本文中，由于主要分析可燃物数量等因素对临界危险指标的影响情况，因此，如表2.1中给出了三种火灾模拟方案进行火灾模拟。

表2.1 摸拟火灾方案

方 案 热释放速率/Kw 窗口面积/m2 可燃物 方案1 方案2 方案3 1656 2208 2760 3.00 3.00 3.00 木材 木材 木材 说明：方案1.1～1.3为改变可燃物数量；方案2.1～2.3为改变可燃物种类。

表2.1所列方案中，选取可燃物的单位面积的热释放速率为300

Kw/㎡、

400 Kw/㎡和500 Kw/㎡三种情况来表示可燃物数量的改变，因为床为火源，其与空气接触的面积为5.52 ㎡，所以可燃物的热释放速率分别为1656 Kw、2208 Kw 和2760 Kw。

在FDS 火灾模型输入文本中输入相关参数，同时输入需要分析的数据：烟气层高度、温度和能见距离等，在DOS 模拟窗口下，运行FDS 进行运算。由于运行FDS 耗费计算机资源较大，在模拟火灾发生30s 左右，所有危险指标均已达到稳定状态，因此，为节省运算

时间，本文火灾模拟时间取t=50s。

（3）网格尺寸的确定

对于划分网格比较粗略的模型，则计算结果不精确；若网格过密，则FDS 运行时间过长，因此为使计算结果精确同时又节省运算时间，

本文通过确定火灾直径D *

来确定计算网格单元的尺寸

*D =

（2.1）

式中：D *是火灾直径，m；Q 是热释放速率，Kw；ρ∞是空气密度，Kg/m 3

；Cp 是空气的比热，J/（Kg·℃）

；T∞是空气的温度，℃；g 为重力加速度，m/s 2

。

在本文中，热释放速率共有三种情况即1656 Kw、2208 Kw 和2760 Kw.因此由式（2.1），分别计算三种情况的火灾直径如下：

*1

D m =

*2

D m =

*3D m =

由于火灾直径均在1.0 m 左右，因此，统一火灾直径取D*=1.0 m,由此确定网格尺寸为△x=△y=△z=0.1D*=0.1 m；

三、模拟结果分析

表2.1中具体给出了方案的设置参数，即设置床为火源，可燃物

为木材，窗户的开口面积为3.00 m 2

，可燃物的热释放速率分别为以下三种情况：

HRR1=1656 Kw；HRR2=2208 Kw；HRR3=2760 Kw。 1、改变可燃物数量对烟气层高度的影响

1.61.61.61.61.71.71.71.71.71.81.81.8l a y e r h e i g h t / m

H R R / K w

图3.1 改变可燃物数量对烟气层高度的影响

图3.1中各点给出了可燃物的热释放速率分别为1656 Kw、2208 Kw 和2760 Kw 的三种情况下模拟火灾的烟气扩散达到相对稳定状态以后（25～50 s）的平均烟气层高度值，分析得出：

（1）烟气层的高度随着可燃物热释放速率的升高即可燃物数量的增加而降低；

（2）可燃物的数量越多越不利于建筑物排烟。

如图3.2（a）和（b）直观的给出了模拟火灾的烟气扩散达到相对稳定以后（选取35 s 时）热燃烧速率分别为HRR1=1656 Kw；HRR3=2760 Kw 的情况下的烟气层状态：

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（a） 35 s 时HRR 1的烟气 （b） 35 s 时面积HRR 3

的烟气

图3.2 改变开口面积对烟气层的影响

2、 改变可燃物数量对温度的影响

图3.3 改变可燃物数量对温度的影响

图3.3中各点给出了可燃物的热释放速率分别为1656 Kw、2208 Kw 和2760 Kw 三种情况下模拟火灾的上、下层温度（h 1=3.5 m 和h 2=2.0 m 处）达到稳定状态以后（25～50 s）的平均温度值，分析得出：

（1）上、下层温度随着可燃物热释放速率的升高即可燃物数量的增加而升高；

（2）上、下层的温差随着可燃物热释放速率的升高而降低。 如图3.4（a）和（b）直观的给出了模拟火灾的温度变化达到相对稳定以后（选取35 s 时）热燃烧速率分别为HRR 1=1656 Kw；HRR 3

