性能化防火設(shè)計(jì)

火災(zāi)的發(fā)展過程固體燃燒兩個(gè)主要的過程材料被加熱到蒸發(fā)溫度、氣化（熱解過程

pyrolysis）與空氣混合，發(fā)生放熱反應(yīng)

（燃燒過程

combustion）燃燒火焰蔓延，燃燒面積擴(kuò)大氧氣消耗、低于21%一氧化碳（Carbon

Monoxide）、（Carbon

Dioxide）HCN、水蒸氣等不完全燃燒產(chǎn)物—>soot熱解

燃燒過程燃燒產(chǎn)物燃燒氣體

發(fā)光熱解氣體焦炭燃燒產(chǎn)物水蒸氣熱解陰燃有焰燃燒預(yù)熱火災(zāi)發(fā)展過程浮力作用上升（buoyancy）卷吸新鮮空氣（entrainment）產(chǎn)生煙氣羽流（plume）到達(dá)頂棚 產(chǎn)生頂棚射流（ceiling

jet）形成熱煙氣層（hot

layer）火災(zāi)中的熱量火災(zāi)中熱量通過以下三種方式傳到整個(gè)房間熱量被熱煙氣（例如煙氣羽流）攜帶

>對(duì)流

convection.熱量通過材料被傳走—>熱傳導(dǎo)conduction熱量在空間中傳遞

>

輻射

radiation從火源到空氣、壁面從熱煙氣層到固體表面

—>

二次點(diǎn)火（例如熱煙氣—壁面）火災(zāi)模擬與性能化%!

(t

alarm)#&(t

hazd)RSETASETt

regt

pre$"t

move火及高溫?zé)煔鈱?duì)人的作用與 的直接接觸通常不由火災(zāi)模型由上層熱煙氣層的輻射°CK火及高溫?zé)煔鈱?duì)人的作用與熱煙氣的直接接觸低于頭部高度吸入導(dǎo)致的外部皮膚接觸的上層煙氣層溫度大于等于100°C(373°K）吸入毒氣Carbon

Monoxide

大于3,000ppm

或者體積百分比>3%30分鐘致死其他缺氧氧濃度低于10%火及高溫?zé)煔鈱?duì)人的作用煙氣的阻擋作用頭部附近的光學(xué)密度大于等于(0.65

dB/m)（不熟悉）頭部附近的光學(xué)密度大于等于(2.0

dB/m)(熟悉)煙氣粒子濃度

g/m^3通常用

能見度

visibility

表示不能小于10米

（大空間）不能小于5米

（其他）火災(zāi)的研究方法統(tǒng)計(jì)方法確定性規(guī)律全尺寸實(shí)驗(yàn)縮尺實(shí)驗(yàn)（相似性）計(jì)算機(jī)模擬雙重性隨機(jī)性和確定性隨機(jī)性

>概率模型

（不做重點(diǎn)

）火災(zāi)在何時(shí)何處發(fā)生等是不確定的要受到多種因素的影響但也遵守一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。確定性—>決定性模型如果在某一特定場(chǎng)合下發(fā)生的火災(zāi)會(huì)按基本確定的過程發(fā)展火災(zāi)燃燒火煙流動(dòng)等都遵循確定的流體流動(dòng)傳熱傳質(zhì)物質(zhì)守恒等規(guī)律火災(zāi)模擬從類型分概率模型確定性模型復(fù)雜度一個(gè)方程—>幾十萬個(gè)方程組火災(zāi)類型穩(wěn)態(tài)火準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)火瞬態(tài)火火災(zāi)后模擬事故重現(xiàn)災(zāi)前模擬設(shè)計(jì)分析火災(zāi)過程中火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)(非常少)傳熱結(jié)構(gòu)響應(yīng)探測(cè)響應(yīng)

噴淋動(dòng)作

水力學(xué)模型…區(qū)域模型火災(zāi)模擬特有場(chǎng)模型在火災(zāi)模擬領(lǐng)域也被叫做“場(chǎng)模擬”許多通用計(jì)算流體力學(xué)

被用于煙氣羽流向煙氣層輸送質(zhì)量和熱量羽流卷吸的大量空氣是煙氣的主要來源分類軸對(duì)稱羽流（非受限羽流）壁面羽流墻角羽流門頭羽流窗戶羽流煙氣羽流（Plume）FlameEntrainedflow

