消防理论研究基于软件S M A R T F I R E下的火灾模拟研究张建文1,周 银2,3(1.北京化工大学经济管理学院,北京100029;2.北京理工大学,北京100081;3.成都市消防支队,四川成都610000) 摘 要:介绍了火灾模拟软件S M A R T F I R E的各个组成部分,就其实现模拟的具体步骤进行了阐述,并针对国内某地铁线路的典型双层岛式站台建立了模型,对某车厢着火的情况进行了数值模拟,获得了该火源状况下站台及着火车厢的烟气和温度场分布。
希望能通过将来更深入的应用,为消防部队和有关部门提供火灾预测,为灭火救援的方案制定提供技术依据。
关键词:火灾;数值模拟;计算流体力学;网格中图分类号:T K121,X924 文献标识码:A文章编号:1009-0029(2006)06-0729-041 引 言火灾给人类带来了巨大的生命和财产损失。
为减少火灾损失,人们需要了解火灾规律,事先预测火灾的发生和发展。
然而,火灾的发生和发展是个复杂的过程,且具有随机性。
实尺寸火灾实验将消耗大量资金,实验周期长,消耗人力物力多,有时无法进行。
运用计算机模拟建立数学模型进行模化计算,可以运用较少的资金在较短的时间内实现对火灾特性的研究。
计算机模拟是指利用计算机的计算、数据库、图形和图像等功能所进行的研究。
火灾过程的计算机模拟是多层次和多种类的,归纳起来可分为三个层次:一是专家系统,它是已有的各种经验公式与计算机相结合的产物;二是半经验半理论的模拟,是经验公式与体现基本规律的方程的有机结合,鉴于结合程度和方式的差异,这种模拟不存在一种规范的格式;三是场模拟。
在实际的火灾中,多个参数(如流速、温度、烟气含量、热流强度等)随着位置和时间而变化。
因此,为准确描述火灾过程,需要了解参数的空间分布(速度场、温度场和浓度场等)及其随时间的变化。
笔者以某地铁典型双层岛式站台为例建立了模型,应用S M A R T F I R E软件对其进行火灾模拟研究。
2 S M ARTF IRE软件简介S M A R T F I R E软件是由英国格林威治大学的防火安全工程学小组(FSEG)开发的。
FSEG是英国最大的基于研究火灾 疏散机理的小组,小组专门研究防火安全工程学,包括火、疏散、结构方面的所有内容。
2002年,加拿大交通部采用S M A R T F I R E软件成功模拟了1998年瑞士航空公司导致229人死亡的空难事件,从而使得S M A R T F I R E在欧洲名声大噪。
在国内,北京化工大学与北京市劳动保护科学研究所已经利用这个软件做了很多工作,如:广州地铁烟气扩散的数值模拟及人员疏散研究、北京奥运场馆性能化防火分析软件系统的实现等工程。
2.1 软件的主要功能与结构软件主要由三部分组成,包括情景设计系统、专家定义系统、CFD计算引擎。
各部分的主要功能分工,如图1所示。
图1 软件的主要功能与结构2.2 几何模型的建立在构建具体几何模型之前,首先需要拟订一个完整的计划,如图2所示。
可以通过输入坐标来直接确定模型的大小,也可以通过鼠标拖曳来改变大小。
物体的添加是通过[ob ject]命令来实现,它允许向计算区域添加物体或者改变目前已有的物体。
颜色代表物体的类型,如通风口为绿色、火源为红色、物体或隔断则为蓝色。
对于较复杂的多层几何建筑,只需在构建的单间或单层模型的基础上,直接执行克隆[C lone]命令来完成,如图3所示。
2.3 网格生成对流动与传热问题进行数值计算时,很重要的一步就是生成网格,即要对空间上连续的计算区域进行分割,将其划分成多个子域,并确定每个子域的节点。
由于工程中所遇到的流动与传热问题大多发生在复杂区域内,因而不规则区域内网格的生成是数值传热学和计算传热学中一个十分重要的研究领域。
流动与传热问题数值计算结果最终的精度及计算过程的效率,主要取决于所生成的网格和所采用的算法。
现有的各种生成网格的方法在一定的条件下各有其优缺点,各种求解流场的算法也各有其适应范围。
一个成功而高效的数值计算,只有在网格的生成及求解流场的算法之间有良好的匹配时才能实现。
从工程实用的要求来看,一个合适的网格生成技术应具有以下特点:(1)易于实现生成过程自动化;(2)有良好的图形人机对话的功能;(3)人工干预与所需CPU 运行时间有适当折中。
图2 计划的拟制图3 单层双室模型在网格生成工具读取了计算案例并确认开始后,需要对该次模拟中所选用网格的精密程度进行选择。
S M A R T F I R E 作为一款成熟的火灾模拟软件,其网格生成技术相当智能化。
S M A R T F I R E 所带的网格生成系统会根据内置的专家系统和所构建的几何模型的复杂程度自动作出判断,当然也可以手动进行网格设置,还可以在手动设置及自动生成之间进行折中以确定最合适的网格。
总体上讲,精密的网格在使模拟结果更精确的同时也将需要更多的CPU 运行时间,而自动网格生成系统所生成的网格系统一般在精确性与CPU 运行时间上能够达到较合理的平衡。
点击[O K ]键接受软件所生成的网格系统。
在网格系统生成后,网格系统的观察窗口将更新并显示出各计算平面的网格分布及3D 网格系统。
网格系统采用不同颜色来表示不同的物体,如紫红色为计算区域中主要物体的边缘线,淡蓝色为内部的网格线。
所有的出口为绿色、火源为红色、障碍为深蓝色,如图4所示。