=2760 Kw 的情况下的h=2.0 m

处的温度状态：

（a） 35 s 时HRR 1的温度情况 （b） 35 s 时HRR 3的温度情况

图3.4 改变开口面积对温度的影响

3、改变可燃物数量对能见距离的影响

图3.5 改变可燃物数量对能见距离的影响

图3.5中各点给出了可燃物的热释放速率分别为1656 Kw、2208 Kw 和2760 Kw 三种情况下烟气扩散达到稳定状态以后（25～50 s）的平均能见距离（h=2.1 m 处），分析得出：

（1）能见距离随着可燃物热释放速率的增大即可燃物数量的减少而增大；

（2）可燃物数量越少越有利于火场中人员逃生。

四、结论

本文应用FDS 建立了火灾模拟的基本模型，在分别可燃物数量情况下，对烟气层高度、温度和能见距离等危险指标的影响情况进行分析，得出以下结论：

（1）烟气层的高度随着可燃物数量的减少的降低而升高； （2）温度随着可燃物数量的减少而降低；

（3）能见距离随着可燃物数量的减少而增大。 参考文献

[1] 公安部消防局. 中国消防年鉴[M]. 北京:中国人事出版社, 2004.

[2] 张吉光, 史自强, 崔红杜. 高层建筑和地下建筑通风与防排烟[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2005.

[3] 李引擎. 建筑防火性能化设计[M]. 北京:化学工业出版社, 2005.5.

[4] 公安部政治部编. 建筑防火设计原理[M]. 北京:中国人民公安大学出版社, 1997.

[5] fds_users_guide_4.

（上接第77页）

也可以在作业中采用RTK测量模式的优势，准确快速地建立图根控制点，在图根控制点上由全站仪配合电子手簿进行碎部点的数据采集。该法不像常规图根导线测量那么烦琐，受地形的限制，也不用支仪器设站，从而减少了因多次设站带来的测量累计误差，提高了全站仪碎部点采点的点位绝对精度，使地形测量方便快捷，大大提高了地形测量的工作效率。在地形图、地籍图等的测量应用中，均取得了很好的效果。

4、结论

4.1 RTK 技术操作简便，灵活方便，工作状态稳定。能快速、准确地测定图根点、碎部点的坐标和高程，实时提供精度可达厘米级经检核的三维坐标。与传统的测图方法相比，人员少，费用省，效率高。

4.2 基准站的选择对于RTK 测量非常重要，它将直接影响到流动站的施测精度和测量速度，应注意二者之间的“通视”。

4.3 应根据测区的实际情况选择合适的坐标转换参数求解方法，参与坐标转换的已知点应在3个以上，且分布要均匀，做到在满足精度要求的情况下，尽可能的减少外业的工作强度。

4.4在山区地形测量中，GPS一RTK技术可以替代全站仪进行图

根导线测量，所测范围内在不通视的条件下测定无累积误差的图根点，使测图所需图根点的数量在满足要求时，可多可少，机动灵活；而且移动点至基准点的距离可以很长（最好不要超过10 km）。

4.5在个别高大建筑物或建筑稠密地区，GPS出现盲区，初始化时间长或失锁，影响碎部测量速度，可采用RTK增补图根导线点，配合全站仪测量碎部点的方法，从而快速地完成野外作业，也可以大大提高外业测图的工作效率，进而达到缩短工期，节约成本的目的。

参考文献

[1] 孔祥元，梅是义；控制测量学（上,下）；武汉测绘科技大学出版社；1996年。

[2] 《城市测量规范》；CJJ 8-99；建设部颁布；1999年。 [3] GB 7931-87，1:500,1:1000,1:2000地形图航测摄影测量外业规范[S]。

[4] 徐绍铨，张华海，杨志强； GPS 测量原理及应用；武汉测绘科技大学出版社；1997年。

[5]武汉测绘科技大学测量平差教研室编著；测量平差基础；测绘出版社；1996年。