摘要针对火灾场景的数值模拟在火灾科学当中应用较为广泛,通过模拟软件CFAST模拟得到实验数据,与理论方计算结果比较,验证区域模拟软件CFAST的模拟结果与理论结果很好的吻合。
关键词火灾科学;数值模拟;受限空间;CFAST
中图分类号TU967文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)071-0156-01
随着火灾科学的发展,对火灾模拟软件的模拟要求不断提高,由美国标准与技术研究所(NIST)开发的火灾模拟软件CFAST,得到了广泛的应用,本文通过对火灾场景的模拟,得到火灾的基本参数并预测感温探头的动作时间,将得到的数据结果与理论数值进行对比,检测两者有无差别。
1建筑物基本情况及火灾场景调查
火灾场景为一学生活动室,包括一个台球室,一个多媒体娱乐室,以及男女卫生间各一个,其中台球室为8m×4m×3m;娱乐室为4m×6m×3m;卫生间面积都为4m×2m×3m。在台球室外墙正中有一个直通室外的门,尺寸为1.2m×2m;台球室还有可以分别通向娱乐室、卫生间的门,尺寸为1.2m×2m,即一共有七个通风口;在两个卫生间及娱乐室的后墙上各有一个窗户,尺寸为0.8m×0.8m;在娱乐室里有一台电视机及多媒体设施,还有沙发、长凳等可燃物,在台球室有个个台球桌。房间地板、墙壁、天花板均为石膏板,卫生间的地板与墙壁也为石膏板。
2火灾模拟软件的理论基础
2.1基本参数的计算理论
CFAST软件基于火灾动力学研究系统在火灾条件下系统特性参数随时间的变化而变化的规律。本文通过采用CFAST软件模拟在不同通风条件下室内火灾的发展过程以及温度的变化情况,并通过生成的数据进行比较,分析这两种不同情况下的不同之处,于此同时并将CFAST软件模拟的轰然结果与科学计算的结果进行比较数据的误差。
CFAST软件中应用的设计火灾就是t2火灾发展模型,它是一种常用的火灾发展模型,用来描述火灾过程中热释放速率随时间的变化过程。不考虑火灾的初期准备过程,其表达式为:Q=bt2
式中,Q—火源的热释放速率,kw;b—火灾的发展系数,b=Q0/t02;t—火灾的发展时间,s;t0—火源热释放速率Q0=1MW时所需要的时间,s。
2.2感温装置动作时间的理论计算公式
在顶棚射流的计算中可得到以下关系式:
式中,T为顶棚射流的最大温度,℃;U为顶棚射流的最大流速,m/s;H和r分别代表顶棚高度和以羽流中心线撞击点为中心的径向距离,m;为火源的总热释放速率,kW。
结合对流换热理论可导出感温元件在稳态火灾中的响应时间,其计算公式为:
式中,M为感温元件的质量,kg;为感温元件的定压比热容,kJ/(kg.k);=-。感温探测器的时间常数,
在强迫对流条件下,内部导热热阻较小的薄板,h正比于,即正比于。Heskestad等人为描述喷头的热响应而引进了响应时间指数RTI的概念,其定义如下:
RTI=
当计算感温元件在火灾中的实际温度大于其额定动作温度时,所对应时间即为感温元件在非稳态火灾中的动作时间。
3软件模拟结果分析
模拟房间的相关参数。我们可以看出在快速情况下两房间的上层烟气层温度的变化趋势是在前500s(火灾发展初期)的时间内烟气层的温度开始缓慢增长;从500s后(火灾发展中期)烟气层的温度开始增长,等到达大概1000s的时间时上层烟气层的温度达到最大值,房间(1)的上层烟气层的温度的最大值是250℃左右。
从火灾的发展初期到末期,两房间的上层烟气层的温度的整体发展趋势都是先慢慢增大,等到达最大值之后,又开始不断减低,因为从火灾发展之后其热释放速率大于其散热速率,房间的温度上升,其烟气层的温度也就上升,在火灾的衰减阶段,由于燃烧物已经快没有了,所以房间的热释放速率小于散热速率,所以其温度又开始下降
我们可以看出多媒体室的烟气层的高度整体的发展趋势都是先从房间的顶部开始(即3米处),然后不断的开始加大,在前200s之前,烟气层的厚度增加速率最大;之后烟气层的高度再一个相对稳定的高度上稳定下来了。
4用vb编程计算理论结果
5结论
采用CFAST模拟运算和VB编程来进行计算的结果,动作时间误差和射流温度很小,cfast模拟值与计算数值在误差允许范围内满足要求,产生误差的原因与CFAST的模拟理论有关,模拟得到的温度是烟气层的平均温度,而并非是某一个点的具体温度。
参考文献
[1]Walter W Jones ,Glenn P Forney.A Technical Reference for CFAST;An Engineering Tool for Estimating Fire Growth and smoke Transport [M].NIST,Building and Fire Research Laboratory ,Gaithersburg,MD20899 March 2000:17-77.
[2]张艳.新编Visual Basic程序设计教程.中国矿业大学出版社2007,112-116.
作者简介
赵国祥(1987—),男,山东烟台人,中国矿业大学安全工程学院消防工程专业2007级本科在读。