图4 网格生成系统若对所生成的网格系统不满意,可点[D ecline ]键(取消当前的网格)来重新定义更大(或者更小)的单元尺寸来重新生成网格,也可以使用交互式编辑系统来增加或减少网格数或改变网格单元的分配。
2.4 运行CFD 计算引擎在生成网格后即可运行S M A R T F I R E 的计算流体力学引擎来计算,这需要通过选择主菜单[R un CFD Engine ]来实现,这将启动数值计算引擎并调入先前所设置的计算条件与网格。
这一阶段要进行文件分析、内存初始化及进行各种变量分配活动,因此会耗费一些时间。
在用户界面的图形窗口提供了多种不同数据和模拟状况的观察方式,如图5所示。
图5 CFD 计算结果(1)顶部靠右的图显示了各种数值模拟过程的收敛计算过程,也会显示各矢量流动以及特定区域不同平面处的温度分布。
(2)底部靠左的状态窗口中会显示各变量数据的变化情况。
(3)通过状态窗口可以知道模拟进度,状态窗口会显示电脑处理所需要的时间,该时间值只是预估,但与实际模拟所需要的时间基本一致。
(4)顶部靠左的控制键[PL o ts ]可以对所得到的数据绘图,所绘制的图也会随着计算进度而随时更新。
(5)若要观察房间内特定的某点,可以选择[V isuals ]键来设定该点的视图。
(6)S M A R T F I R E 的一个重要特点是:它能把当前的运行过程像书签一样保存起来并可以随时重新运行。
此“书签”控制按键为[M ark ],在图形窗口顶部靠左的位置,点击它以后会将目前的运行状况存入数据库。
点击[R estart ]按键则可以读取一个以前存入的“书签”,这对于后面的数据检查以及对有疑问的模拟结果进行专家复查是很有利的。
3 某地铁车厢火灾数值模拟某地铁站属地下两层建筑,地下一层为站厅层,地下二层为站台层,设有6m 宽无柱岛式站台及6m 宽无柱侧式站台,四个出入口。
有效站台长度为85m ,站厅高度为4.85m ,站台高度为4.6m 。
一辆满载乘客的列车停靠在站内,每节车厢有3个宽1.4m 的出口。
在某车厢中央的一堆体积为5m 3的纤维类物质着火,火源强度为13.6MW 。
图6和图7分别为车厢起火后火焰处纵断面温度分布和烟气含量分布。
图6 车厢起火后火焰处纵断面温度分布图7 车厢起火后火焰处纵断面烟气含量分布显然,由于车体材料的隔热作用,火势主要受限在失火的车厢内发展,烟气也主要在失火车厢内弥漫发展。
起火车厢上部的空间温度也很高,达到上千摄氏度。
应当指出,在如此高的温度下,车体材料和钢材的性能都会受到影响。
图8和图9分别为车厢起火后站台中部温度场分布和烟气含量分布,图10为着火车厢烟气平均温度、含量随时间的变化。
图8 车厢起火后站台中部温度场分布图9 车厢起火后站台中部烟气含量分布图10 着火车厢烟气平均温度、含量随时间的变化当列车车厢发生火灾时,火势从着火处沿站台和站厅空间蔓延、扩散,在6m in 后站台上部空间大部分已为高温气体所弥漫。
图9站台中部的烟气含量分布也表明,6m in 后站台空间大部分已为高温气体所弥漫,尤其在离火源较近的楼梯处已为烟气所充满。
人群通过门的时间计算也比较复杂。
实际上同人员通过楼梯一样,除考虑人员密度对移动速度的影响外,还考虑单位宽度所通过的人数(即人流流量)的影响。
人群通过门的疏散时间t 可由式(1)计算。
t=P(F e・W e)(1)式中:t为人员通过门的时间,s;P为经过门的总人数,人;W e为门的有效宽度,m;F e为人员通过门的流量,人 (m・s)。
人员通过门的流量受人流密度影响很大且关系复杂。
根据英国的大量研究,可参见表1。
表1 人员行走速度与密度的关系通道类型人流条件人流密度p m2人行速度m s比人流p (m・s)楼梯(下行)低<1.91.000.54优化1.9～2.70.500.94中等2.7～3.20.280.77拥挤>3.20.130.42楼梯(上行)低<1.90.800.43优化1.9～2.70.400.75中等2.7～3.20.220.62拥挤>3.20.100.32走廊(门道)低<1.91.400.76优化1.9～2.70.701.30中等2.7～3.20.391.10拥挤>3.20.180.55 着火车厢内此时共有322人,人员密度非常高,势必造成人员在车门口堵塞拥挤的现象。
从表1可以知道,此时人员流量为0.55人 (m・s),着火车厢门有效宽度为:W e=3×(1.4-0.3)=3.3m则最后一个从车厢出来的人员的疏散时间为:t ld=322F e W e=3220.55×3.3=177.4s若不考虑烟气含量和烟气温度对人员疏散行为的影响,从分析可知,最后一个从车厢出来的人员的疏散时间为177.4s。
而火灾模拟结果发现,在60～70s时烟气中的CO就已经达到了致死浓度,势必就会对人造成伤害。
因此,在这种火源情况下,列车里人员密度又很大时,势必会对着火车厢里的人员疏散造成困难。
但是在这么高的人员密度下,是否能引起这么大的火灾还值得考虑。
4 结论及展望综上所述,利用计算机S M A R T F I R E软件模拟火灾有着广泛的应用前景,利用现代高速发展的计算机图形技术、动画技术,能将整个过程用友好的人—机交互界面加以动态显示,从而以较少的人力、物力、财力提高人们对整个火灾过程的感性认识,为消防部队和有关部门提供火灾预测,为灭火救援方案的制定提供技术依据。