FlowprofileZZ0T0u0L煙氣羽流（Plume）煙氣羽流火焰高度計(jì)算FlameEntrainedflow

FlowprofileZLL

C

>1.02D=

AQg2/5"A

C

15.6?cpT?g:2

(Hc/

r

)

3#

1

/

5L

1.02D0.235Qg

2/5Hc/r

約2900-3200A

約2.4-2.226煙氣羽流火焰高度單位面積熱1.5米直徑速率為500kw/m2計(jì)算火焰高度:頂棚射流(Ceiling

Jet

Flows)開敞空間的頂棚射流頂棚射流最高溫度計(jì)算假定頂棚為水平的頂棚距離地面高度為H其最高溫度

(Qc

=

0.7Q)r>0.18H

范圍內(nèi)r<0.18H

范圍內(nèi)

2

/

3cQ/

r5.38HTmax

Ta

!maxaH

5

/

3T

T

c

16.9Q!

2

/

3頂棚射流布r<=0.15H

范圍內(nèi)R>0.15H

范圍m1/

3

H

u

0.96

Q!c

r5

/

6um

0.195

c

Q!1/

3

H

1/

2

請(qǐng)估算10米高的頂棚，在1Mw火源的作用下，火源中心和r=5m處，溫升,最大速度最高速T

>

T?

C

16.9

(1000)

度分2/3105/3C

16.9(100)46.42!

T

C

36.4

üC區(qū)域模型將封閉空間分為幾個(gè)區(qū)域（通常為兩個(gè)區(qū)域）上層煙氣層下層冷空氣層區(qū)域模型的基本假定均勻

良好混合層與層之間的混合不強(qiáng)上層煙氣層不發(fā)生燃燒空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

規(guī)則為簡(jiǎn)單易用

快速計(jì)算犧牲精度區(qū)域模型ASET

-

USBRI2

-

JapanCFAST

-USCFIRE-X

-

Germany/Norway

collaborationCiFi

-

FranceCOMPBURN

-

USCOMPF2

-USDSLAYV

-

Sweden(HARVARD

V)

-

USFISBA

-FranceMAGIC

-FranceNRCC

1

and

2

(a

component

of

FIRECAM)

-

CanadaRADISM

-UKRVENT

-

NorwaySfire-

Sweden區(qū)域模型（2007以后）模型最后更新說明機(jī)構(gòu)Aset(ASET-B）2007單室火災(zāi)填充模型NISTDSLAYV2007單室火災(zāi)填充模型瑞典國防FMD2007用于中庭火災(zāi)UMDCFAST2013多室火災(zāi)NIST區(qū)域模型主要輸入輸出輸入?yún)?shù)熱損失系數(shù)地面燃料高度火災(zāi)

性輸出結(jié)果煙氣層溫度、高度組分濃度羽流溫度、速度探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)頂棚高度地面面積熱 速率頂棚射流溫度通過開口的質(zhì)量速率探測(cè)?和噴淋響應(yīng)時(shí)間CFAST用于模擬用戶自定義火源的多室（27個(gè)）火災(zāi)煙氣流動(dòng)瞬態(tài)問題輸入?yún)?shù)多個(gè)房間的幾何尺寸門窗的等連接各個(gè)房間的開口情況壁面結(jié)構(gòu)的熱物性參數(shù)熱

速率輸出煙氣層厚度煙氣層溫度燃燒產(chǎn)物濃度探測(cè)?動(dòng)作時(shí)間流動(dòng)的類型流動(dòng)的類型水平流動(dòng)(門,窗,...)垂直流動(dòng)(上下層之間的連接)強(qiáng)制流動(dòng)(機(jī)械排煙)熱傳導(dǎo)壁面一維熱傳導(dǎo)熱損失最多三層材料火焰輻射到上層煙氣層、不考慮房間之間的輻射換熱區(qū)域模型的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單、易用短時(shí)間得到多個(gè)場(chǎng)景的結(jié)果有利于設(shè)計(jì)工作火災(zāi)中大多數(shù)的是在非著火房間由于煙氣擴(kuò)散導(dǎo)致實(shí)時(shí)（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）計(jì)算區(qū)域模型的不足火源模型并沒有模擬火本身HRR不會(huì)隨房間內(nèi)的條件而變化不能考慮由于新的可燃物被引燃導(dǎo)致的HRR

