基于FDS的電纜火災(zāi)模擬

1、摘要：電纜一旦發(fā)生火災(zāi)，則火勢(shì)兇猛，蔓延迅速，在燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生大量的有害氣體，造成撲救困難。電纜燒壞后，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，損失嚴(yán)重，因此必須十分重視防范電纜火災(zāi)事故搜索。據(jù)相關(guān)資料表明，火災(zāi)發(fā)生后，造成人員大量傷亡的原因是由于煙氣擴(kuò)散，導(dǎo)致人員窒息中毒身亡。本文基于FDS，模擬房間內(nèi)電纜起火之后煙氣情況以及熱釋放速率情況。關(guān)鍵字：FDS；電纜；火災(zāi)Abstract ：Once a fire, the fire, the fire spread quickly, in the burning of a large number of harmful gases, causing difficulties

2、 in fighting. The cable burned, repair time is long, serious losses, so we must attach great importance to preventing cable fire accident search. According to relevant information, after the fire, causing a large number of casualties is due to the proliferation of smoke, resulting in the death of pe

3、rsonnel poisoning. In this paper, based on the FDS, the smoke and heat release rate of the cable after fire in the room is simulated.Key words: FDS; cable; fire第一章 概述電纜通常是由幾根或幾組導(dǎo)線（每組至少兩根）絞合而成的類似繩索的電纜，每組導(dǎo)線之間相互絕緣，并常圍繞著一根中心扭成，整個(gè)外面包有高度絕緣的覆蓋層。電纜具有內(nèi)通電，外絕緣的特征。2015年7月12日，武漢市漢陽(yáng)區(qū)政府應(yīng)急辦召開(kāi)發(fā)布會(huì)，據(jù)該區(qū)應(yīng)急辦副主任張風(fēng)介紹，11日晚間

4、發(fā)生在漢陽(yáng)區(qū)“紫荊嘉苑”小區(qū)電纜井火災(zāi)事故造成7人遇難，12人受傷。 電線電纜引發(fā)火災(zāi)的原因，主要是因?yàn)檫^(guò)負(fù)荷、短路、接觸電阻過(guò)大及外部熱源作用。在短路、局部過(guò)熱等故障狀態(tài)及外熱作用下，絕緣材料絕緣電阻下降、失去絕緣能力，甚至燃燒，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)?；馂?zāi)中電線電纜的主要特性有：（1）火災(zāi)溫度一般在8001000，在火災(zāi)情況下，導(dǎo)線電纜會(huì)很快失去絕緣能力，進(jìn)而引發(fā)短路等次生電氣事故，造成更大的損失；（2）導(dǎo)線電纜在規(guī)定的允許載流量下有較大的過(guò)載能力；（3）短路狀態(tài)下，導(dǎo)線電纜會(huì)在瞬間引起絕緣材料熔化、燃燒，并引燃周圍可燃物。 電線電纜根據(jù)其本身具有的燃燒特性，可分為普通電線電纜、阻燃電線電纜、耐火電

5、線電纜、無(wú)鹵低煙電線電纜及。（1）阻燃電線電纜指難以著火并具有防止或延緩火焰蔓延能力的電線電纜。常用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)為GBT183803（等同于IEC60332-1999）；（2）耐火電線電纜指在規(guī)定溫度和時(shí)間的火焰燃燒下，仍能保持線路完整性的電線電纜。常用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)為GBT126666（等效于IEC60331-21-1999）；（3）無(wú)鹵低煙電線電纜分為阻燃型和阻燃耐火型兩種。阻燃型指材料不含鹵素，燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙塵較少并且具有阻止或延緩火焰蔓延的電線電纜。常用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)有GBT176502（等同于IEC60754-2）、GBT176512（等同于IEC61034-2）和GBT183803（等同于E

6、C60332-3）三項(xiàng)。阻燃耐火型在以上的基礎(chǔ)上還需滿足保持線路完整性的要求，同時(shí)常用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)增加了GBT12666.6(等效與IE60331)；（4）礦物絕緣電纜在火焰中具有不燃和無(wú)煙無(wú)毒的性能，其本身不會(huì)因?yàn)槎搪范鸹馂?zāi)。常用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)除了GB/T12666.6之外，還應(yīng)針對(duì)火災(zāi)實(shí)際情況，參照英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電纜的試驗(yàn)有抗噴淋水和抗機(jī)械撞擊（重物墜落）能力的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，可以參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)額定電壓750V及一下礦物絕緣電纜及終端（GB13033-1991）。第二章 FDS的基本理論知識(shí)FDS概述FDS（Fire Dynamics simulator）是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象

