基于FDS的沙发火灾数值模拟
0 引言
随着生活条件的提高 ,装饰家具越来越多地出现在现代建筑中 ,其种类和性能也越来越复杂.室内火灾的扩大常常与可燃的装饰家具有关.导致人员死亡的火灾中有 1 /3 是装饰家具火灾[1]。统计结果表明，火灾中8 5％以上的死亡者是由于烟气的影响，其中大部分是吸人了烟尘及有毒气体昏迷后而致死的[2]。本文将以典型的sofa-Fire 算例为重点，通过全尺寸实验和数值模拟相结合的方法研究其燃烧过程的热释放速率、室内温度场分布及烟气流动,为建筑火灾防治和火灾安全设计提供参考依据。
1 FDS 简介
美国火灾研究机构也对本国的装饰家具的火灾特性进行了研究[3]。最终由NIST 开发的一种模拟程序FDS，它用数值求解方法求解一组描述热驱动的低速流动的Navier-Stokes 方程，重点计算火灾中的烟气流动和热传递过程。FDS 提供了两种数值模拟方法，即直接数值模拟（DNS：Direct Numerical Simulation）和大涡模拟（LES：Large Eddy Simulation）。
直接数值模拟是通过直接求解湍流的控制方程，对流场、温度场及浓度场的所有时间尺度和空间尺度进行精确描述，但是目前的计算条件下，只能用于对层流及较低雷诺数湍流流动的求解[4]。
一般情况下，在利用FDS 进行火灾模拟时均选用大涡模拟。它是把包括脉动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度量通过数值求解微分方程直接计算出来，小尺度运动对大尺度运动的影响通过建立亚格子模型来模拟。
FDS火灾动态模拟软件主要由两部分组成，分别是FDS和Smokeview部分。其中，FDS部分主要是用来完成对火灾场的创建和计算阶段。而Smokeview部分则是对FDS计算结果的可视化，它以三维动态的形式显示火灾发生的全过程。
2 couch 场景布置
场景长2.4 米，宽1.0 米，高2.4 米。在X 轴方向上共设有24 个网格，Y 轴方向上设有10 个网格。Z 轴方向上有24 个网格。本例子中设定时间为900 秒，直到运行结束为止。屋中材料有纤维、塑料、泡沫塑料、地毯等等，在原算例中没种都设定了参数以及性质，具场景布置图。
场景布置好之后，从DOS 中启动FDS 计算，生成一系列的.文件，其中包含我们所需要的结果。最后运行Smokeview 就可以形象地观察火灾发生的过程，并得到相关的平面截图。
3 模拟结果
通过对火灾场景的描述，利用FDS 软件完整的模拟了单室火灾发生的全过程。沙发是由外套、填充材料、木质框架等几个独立的可燃组件组合而成的可燃物，燃烧过程中会产生CO2、CO 气体[5]。显示了在T=800s 时的烟气发生情况，从图中可以看出在此时刻房间内的充满了烟气。沙发燃烧过程中会产生大量的高温烟气 ,热烟气上升到顶棚后聚集成一个热烟气层 ,烟气层的下方则是以新鲜空气为主的冷空气层[6]。表示了在T=800s 时，分别处于X=2.6m 层温度场的分布情况，在此时刻单室的上部的温度几乎达到峰值1000，并且可以看出此时平均温度由上往下逐层下降，靠近货源的切面上温度都在1000°C 以上，越往右边温度呈现环状的下降，与实际情况吻合。表示了在T=800s 时，热释放速率的分布图，整个沙发的大部分位置hrr 都在200kw/m3 以上。
此外，利用excel 结果生成的表格，从FDS 模拟所得出的结果可以得出火源热释放速率与时间的关系。热释放速率(HRR,Heat Release Rate) 是指单位时间内材料燃烧时所释放的热量，它是燃烧过程基本的特征参数之一， 也是衡量火灾危害程度的一个重要参数[7]。如所示，随着时间的变化，HRR 开始时增长比较缓慢，当在320S 以后时，速度迅速增长，并且随着时间增长，增长的速率越来越大，在750s 时有一个小波峰，接着继续增长，直到900s 以后才达到顶峰，趋于稳定，可能此时沙发燃烧的已经差不多了。燃烧反应本身能够释放的能量殆尽，这一点也符合燃烧学相关原理。
4 结论
本文通过对couch 算例的模拟计算，得到出房间内部的温度场的分布情况、烟气流动等情况及沙发燃烧产生的热释放速率等相关的室内火灾动力学参数。通过Smokeview 功能，观察整个动力学过程。分析数据结果，得到一些动力学过程中的临界值，整个发生发展规律也与实际情况符合，对室内家具火灾特性研究有一定的意义，值得注意的是数值模拟选用的沙发尺寸结构和性能等对数值计算的结果影响很大，只有选用合理的参数才能得到满意的结果。
[参考文献] (References)
[1] Wong Chelsia Ruth. Contributi on of Upholstered Furniture to Residential Fire Fatalities in New Zealand[R ].Fire Engineering Research Report, 2001
[2] 黄锐，杨立中，方伟峰，等.火灾烟气危害性研究及其进展[J].中国工程科学，2002，4(7)：80-85
[3] Ogle R A, Schumacher J L. Fire patterns on upholstered furniture: Smoldering versus flaming combustion[ J ].Fire Technology, 1998, 34 (3)：247—265 .
[4] 王万顺，耿玉领，范运领.三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程[J].中国煤田地质，2005，17（1）
[5] 张和平，杨昀，祝佳琰，等.室内沙发火灾中CO2 和CO 气体全尺寸实验模拟[J].南京理工大学学报,2005,4(29)：48-49
[6] 范维澄 ,陈莉.卧室火灾危险度的双重性模型 [ J ].中国科学技术大学学报 , 1994, 24 (2) : 220—224 .
[7] ISO 9705,Fire tests-Full scale room test for surface products. International Standards Organization (ISO),Ceneva,1993
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