小城鎮(zhèn)火災火災流場的數(shù)值模擬研究

小城鎮(zhèn)火災火災流場的數(shù)值模擬研究

1災的流場特性近年來，隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟的不斷發(fā)展和農(nóng)民生活水平的不斷提高，城鎮(zhèn)居民的常住人口迅速增加，小城鎮(zhèn)的建設規(guī)模不斷擴大，城市化進程正在逐步加快。由于目前小城鎮(zhèn)建設整體抗災技術水平較低、基礎設施簡陋、配套不完善,抵御災害的能力不強,加大了火災等各種災害給國家和人民生命財產(chǎn)造成的損失。研究小城鎮(zhèn)多層建筑火災的流場特性具有非常重要的現(xiàn)實意義。調(diào)查表明,小城鎮(zhèn)一般民宅和建筑物的高度在15.0m左右,周圍風速在2.0～10.0m/s。建筑物發(fā)生火災后,房間內(nèi)外的冷熱氣流有一定的流通和對流通道,房間熱氣膨脹使窗戶破碎、外門打開。這時,外界氣流的溫度、風向、風速會對房間內(nèi)溫度與速度場的分布狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響。1985年5月23日,伊春市某居民抽煙引燃木板棚,受6～7級西南風影響,造成火災救援困難,使大火最終波及7條街,燒毀各類建筑8852m2,直接經(jīng)濟損失2097萬元,火場迅速擴展為20萬m2,一片火海。因小城鎮(zhèn)一般民宅和建筑物的高度在15.0m左右,在垂直方向大氣溫度和壓力的變化可忽略不計,重力也基本不變。筆者選用的算例為4層3列樓,認為風是均勻地從不同方向吹來的且熱氣流只向上運動。筆者針對小城鎮(zhèn)一般民宅建筑高度特點,建立相應幾何模型和物理模型,利用商業(yè)計算流體力學軟件Phoenics,對不同風向、風速情況下小城鎮(zhèn)多層建筑火災流場進行數(shù)值模擬分析。2算例2:某公司內(nèi)部不同位置房屋所取算例如圖1所示,樓房為4層3列,空氣溫度為20℃,在下面3層9個房間內(nèi)的中部靠里側墻附近都設置火源。這樣選擇的原因還有各層各列均有自己的代表性:(1)由于浮力向上,第一層房間不受上面任何一層房間流入與流出氣流狀態(tài)的影響,即上一層不影響下一層;(2)第二層房間內(nèi)外溫度場的分布和流動特性要受到第一層房間流出熱氣流的影響;(3)第三層房間受到第二層和第一層房間流出熱氣流的共同影響;(4)第四層房間內(nèi)設計成沒有火源,以便觀察浮力產(chǎn)生的熱氣流進入第四層房間的情況。樓房分為3列可以觀察位于樓房邊緣和中間位置時房間內(nèi)外的流動情況有什么差別。在有外界風力作用時,這樣布置也有其代表性。如圖1所示,在所選算例樓房的前部和兩側,以及樓房上部都保證有一定的自由空間,以保證在各方向的界面上有氣流流入和流出。為了研究多個房間發(fā)生火災后的相互影響,在算例中除房間位于樓房上下左右的相對位置不同外,其他因素要保證完全相同且各房間之間不能有氣流相通。所以計算所選的房間尺寸、火源位置、窗戶位置和通氣面積、熱釋放量都要完全一致。這樣才能顯示出在同樣熱釋放條件下,同樣外界風向和風速情況下,房間位于樓房上下層不同位置的溫度場和流動特性的差別。全部計算都針對穩(wěn)態(tài)溫度場進行。因為只有在穩(wěn)態(tài)情況下,才能保證流入房間的冷氣流量和流出房間的熱氣流量是不變的,冷熱氣流的熱交換和溫度場的分布也是不變的。這樣才便于對在不同風速時相應的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律進行比較,才能顯示出不同風速的變化對位于樓房不同位置房間流動特征的影響程度。建筑物幾何尺寸及網(wǎng)格劃分如圖1所示。樓房每層高3.0m,總高12.0m,樓房頂部取自由空間5.5m;在x方向取房間進深為5.0m,房前取自由空間4.0m;每列房寬4.0m,3列寬12.0m,樓房兩側各取自由空間2.0m。計算網(wǎng)格取NX×NY×NZ=58×34×77=151844。火源熱釋放量在各個房間都設為219.4kW。使用PHOENICS3.5版本進行計算。為方便下面要多次提到的幾個典型截面位置的簡單敘述,定義了幾個截面為:A1截面,位于y=8.28m處,該截面穿過有熱源的高溫區(qū);A2截面位于y=4.12處,屋內(nèi)距窗0.28m,在交錯網(wǎng)格中,對于y方向的速度v,A2截面即為窗戶的內(nèi)側面;A3截面位于y=3.84m處,該截面上有每個房間和外界的惟一的通道,窗口;A4截面位于y=3.56m處,窗外0.28m距離的截面;A5截面位于x=8.0m處,3列房間的中間一列的中線位置。