7、的計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）開(kāi)發(fā)。該軟件具有觀察界面友好、可視性強(qiáng)、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以得到物理量比較詳細(xì)的時(shí)間分布及空間分布，能精細(xì)模擬火災(zāi)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和運(yùn)算時(shí)間均可根據(jù)所研究對(duì)象的實(shí)際需求調(diào)節(jié)，隨著高速、大容量計(jì)算機(jī)的發(fā)展，F(xiàn)DS也得到了更廣泛的應(yīng)用，常用該軟件對(duì)火災(zāi)進(jìn)行研究，模擬再現(xiàn)火災(zāi)過(guò)程1。FDS以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中煙氣開(kāi)放和熱傳遞過(guò)程。FDS旨在解決消防工程中的實(shí)際問(wèn)題，也可為火災(zāi)科學(xué)的理論研究作指導(dǎo)2。FDS模擬可以得到一系列有關(guān)煙霧、溫度、毒氣等相關(guān)參數(shù)，在對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證一旦發(fā)生火災(zāi)，其煙霧

8、保持在一定高度之上，毒氣的濃度在一定范圍內(nèi)，從而不會(huì)威脅到疏散人員的安全。FDS火災(zāi)模擬軟件包含F(xiàn)DS和Smoke View兩部分3：1FDS是軟件的主體部分，主要用于完成模擬場(chǎng)景的構(gòu)建和計(jì)算。FDS可以模擬：火災(zāi)驅(qū)動(dòng)的傳熱溫度分布、毒氣濃度、煙氣流動(dòng)熱輻射和對(duì)流噴淋、探測(cè)裝置的火災(zāi)響應(yīng)2Smoke View是一個(gè)可視化程序，是FDS計(jì)算結(jié)果顯示程序，它既能處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)也能顯示靜態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以二維或三維形勢(shì)顯現(xiàn)4。 PyroSim活在模擬軟件簡(jiǎn)介 Thunderhead Engineering PyroSim 是一款用于消防模擬的軟件，適用于FDS version 5和SMV(Smok

9、eview)。PyroSim的圖形用戶界面可以作為消防動(dòng)態(tài)仿真器(FDS)。PyroSim被用來(lái)建立消防模擬，并對(duì)火災(zāi)中煙氣的運(yùn)動(dòng)、溫度和毒氣濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析。PyroSim的主要功能包括：1.編輯幾何使用平面圖，傾斜的墻壁，以及其他強(qiáng)大的工具；2.綜合FDS和Smokeview執(zhí)行；3.全面支持64位操作系統(tǒng)；4.運(yùn)行多CPU模擬單一點(diǎn)擊；5.導(dǎo)入現(xiàn)有FDS4和FDS5模型。；6.轉(zhuǎn)換FDS4輸入文件FDS5；7.導(dǎo)入AutoCAD的DXF模型直接或作為背景圖像。PyroSim是設(shè)計(jì)運(yùn)行于微軟視窗操作系統(tǒng)。PyroSim火災(zāi)模擬軟件最大的特點(diǎn)是提供了三維圖形化前處理和可視化編輯的功能，能

10、夠邊編輯邊查看所建模型，把用戶從以前FDS建模的枯燥復(fù)雜的命令行中解放了出來(lái)。圖1為它的模塊組成結(jié)構(gòu)。第三章 電纜火災(zāi)數(shù)值模擬模型建立步驟實(shí)際的火災(zāi)發(fā)生和燃燒過(guò)程比較復(fù)雜，由于現(xiàn)有的計(jì)算方法及條件有限，必須進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。因此，進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化建模。相鄰兩個(gè)房間A和B用開(kāi)關(guān)門連接，在火災(zāi)發(fā)生情況下，開(kāi)始在A房間開(kāi)關(guān)柜。這兩個(gè)房間內(nèi)包括開(kāi)關(guān)柜，電纜橋架，供水管道，通風(fēng)口和煙霧探測(cè)器。模型如圖2所示。圖2 整體房間模型 由于有兩個(gè)房間，房間A和房間B，因此，將使用兩個(gè)網(wǎng)格。在A房間（左邊的房間）的單元尺寸約0.5英尺（0.154米），距離B房間約1英尺（0.3048米）。一般使單元格的個(gè)數(shù)是2、3和

