某仓库火灾实验与数值模拟对比

济成本低 ,可以方便地进行对比实验 ,是一种新兴的 、有 效的火灾调查手段 。在国外 ,计算机火灾模拟技术在火 灾调查领域的研究和运用较早 ,将火灾数值模拟软件应 用于火灾再现取得了一定的成绩 。美国 NIST ( National Instit ute of Standards and Technology) 借 助 FDS ( Fire Dynamics Simulator) 对一些典型火灾进行相 关 辅助 调 查 。在国内 ,对于火灾数值再现研究范围较广 。理论方 面 ,多所大学对区域模型 、大涡流模型及场 - 网复合模型 均有研究 。应用方面 ,对隧道等地下空间火灾和大空间 火灾的研究较多 ,对建筑火灾的数值再现也已展开 。如 台湾的 Tzu - Sheng Shen 等通过设定燃料 、通风条件 、火 源和消防系统 ,重现了一起旅馆放火案的火灾发展和烟 气蔓延过程 ,补充了许多火和烟气的信息 。
火灾实验装置如图 1 所示 ,在起火的半成品仓库内 放置一个三层金属货架 ,每层货架并排有两个塑料垫仓 板 ,其上是装有塑料半成品包装盒的纸箱 。其中 ,第一 、 二层货架塑料垫仓板垂直方向叠放三个纸箱包装的塑料 半成品包装盒 ,第三层货架塑料垫仓板垂直方向叠放两 个纸箱包装的塑料半成品包装盒 。TC1 、TC2 、TC3 是设 定的三个测温点 ,表 1 为其具体位置及作用 。
和数值模型的不确定性 ,主要有 : (1) 燃烧和热传导等物 燃料参数三个方面进行了准备和研究 。
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Fire Science and Technology , February 2010 ,Vol 29 ,No. 2
2. 1 理论基础 火灾是流体流动 、传热 、传质和化学反应极其复杂的
燃烧过程 。火灾数值重构的理论基础就是该物理现象的
消防科学与技术 2010 年 2 月第 29 卷第 2 期
fire dynamics , t he form mechanism of swirling flames in enclo2 sure fires was analyzed , and t he cont rol facto r exp ressions which swirling flames can be p roduced are deduced. The ap2 pearance of swirling flames needs enough density grads , p res2 sure grads and barocline effect . The experiment of small - scale enclo sure fires was used to st udy t he characteristics of swirling flames in enclo sure fires. The basic parameters of fire wit h and wit hout swirling flames were compared. The average and peak value of smoke temperat ure , temperat ure increase rate , burning rate and t he heat flux of radiation to floor in swirling flames are all bigger t han t hat of no n - swirling flames. Co mbining t he re2 sult s of t heo retical analyses and experimental st udies , t he con2 ditional criterion of swirling flames in enclo sure fires is gained. Key words : swirling flames ; enclo sure fires ; rotation t heory ; conditional criterion
2008 年 7 月 17 日 12 时左右 ,上海市奉贤区某塑料 制品厂仓库发生火灾 ,过火面积达 2 000 m2 ,经济损失巨 大 。为了确定火灾起因 ,上海市消防总队等相关部门通 过火灾实验来调查仓库的起火原因和过程 。
[ 3 ] 陈长坤 , 姚斌 , 范维澄. 建筑物内火旋风中心飘移的探讨与研究 [J ] . 中国工程科学 , 2003 , 10 (5) : 63 - 68.
某仓库火灾实验与数值模拟对比
消防理论研究
刘 涛1 ,杨培中1 ,谈 迅2 ,秦 弦1 (1. 上海交通大学 机械与动力工程学院 ,上海 200240 ; 2. 上海市消防总队 ,上海 200051)
摘 要 :采用 FDS 模拟某仓库火灾 ,并与实验结果比较温 度曲线和火灾蔓延过程 。在仓库中放置三层金属货架 ,分打火 机和烟头两种引燃方式和不同点火位置进行实验 。模拟与实 验得到的温度曲线相似度很高 。250 s 前模拟与实验得到的火 灾蔓延过程比较相似 ,250 s 后由于纸箱倒塌 ,模拟结果出现延 迟 。合理摆放货物的情况下烟头引燃仓库火灾的可能性较小 。
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作者简介 :陈爱平 (1964 - ) ,男 ,中国人民武装警 察部队学院消防工程系副主任 ,教授 ,硕士生导师 ,博 士 ,主要从事火灾动力学理论及室内火灾危害性评估 方面的研究 ,河北省廊坊市西环路 220 号 ,065000 。
收稿日期 :2009 - 11 - 12
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笔者介绍了此次火灾实验 ,同时利用 FDS 软件对火 灾实验过程进行模拟 。通过对火灾实验和数值模拟的相 同测点温度曲线及火势蔓延过程的对比 ,验证了数值模 拟的有效性 ,确定了科学的数值仿真模型 ,为进一步的全 尺度数值仿真奠定了基础 。 1 火灾实验 1. 1 实验条件
点火结果 火势蔓延 火势蔓延 火势蔓延 未能引燃 未能引燃
图 2 火势蔓延和发展过程的时间节点图
2 数值仿真
理过程极其复杂 ; (2) 实验结果对材料的属性和边界条件
与火灾实验相比 ,数值仿真对温度和火焰扩散速度 等极其敏感 ; (3) 材料和燃料的属性很难获得 。为解决这
的模拟准确程度大约在 10 %～20 % ,原因在于网格大小 些问题 ,从基础理论模型 、数值模型与边界条件 、材料及
¨
[ 6 ] Born Karl sson , QU IN TIERE J G. Enclosure fire dynamics [ M ] . CRC Press , 2000 , 89 - 107.
