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一級消防工程師考試案例分析:火災模擬

2016-05-13 17:39   來(lái)源: 職業(yè)培訓教育網(wǎng)整理 字體: 打印 收藏

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在火災模擬中,影響模擬結果準確性的因素比較多,如所建模型和實(shí)際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設等因素都會(huì )對模擬結果產(chǎn)生影響。

(一)概述

火災數值模擬是火災研究的重要內容之一,但由于火災現象的復雜性,近幾十年來(lái)才建立起描述火災現象的實(shí)用數學(xué)模型?;馂哪P椭饕譃榇_定性模型和隨機性模型。

火災數值模型主要有專(zhuān)家系統(Expert System)區域模型(Zone Model)場(chǎng)模型(Field Model)網(wǎng)絡(luò )模型(Network Model)和混合模型(Hybrid Model)場(chǎng)模型也即CFD模型,主要是利用計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對火災進(jìn)行模擬的模型,由于CFD模型可以得到比較詳細的物理量的時(shí)空分布,能精細地體現火災現象,加之高速、大容量計算機的發(fā)展,使得CFD模型得到了越來(lái)越廣泛的應用。

目前用于火災模擬的CFD模型主要有:FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專(zhuān)門(mén)針對火災模擬而開(kāi)發(fā)的CFD軟件,簡(jiǎn)單易用。因此,在火災模擬中應用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計算流體力學(xué)的通用軟件,將其用于火災模擬需要有較強的流體力學(xué)背景。因此,應用較少。目前,國內外對FDS的研究比較多,而對于PHOENICS和FLUENT在火災模擬方面的應用研究則較少,對各個(gè)軟件的對比研究更少。

在火災模擬中,影響模擬結果準確性的因素比較多,如所建模型和實(shí)際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設等因素都會(huì )對模擬結果產(chǎn)生影響,怎樣才能使模擬結果更加準確、可信是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。同時(shí),各個(gè)軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,對某一工程設計,如性能化設計項目,選擇最合適的軟件進(jìn)行火災模擬是一比較重要的問(wèn)題。因此,為了能夠更好地利用CFD模型進(jìn)行火災模擬,有必要對他們進(jìn)行系統研究。

驗證(veriifcation)與確認(validation)是評價(jià)數值解精度和可信度的主要手段。長(cháng)期以來(lái),CFD工作者對CFD軟件的驗證與確認工作一直沒(méi)有給予足夠的重視。因此,對于計算結果的可信度,CFD研究人員并不能給出明確的回答。這使得CFD軟件的使用者對CFD也持一種矛盾的心態(tài),既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟的設計工具,又對CFD的計算結果心存疑慮。如果有條件,可以結合數值計算和模擬實(shí)體火災的方式,進(jìn)一步驗證模型的可靠性。

(二)選取

從軟件易用性來(lái)看,火災專(zhuān)用模擬軟件相對簡(jiǎn)單,在應用中不需要作復雜設置,使用者只需掌握火災基本知識即可得到合理的結果,而通用CFD軟件對使用者要求較高,使用者需要對流體力學(xué)有深入了解,才能得到合理結果,因此,一般火災模擬選擇專(zhuān)用軟件為宜。

利用火災模型進(jìn)行數值分析前,應著(zhù)重考慮該模型對所模擬問(wèn)題的適用性及預測能力,一般情況下,需要事先利用相關(guān)試驗(已有其他人員進(jìn)行的試驗或自己進(jìn)行相關(guān)試驗)對模型進(jìn)行確認研究。

從模擬準確性來(lái)看,火災專(zhuān)用模擬軟件由于是專(zhuān)門(mén)針對火災開(kāi)發(fā),在概念模型層面相對于通用軟件更接近于真實(shí)模型,其數學(xué)模型更能反映火災過(guò)程,因此,一般情況下,建議選擇火災專(zhuān)用軟件,除非在專(zhuān)用軟件無(wú)法模擬的情況下才選擇通用軟件。

使用火災專(zhuān)用軟件時(shí),應著(zhù)重考慮網(wǎng)格獨立性、邊界條件設置對模擬結果的影響,使用通用軟件時(shí),還應考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

火災模型的驗證和確認應包含其對各類(lèi)火災參數的預測能力研究,如火場(chǎng)溫度、熱輻射通量、反應產(chǎn)物的濃度變化(著(zhù)重研究CO、CO2、煙密度等)火場(chǎng)能見(jiàn)度等。

對于通用的CFD軟件,如PHOENICS、FLUENT、CFX等,由于其發(fā)展比較成熟,其程序一般能夠比較準確的反應其所確立的概念模型,因此,對這類(lèi)模型可以著(zhù)重于確認研究;對于專(zhuān)用火災模擬軟件,如FDS等,已經(jīng)進(jìn)行了較多的確認和驗證工作,對于比較常見(jiàn)的火災場(chǎng)景,如建筑室內火災等,可以直接用來(lái)模擬分析,而對一些特殊的場(chǎng)景,如火災在狹長(cháng)雙層玻璃幕墻內的蔓延模擬,還需進(jìn)行進(jìn)一步確認研究;對于自行編制的火災模擬程序,模型的驗證工作是至關(guān)重要的,應確保程序能夠準確反映概念模型。

用Steckler房間火試驗,對PHONEICS和FLUENT進(jìn)行了確認研究,就該類(lèi)實(shí)例來(lái)說(shuō),FLUENT的準確度要高于PHENICS,但就工程應用來(lái)說(shuō),在選擇合理的湍流模型、輻射模型,并經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨立性檢驗后,兩者的模擬結果一般可滿(mǎn)足工程需要。

火災發(fā)展具有確定性和隨機性的特點(diǎn),火災試驗的影響因素較多,在選擇確認試驗時(shí),應盡量選擇可重復性強的試驗,并應注重采用不同火災場(chǎng)景下的火災試驗對其進(jìn)行確認研究,以便更好地檢驗模型的可信度。

責任編輯:儀
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