11、5的倍數(shù)，這樣使解決方案更優(yōu)化。A房間的網(wǎng)格尺寸以及單元格如圖3所示，B房間的網(wǎng)格尺寸以及單元格如圖3所示。圖3 房間A的網(wǎng)格尺寸及單元格圖4房間B的網(wǎng)格尺寸及單元格 由于這兩個(gè)房間內(nèi)包括開(kāi)關(guān)柜，電纜橋架，供水管道，通風(fēng)口和煙霧探測(cè)器，所以定義材料類型時(shí)需要包括混凝土、鋼、熱塑材料。由于PyroSim數(shù)據(jù)庫(kù)中包含一些材料，所以無(wú)需自己定義材料，只需要將這些材料從菜單中的Libraries中的Materials中導(dǎo)入concrete和steel，即混凝土和鋼鐵材料；但是由于數(shù)據(jù)庫(kù)中不包含熱塑材料，所以需要自己新建這個(gè)材料，并定義其屬性。新建的熱塑材料的密度為1380kg/m3，比熱為1.289k

12、J/kg-K，導(dǎo)電性為0.192W/m-K。這樣就定義好了所要用到的所有材料。 需要定義四周的墻，在model中新建一個(gè)surface，由于墻是現(xiàn)實(shí)生活可見(jiàn)存在的，所以在選擇surface type中選擇Layered，墻的厚度選取為2.0ft，材料選為100%的concrete。還需要在開(kāi)關(guān)柜建立金屬薄片，金屬薄片的厚度為0.0042ft，組成材料選取100%的steel。創(chuàng)建電纜這個(gè)表面，因?yàn)殡娎|也是在現(xiàn)實(shí)生活中存在的，所以電纜的surface type選為L(zhǎng)ayered，其厚度定義為0.125ft，組成成分為100%的電纜，并將其設(shè)置為絕緣的，在cable中的properties，點(diǎn)擊R

13、eaction，設(shè)置其屬性點(diǎn)燃溫度為250，如圖5。圖5 電纜屬性 3.2 幾何模型 現(xiàn)在，我們將使用幾個(gè)對(duì)話框，并創(chuàng)建集合繪制的一些墻壁。該模型將包括兩個(gè)房間之間的分隔墻，起屬性為混凝土。首先將尺寸切換到英制。接下來(lái)，創(chuàng)建墻壁和門。新建一個(gè)組，New Group，將其建立在Model下，并命名為Wall。同理，新建一個(gè)隔離墻，New Obstruction，將其建立在wall下，并命名為Dividing wall，其尺寸如圖6，在surface面板上，選擇concrete wall。圖6 隔離墻尺寸 接下來(lái)定義一個(gè)兩個(gè)房間之間的門，對(duì)于這個(gè)門，我們將規(guī)定在著火5分鐘之后將門打開(kāi)。首先，新建一

14、個(gè)Hole，命名為door，將其建立在wall中，門的位置及尺寸如圖7所示。在General中設(shè)定開(kāi)門的響應(yīng)，即著火5分鐘之后將門打開(kāi)，首先在activation中新建一個(gè)activation，命名為open door，在input type類型里選擇time，并在create/activate文本窗口中，點(diǎn)擊TBEGIN進(jìn)行改變，在彈出的文本框中，輸入300.0s。圖7 門的位置及尺寸 接下來(lái)在客房B上增加一個(gè)大門，希望這門在大火開(kāi)始后即300s后關(guān)閉。在默認(rèn)情況下，F(xiàn)DS假定網(wǎng)格的邊界是封閉的，要定義邊界上的一個(gè)門，首先在網(wǎng)格邊界上創(chuàng)建一個(gè)開(kāi)口。在wall的group下新建一個(gè)vent命名

15、為entrance door，表面選取為open，在geometry選項(xiàng)卡上，選擇plane Y=28.5，min x為20.0，max x為26.0，min z為0.0，max z為8.0，單擊保存。定義大門堵塞，在wall的group中建立一個(gè)新的obstruction，將其命名為entrance door blockage，其尺寸及位置如圖8所示。在surface的single中選擇concrete wall。在activation中新建一個(gè)設(shè)備，名稱為entrance blockage，在input type中選擇time類型，對(duì)于，action to perform，選擇remove

16、/deactivate，在文本窗口中，點(diǎn)擊TBEGIN改變時(shí)間，在彈出框中，輸入300.0s，并保存。這種控制在300.0s將刪除阻塞，也就是將門打開(kāi)。圖8阻塞門位置及尺寸 再定義開(kāi)關(guān)柜，首先，在新建立一個(gè)Group為switch gear，在描繪開(kāi)關(guān)柜的時(shí)候，用2Dview，點(diǎn)擊snap to sketch grid，the sketch grid允許指定一個(gè)網(wǎng)格間距，是創(chuàng)建獨(dú)立網(wǎng)格有用的解決方案。在set sketch grid spacing的snap spacing窗口中，輸入0.5。使用pan view工具拖動(dòng)模式，使隔離墻在窗口的右側(cè)。接下來(lái)繪制柜體，在窗口左邊，單擊draw an

