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一种将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的FDS房间火灾模拟方法

花匠小妙招
2025-01-18 09:56

一种将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的fds房间火灾模拟方法
技术领域
1.本发明涉及一种将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的fds房间火灾模拟方法，属于消防工程领域。

背景技术：

2.fds(fire dynamic simulation)是美国国家标准与技术研究院(national institute ofstandards and technology,nist)开发的一款数值模拟软件。fds6利用火灾驱动流体流动的计算流体动力学(cfd)模型进行火灾模拟。由于fds是对所有人开放的，这就使大量的学者能够对其模拟结果的准确性进行检测与验证，促使该软件得到了极其广泛的应用，fds是目前火灾数值模拟领域的权威。
3.pyrosim(thunderhead engineering pyrosim)是由美国nist研发的一款专门为fds建立模型的软件，为fds建模提供了可视化的操作界面，让操作者能够直观的看到三维图形，这样大大加快了建模的速度；模型建立完成后，运行pyrosim中已经提前内置的核心算法fds进行运算模拟，最后用户通过后处理器smokeview可以查看火灾发展的全过程。
4.目前国内对房间火灾的模拟较少，有部分学者对房间火灾进行模拟，在模拟中，木垛的燃烧特性通常采用利用锥形量热仪试验得到的着火温度和热释放速率的方式输入，并将模拟结果与试验结果进行比较，结果表明，在不同外热流密度下获得的锥形量热计测试输入的热释放率对模拟结果几乎没有影响。热释放速率与实验测量值吻合良好，室内空气温度在火灾充分发展阶段拟合较好，但在火灾降温阶段存在较大差异，没有办法解决木炭继续燃烧放热这一现象对房间火灾模拟结果的影响，无法做到较为精细的模拟房间火灾。