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关键词 :数值模拟 ; 火灾调查 ; 引燃方式 ; 起火点 ; FDS 中图分类号 : X913. 4 , TU249 文献标志码 :A 文章编号 :1009 - 0029 (2010) 02 - 0091 - 05
火灾调查是一项科学性的 、实践性的 、涉及多学科的 工作 。由于火灾燃烧过程的极度复杂性 ,火灾调查成为 消防工作中的难点 。目前 ,国内外对火灾事故的分析仍 借助于专业人员长期工作积累的经验或半经验的方式 , 火灾调查的效率和技术手段仍需要提高 。在全尺度火灾 实验成本高 、周期长 ,而小尺度火灾实验难以满足所有无 量纲相似要求的情况下 ,将计算机数值仿真技术应用到 火灾调查领域 ,用计算机模拟火灾实验 ,时间周期短 、经
烟头引燃和打火机引燃两种点火方法 ,观察是否能够引 燃纸箱包装的塑料半成品包装盒 ,每种点火方法中均选 择不同的位置进行实验 。
烟头引燃 : 将点燃的香烟分别放置在货箱表面 、角 落 、里层 、货箱封箱带表面 、聚苯乙烯隔板不同部位上 ,观 察和记录烟头的燃烧情况 。实验结果显示 ,无论烟头如 何放置 ,均不能引起燃烧 。烟头熄灭后 ,在其与货箱 、聚 苯乙烯隔板的接触面出现炭化痕迹 。
质量守恒 : 99ρt + ·ρu = 0
(1)
动量守恒
:
9 9t
(ρu)
+
表 2 不同位置处打火机引燃结果
点火位置 货箱货料单 货箱封箱带 货箱包装袋 表面瓦楞纸 货箱底角
ห้องสมุดไป่ตู้火势情况
48 s 后引燃货箱箱体 , 213 s 后引燃货箱内塑料包装盒
61 s 后引燃箱体 57 s 后引燃箱体 , 83 s 后引燃货箱内塑料包装盒
点燃后在货箱表面阴燃 ,140 s 后熄灭
在货箱底角阴燃 ,320 s 后熄灭
起火仓库位于厂区东南角 ,为钢筋混凝土框架砖墙 结构 ,预制水泥板屋面 。仓库内东西向放置 18 排金属货 架 ,主要存放彩妆 、化妆品塑料包装盒等半成品 。在火灾 过程中 ,窗户已经完全烧裂 。火灾实验地点选择在起火 仓库现场的废墟空地上 ,整个实验在开放环境中进行 ,室 内温度 31. 7 ℃,供氧充足 。 1. 2 实验装置
[ 8 ] 陈爱平 , 张云明 , 张莹. 室内火灾升温速率的试验研究[J ] . 火灾科 学 , 2004 , 13 (1) : 57 - 62.
Theoretical analyses and experimental studies of whirling flames in enclosure f ires
图 1 模拟实验货架
表 1 测温点的位置及作用
测温点 TC1 TC2 TC3
位 置
货架三层顶部左侧 支架上方 50 cm
货架三层顶部右侧 支架上方 50 cm
货架中层右侧 支架偏前 10 cm
作 用
测量仓库喷淋位置 处的温度
测量货架中间位置 处的温度
1. 3 实验过程 实验采用排除法寻找仓库的起火原因和过程 ,选用
C H EN AiΟping1 , CU I XiaoΟxing2
(1. Chinese People’s Armed Police Forces Academy , Hebei Langfang 065000 , China ; 2. Tangshan Fire Detachment , He2 bei Tangshan 063000 , China) Abstract :Acco rding to t he t heo ries of vorticity - t ranspo rt and
打火机引燃 :利用打火机引燃货箱上的货料单 、货箱 表面 、底角 、内部包装袋和货箱封箱带 ,记录各种方式引 起箱体燃烧的时间 ,表 2 为不同点火位置处的引燃结果 。
选择点燃货箱封箱带的情况进行全尺度燃烧实验 , 记录起火至剧烈燃烧的过程 ,测量关键位置点的温度 ,观 察火势发展和蔓延过程 。图 2 是火势蔓延和发展过程的 时间节点图 。
各数学子模型及其耦合 ,实际火灾中空气流动是三维空
间的不规则非定常流动 ,烟气模拟采用湍流模型 。火灾
烟气运动 的 控 制 方 程 是 可 压 缩 的 内 维 尔 - 斯 托 克 斯
( Navier - Stokes) 方程 。理论基础为质量守恒 、动量守恒
和能量守恒方程 ,主要采用大涡模拟通用运算程序 。