17、 obstruction tool ，并用tool properties設(shè)置屬性，屬性如下，min z為0.0，max z為8.0，在surface prop中選擇sheet metal，在list列表中選擇switch gear。單擊select and manipulate objects tool，雙擊cabinet編輯其屬性，在description中輸入cabinet1，位置如圖9所示。接下來(lái)復(fù)制其他三個(gè)柜體，現(xiàn)在translate objects tool工具，并點(diǎn)擊cabinet1，向上拖動(dòng)創(chuàng)建第二個(gè)柜體，將其命名為cabinet2，其尺寸為圖10?，F(xiàn)在同時(shí)選住cabinet1和

18、cabinet2，右鍵單擊cabinet，選擇copy/move，選擇copy，并在number of copies中輸入1，設(shè)置為繞x軸旋轉(zhuǎn)，即設(shè)置offset為x型，輸入30.5，更改名稱為cabinet3和cabinet4。圖9 柜體1位置圖10 柜體2尺寸 繼續(xù)設(shè)置電纜組，在model下新建一個(gè)group，命名為cables。然后繪制電纜。在工具欄中選擇draw an obstruction工具，并電鋸tool properties設(shè)置工具的屬性，min z為8.5，max z為9.0，在surface prop列表中選擇cable。接下來(lái)繪制電纜，在cable上輸入名稱為cable

19、A，電纜A的尺寸如圖11所示。圖11 電纜A的尺寸 通過(guò)復(fù)制電纜A得到電纜B，右鍵單擊cable A并單擊number of copies，點(diǎn)擊copy，在number of copies中輸入1，設(shè)置offset為Y=14.5，并更改名字為cable B。繪制電纜C和D也相似的，首先點(diǎn)擊draw an obstruction，設(shè)置其屬性為，min z為9.5，max z為10.0，在surface prop的列表中選擇cable，將其命名為cable C，電纜C的尺寸如圖12所示。復(fù)制電纜D，右鍵單擊cable C，點(diǎn)擊copy/move，選擇copy，在number of copies中輸

20、入1，在offset中設(shè)置x的值為-4.0，并將其名稱改為cable D。復(fù)制電纜E，右鍵單擊cable D，點(diǎn)擊copy/move，選擇copy，在number of copies中輸入1，在offset中設(shè)置x為-4.0，將其名稱改為cable E。圖12 電纜C的尺寸 每個(gè)房間都有通風(fēng)口，通風(fēng)口的通風(fēng)系統(tǒng)模型組件假設(shè)它來(lái)提供空氣和進(jìn)入房間內(nèi)并返回在墻壁上。首先在model下創(chuàng)建一個(gè)group將其命名為vents。需要通過(guò)三步來(lái)定義通風(fēng)口。首先，創(chuàng)建一個(gè)表面，定義邊界條件；然后創(chuàng)建阻塞，最后，通風(fēng)（通風(fēng)表面）。對(duì)于定義的通風(fēng)口，需要定義一個(gè)流量，通風(fēng)后并返回通風(fēng)口，這確保了在房間內(nèi)的空氣壓

21、力是沒(méi)有任何工供需之間的差異影響和回流率的影響。首先要?jiǎng)?chuàng)建表面表示送風(fēng)，在model菜單上，單擊edit surfaces，新建一個(gè)表面，將其命名為supply vent，表面類型選擇supply。再定義通風(fēng)口的屬性，在air flow的選項(xiàng)中，點(diǎn)擊specify velocity，輸入值為8.33ft/s。在定義回風(fēng)口，在vents下新建一個(gè)通風(fēng)口，將其命名為return vent B。在surface列表中選擇它的表面為open，在幾何面板上將Y的值設(shè)定為0.0，min x為13.0，max x為15.0，min z為11.0，max z為13.0。然后通過(guò)復(fù)制創(chuàng)建第二個(gè)回風(fēng)口，右鍵單擊r

22、eturn vent B，選擇copy/move，選擇copy，在number of copies中輸入1，將offset中x的值設(shè)置為30.5，并將其名稱改為return vent A。 創(chuàng)建供應(yīng)導(dǎo)管室B，點(diǎn)擊new obstruction，命名為supply duct，設(shè)置group為vent，邊界條件為：min x為1.0，max x為18.0，min y為23.5，max y為25.5，min z為11.0，max z為13.0。在導(dǎo)管室B增加通風(fēng)口，新建一個(gè)vent，命名為supply vent B，在group列表中選擇vents，在幾何面板上，lies in the plane中