技术实现要素：

5.本发明提供一种将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的fds房间火灾模拟方法，可以更好的模拟真实的房间火灾情况，使得模拟效果更为准确。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的fds房间火灾模拟方法，具体包括以下步骤：
8.步骤s1：建立fds房间模型，在fds房间模型内对各个房间构成进行材料属性定义，同时将房间构成中木材的属性输入至fds房间模型内进行试算获取计算值；
9.步骤s2：将fds房间模型的质量损失率导出，并与试验值进行比较，采用线性拟合的方法推导出fds房间模型内木材燃烧后木炭燃烧产生的热释放速率曲线，对导出的质量损失率的差异进行修正；
10.步骤s3：在建立的fds房间模型内底板上设置一个燃烧器表面，用于模拟木材燃烧至木炭后持续放热的过程，输入木炭燃烧产生的热释放速率随时间变化曲线，进行二次计算；
11.步骤s4：将二次计算后的结果输出，与试验值做二次比较，进行验证；
12.作为本发明的进一步优选，
13.步骤s1中，建立的fds房间模型即为在fds中建立的房间火灾初步有限元模型，包括各个房间构成包括房间模型、实体木垛模型以及热电偶树模型，并对各个构成模型进行材料属性定义；
14.作为本发明的进一步优选，
15.房间构成中基于木材的属性将简化木材燃烧放热模型输入fds房间模型内，前述简化木材燃烧放热模型hrrpua的计算公式为
[0016][0017]
公式中，h
t
为木材燃烧过程中最大的单位面积放热速率，为实体木垛质量损失率，试验时取试验数据，δhc为木材热值，as为实体木垛暴露面积；
[0018]
作为本发明的进一步优选，
[0019]
步骤s2中，将fds房间模型的质量损失率导出，记录试验值与计算值在下降段的交点对应的横坐标tc，将t》tc的时间区间内的实体木垛质量损失率单独取出，并进行线性拟合，拟合直线靠近试验值的上包络线，即为木材燃烧后木炭燃烧产生的热释放速率曲线；
[0020]
作为本发明的进一步优选，
[0021]
在建立的fds房间模型内，输入木材燃烧后木炭燃烧产生的热释放速率随时间变化曲线，即为完成修正后fds房间模型的建立。
[0022]
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0023]
1、本发明采用实体木垛作为燃料，使得模拟效果更接近实际试验效果；
[0024]
2、本发明提出的简化木材燃烧放热模型的计算方法，使得模拟更加方便；
[0025]
3、本发明提供的模拟方法可以对木材燃烧形成木炭后继续燃烧放热的过程进行模拟，提高了房间火灾模拟的精确度。
附图说明
[0026]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0027]
图1是本发明提供的简化木材燃烧放热模型；
[0028]
图2是本发明提供的实例中木炭放热修正前质量损失率试验值与模拟值之间的对比图；
[0029]
图3是本发明提供的实例中简化木材燃烧放热模型的线性拟合曲线；
[0030]
图4是本发明提供的修正后的fds房间模型；
[0031]
图5是本发明提供的实例中进行木炭放热修正后质量损失率试验值与模拟值的对比图；
[0032]
图6是本发明提供的实例中进行木炭放热修正后室内上层气体温度试验值与模拟值的对比图；
[0033]
图7是本发明提供的模拟方法流程示意图。
具体实施方式
[0034]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0035]
如背景技术中阐述的，目前在对房间火灾模拟的试验中，热释放速率与实验测量值吻合良好，室内空气温度在火灾充分发展阶段拟合较好，但在火灾降温阶段存在较大差异，没有办法解决木炭继续燃烧放热这一现象对房间火灾模拟结果的影响，无法做到较为精细的模拟房间火灾。
[0036]
因此本技术旨在提供一种将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的fds房间火灾模拟方法，接下来针对本技术提供的如图7所示模拟方法结合实例进行具体阐述。
[0037]
步骤s1：建立fds房间模型，在fds房间模型内对各个房间构成进行材料属性定义，同时将房间构成中木材的属性输入至fds房间模型内；
[0038]
建立的fds房间模型即为在fds中建立的房间火灾初步有限元模型，包括各个房间构成包括房间模型、实体木垛模型以及热电偶树模型，并对各个构成模型进行材料属性定义。
[0039]
结合通风控制型火灾的条件，提出适用于通风控制型火灾的简化木材燃烧放热模型，这里模型如图1所示，在图1中，横坐标t指的是木材表面温度达到着火点后的时间，设置木材的着火点为232℃。在此简化木材燃烧放热模型中，有两个参数，h
t
表示木材燃烧过程中最大的单位面积放热速率，t0表示达到h
t
所需要的时间。本实例取t0＝20s，在t0之前，简化木材燃烧放热模型hrrpua与t2成正比。
[0040]
结合本技术在试验时测得的实体木垛质量损失率，提出简化木材燃烧放热模型hrrpua的计算公式为
[0041][0042]
公式中，h
t
为木材燃烧过程中最大的单位面积放热速率，为实体木垛质量损失率，试验时取试验数据，δhc为木材热值，这里取17.1kj/g，as为实体木垛暴露面积，as＝4nnbl-nbl+2nnb
2-2nn2b2+2n2b2。在实例中，as为5.20m2，为13.9g/s，h
t
为45.7kw/m2。
[0043]
将上述简化木材燃烧放热模型输入fds房间模型内。
[0044]
步骤s2：将fds房间模型的质量损失率导出，并与试验值进行比较，得到图2所示的对比图，由图2可知，质量损失率在前26min模拟效果较好，但在26min后由于fds房间模型内实体木垛几乎烧完，无法模拟试验中木材燃烧后产生的木炭继续燃烧放热的情况，因此在试验数据的基础上，需要对fds房间模型进行改进，得到木材燃烧后木炭继续燃烧放热模型来修正此模拟方法。
[0045]
接下来就对修正方法进行具体阐述，首先记录试验值与计算值在下降段的交点对应的横坐标tc，对于此试验实例，tc＝26min。将t》tc的时间区间内的质量损失率单独取
出，并进行线性拟合，拟合结果如图3所示。由于木炭的热值比木材本身高，而模型中热值统一设置为木材热值，所以图3中拟合直线取靠近试验值的上包络线(按照图3选取的包络线可知拟合方程为
[0046]
步骤s3：在建立的fds房间模型内底板上设置一个燃烧器表面，在图4中即为标注的“剩余木炭”，用于模拟木材燃烧至木炭后持续放热的过程，输入木材燃烧后木炭燃烧产生的热释放速率(hrrpua)随时间变化曲线，进行二次计算；至此完成修正后fds房间模型的建立，其房间内部布置图如图4所示。
[0047]
步骤s4：将二次计算后的结果输出，与试验值做二次比较，进行验证。
[0048]
具体的验证过程如下：在对比试验中，实体木垛质量损失率(mlr)的fds计算值和试验值，如图5所示。mlr在达到最高点后均出现一段平峰，最高点mlr和输入时计算的mlr保持一致，总体来说，考虑木炭燃烧的fds房间模型可以较好模拟木垛燃烧的质量损失率。
[0049]
接着对比试验中室内上层气体温度的fds计算值与试验值，如图6所示。由图6可知，室内温度场的fds计算值总体上可以对试验值进行拟合，fds房间模型对达到最高温度的时间模拟均十分准确，误差在3％以内。
[0050]
在点火开始后，温度达到500℃之前，fds房间模型均能对室内温度有较好的模拟结果，在火灾进入充分发展阶段，与试验温度呈凹函数上升相反，fds房间模型模拟的温度呈凸函数趋势上升；在升温阶段，fds房间模型模拟的室内空气温度始终比试验值高。
[0051]
在降温阶段，室内上层空气温度下降到600℃前，fds房间模型可以较为准确得对其进行模拟，在上层空气温度下降到600℃后，fds房间模型的计算值普遍低于试验值，如不考虑生成木炭继续燃烧放热，则温度在试验结束后会低于200℃，而考虑木炭继续燃烧放热可以更好得模拟这一阶段得温度变化。
[0052]
由此可知，本技术提供的将木材作为火源考虑木炭继续燃烧的fds房间火灾模拟方法，可以更好的模拟真实的房间火灾，使得模拟效果更为准确。
[0053]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0054]
本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
[0055]
本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
[0056]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。