增加（被低估）(例外H

d

BR

NZFIRE

t

)靠近火源房間計(jì)算不準(zhǔn)確（為什么?）計(jì)算流體力學(xué)模型求解大量守恒方程組Navier-Stokes方程場(chǎng)方程問題…燃燒的時(shí)間尺度10^-3–10^-6

s燃燒的尺度小至10^-6

m計(jì)算域數(shù)十米甚至數(shù)百米時(shí)間尺度數(shù)十分鐘-數(shù)小時(shí)計(jì)算資源仍然十分不足火源特征熱源

vs

火源火羽流高度、溫度等參數(shù)Backdraft

Simulation?；窋U(kuò)散表面張力作用下液滴-油膜相互作用機(jī)理36t=100mst=250mst=620ms2*Tesla

C20752*489核GPU12

Core

XEON96G內(nèi)存液滴碰撞37From

- Chen,

Xi-shi

Wang

International

Journalof

Heat

and

Mass

Transfer

54

(2011)

4143–4147Smooth

surfaceSmooth

surface多孔介質(zhì)38上圖引自：X.Frank,P.Perre.Spreading

on

a

porous

surface:A

lattice

Boltzmann

study.PHYSICS

OF

FLUIDS

2012,24,042101MPI+CFSGPU+TartakovskyCBNR

substance

absorptionNumericalysis

of

Wave

OvertopFailure

of

Booms

with

SPH液固耦合豎直向下0°傾斜

45°傾斜 -45°Flood

in

real

terrain火災(zāi)的流體力學(xué)模擬

場(chǎng)模型模型名稱機(jī)構(gòu)應(yīng)用及特征BF3DNIST（

）單室FDSNIST（

）多室火災(zāi)與煙氣蔓延FLOW-3DHarwell

Laboratory（英國）通用的計(jì)算流體力學(xué)程序ASMINEFire

ResearchStation（英國）分析煙氣流動(dòng)ELEONFIRE

E-3DNTH/SINTEF（挪威）單室池火火災(zāi)發(fā)展模型ELEONTH/SINTEF（挪威）多室火災(zāi)與煙氣蔓延KOBRA-3DIN

LEX（德國）3維火災(zāi)模型，確定單室內(nèi)的水力流動(dòng)PHOENICSCHAM,

（英國）通用的3

穩(wěn)態(tài)流體力學(xué)程序RMFIRENRCC（

）進(jìn)行房間火煙氣流動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算SPLASHSouth

Bank

Polytechnic（英國）水噴淋與火災(zāi)氣體相互影響的準(zhǔn)場(chǎng)模型STAR*CDComputational

Dynamics（英國）通用的計(jì)算流體力學(xué)程序基礎(chǔ)知識(shí)介紹FDS

?Fire

Dynamic

Simulator

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬?A

computational

fluid

dynamics

(CFD)

model

of

fire-drivenfluid

flow.

The

software

solves

numerically

a

form

of

theNavier-Stokes

equations

appropriate

for

low-speed,thermally-driven

flow,

with

an

emphasis

on

smoke

and

heattransport

from

fires.流體力學(xué)模型低速流動(dòng)煙氣和熱量的輸運(yùn)能模擬什么？？火災(zāi)生成的熱量和其他燃燒產(chǎn)物的低速輸運(yùn)過程氣體與固體壁面間的熱傳導(dǎo)（輻射和對(duì)流）熱解過程火焰（flame） 及火的蔓延噴淋 熱感探測(cè)?

煙感探測(cè)?的動(dòng)作和作用水噴淋中水的噴灑運(yùn)動(dòng)及其與火的相互作用輸出？氣體溫度氣體速度氣體組分濃度(水蒸氣,CO CO,

N

)煙濃度及可見度估算壓?jiǎn)挝惑w積熱速率混合分?jǐn)?shù)氣體密度單位體積內(nèi)水滴質(zhì)量的基本應(yīng)用條件1.

低速流動(dòng)假定噴管高速流動(dòng)2.

矩形網(wǎng)格研究邊界的影響的基本應(yīng)用條件火災(zāi)增長模型給定熱

速率曲線

誤差10%-20%熱

速率增長曲線難以獲得真實(shí)材料的各種參數(shù)燃燒 輻射