23、將y的值設(shè)置為23.49，其他屬性值為：min x為11.0，max x為13.0，min z為11.0，max z為13.0。同理，在房間A創(chuàng)建通風(fēng)口，surface類型選擇為supply vent，在幾何面板上，lies in the plane 中將y的值設(shè)置為28.5，其他屬性值為：min x為34.5，max x為36.0，min z為11.0，max z為13.0。 現(xiàn)在定義火源，假設(shè)，火剛開(kāi)始在A房間的開(kāi)關(guān)柜。通過(guò)機(jī)柜側(cè)面的排氣孔將熱釋放到房間B。首先，定義一個(gè)火源。新建一個(gè)group，將其建立在model下，將這個(gè)group命名為fire。創(chuàng)建一個(gè)表面定義熱釋放速率，然后火將連

24、接到開(kāi)關(guān)柜的頂部，用到的單位是SI。在view菜單中，單擊units，選擇SI。新建一個(gè)表面，將其命名為fire，選擇表面類型為burner。接下來(lái)定義火源屬性，在heat release rate中輸入3000.0KW/m2。在ramp-up time列表中，選擇T2，并輸入值為60s，這是火超過(guò)60s的峰值。將來(lái)將單位定位為English。添加防火內(nèi)閣，新建一個(gè)vent，名稱為fire，在group列表中選擇fire，其表面也選擇為fire，在幾何面板中，lies in the plane列表中將x的值設(shè)置為50.51，這個(gè)地方只是勉強(qiáng)可視為內(nèi)閣之外，但是它會(huì)被返回到確切的網(wǎng)格坐標(biāo)中。在大

25、多數(shù)情況下，輕微的偏移不會(huì)造成任何問(wèn)題，因?yàn)橥L(fēng)口和防火內(nèi)閣將被移動(dòng)到相同的網(wǎng)格坐標(biāo)，但是，如果轉(zhuǎn)移到不同的網(wǎng)格坐標(biāo)，將會(huì)發(fā)生一些問(wèn)題。fire的其他屬性為:min x為20.0，max x為23.0，min z為6.5，max z為7.5。 每個(gè)房間都需要煙霧探測(cè)器。在分析中，煙霧探測(cè)器將輸出數(shù)據(jù)，但不會(huì)激活模型中的任何功能。接下來(lái)創(chuàng)建煙霧探測(cè)器，首先在B房間中，在devices菜單中，新建一個(gè)new smoke detector，井其命名為room B，其位置為14.0，10.0和19.75。再在A房間中創(chuàng)建一個(gè)煙霧探測(cè)器，同理，新建一個(gè)new smoke detector，將其命名為ro

26、om A，其位置為44.5，10.0和19.75。 還有一些后處理控制，將定義一個(gè)層。添加一個(gè)層，在device菜單上點(diǎn)擊new layer zoning device，將其命名為layer room A，房間A、B的層數(shù)據(jù)如圖13、14所示。圖13 房間A層數(shù)據(jù)圖14 房間B數(shù)據(jù) 建立一個(gè)切片平面，可用于顯示煙霧情況和溫度情況。單擊show slice工具，在output的菜單上，單擊slices，建立切片平面，其屬性值如圖15所示。選擇觀察物體的表面溫度，在output菜單上，點(diǎn)擊boundary quantities，選擇wall temperature。圖15 切片平面數(shù)據(jù) 建立等值面

27、，等值面是3D繪圖顯示數(shù)量的表面上有一個(gè)指定的值，我們將在在等值面上保存溫度的數(shù)據(jù)，這是一個(gè)方式來(lái)定義一個(gè)熱氣體的位置層。在output菜單上，點(diǎn)擊Isosurface，單擊temperature文本框，在contour values列表中，輸入50，100，150，200，250，等高值分隔空間，如圖16所示。圖16 溫度等值面 最后設(shè)置仿真參數(shù)，在FDS面板中，點(diǎn)擊simulation parameters，在simulation title 中，輸入switch gear fire，結(jié)束時(shí)間為100s即在end time中輸入100s。在simulation parameter框中，點(diǎn)擊Misc.在default surface type列表中選擇concrete wall，保存參數(shù)。第四章 結(jié)果分析 圖16展示了著火后的情況。圖16 房間著火狀態(tài)燃燒后的煙霧密度如圖17所示。圖17 煙霧密度 氣溫輪廓圖像如圖18所示。圖18 氣溫輪廓圖像 在FDS菜單上點(diǎn)擊plot time h