3溫度對樓樓高溫區(qū)的影響當樓房下面3層房間發(fā)生火災,外界風從正向以1.0～9.0m/s的速度吹向樓房時,樓房窗前的流動狀態(tài)有所變化。圖2(a)和圖2(b)是A5截面上第二層房間在v為1.0m/s和6.0m/s的矢量圖。圖2(a)表明,當外界風速為1.0m/s時,樓房前主要為以浮力產(chǎn)生的熱氣流向上運動的流動狀態(tài)為主。圖2(b)表明,當外界風速為6.0m/s時,窗前的流動狀態(tài)顯示出以外界冷氣流的運動狀態(tài)為主。圖3(a)和圖3(b)是外界風速在1.0m/s和3.0m/s時,A1截面處與溫度成正比例的熱密度C1的變化規(guī)律。可以看出,當外界有正向風吹來時,不同樓層的房間高溫區(qū)受外界風速的影響,其運動狀態(tài)也有不同。圖3中都顯示出第二層和第三層樓房的溫度場分布近似。這都是外界不同的溫度環(huán)境造成的。圖3(a)的外界風速只有1.0m/s,第一、第三列房間的高溫氣流向中間有微小的傾斜。在圖3(b)中,外界風速為3.0m/s,使熱密度較大的熱源已有較強的向中間運動的動態(tài)傾斜。因為風從正向吹來后,在樓房前成為向兩側運動的橫向氣流,由于氣體黏性的作用,會使得房間內(nèi)的氣流逆著外界氣流的方向運動,像作一個大的漩渦運動。圖4(a)、圖4(b)是外界正向風速為6.0m/s情況下,在A4截面上y方向速度v和z方向速度w的分布圖像。從圖4(a)可以看出,進入窗口前在A4截面上所有窗口中心處的速度v基本保持為4.0m/s。圖4(b)表明:外界風以6.0m/s速度吹來時,每個窗口都出現(xiàn)窗口下沿速度w是向上的正值;窗口上沿速度w是向下的負值。圖5是在A2截面上,即窗戶內(nèi)側附近速度v的分布圖像。圖像充分顯示出外界冷氣流以6.0m/s的速度從正向吹來時,樓房的中列和左右兩列,在第一、第二、第三層有熱源的房間和第四層無熱源的房間,流動狀態(tài)有很大的差別。圖5中表明:在第一、二、三層窗口附近,其下半部分的氣流向房間內(nèi)流動(v為正值);在其上半部分的氣流向外流動(v為負值)。不管房間在哪一層哪一列,都有清楚的速度中性面。正向吹來的氣流在樓房前向兩側的運動使得進出房間的速度中性面均呈斜面,尤其是靠邊界的兩列房間。在一、二、三層有熱源的房間中,靠邊界的兩列房間,其中性面約為45°從里向外的斜面。4各平面內(nèi)的速度分布圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)是外界風速為3.0m/s情況下,在第一、二、三列房間的中線位置的第三層房間內(nèi)外的速度矢量圖。圖6中表明,3列房間第三層的窗前位置的主流矢量有很大的區(qū)別。圖6(a)所示的第一列房間窗前一定程度地由外界風速控制;第三列房間窗前主要受向上運動的浮力控制。5火災救援時的注意事項當小城鎮(zhèn)多層建筑物發(fā)生火災時,外界風向和風速對有熱源與無熱源的房間內(nèi)的流動特性均有影響,風速不同影響程度不同。當外界風速等于或高于6.0m/s時,窗前的流動狀態(tài)顯示出以外界冷氣流的運動狀態(tài)為主。一般說,冷空氣的進入具有降溫和助燃兩方面的作用。如果處理得當,可利用其降溫作用為人員進去滅火創(chuàng)造有利條件,但是,值得注意的是,進入的冷空氣的助燃作用尤其不可忽視。有資料表明,只要室內(nèi)仍有明火,無論從何處進風都會使燃燒加強,有時還可導致煙氣回燃。發(fā)生回燃可使室內(nèi)的溫度和壓力急劇增高,并加大火勢,不僅能對建筑物造成很大的破壞,而且也對救火人員構成嚴重威脅,因此,在火災救援時應特別注意。當外界風從建筑物正面吹來時,會在樓房中線附近分界,再向樓房兩側運動。因黏性作用,向兩側運動的橫向氣流,會使房間內(nèi)的高溫區(qū)和流場,朝著與外界氣流相反的方向運動。因此,對于門洞,尤其是內(nèi)墻門而言,為有效阻擋火勢的蔓延,在滿足使用寬度和疏散寬度的前提條件下,應盡量控制門洞寬度和盡量采用不易燃燒的制門材料。正向風情況下,樓房第二層和第三層房間溫度場分布和流動特性都是相似的且都與第一層房間不同。這主要是在浮力作用下,房間外部的溫度和流動狀況的差別造成的。側向風情況也類似。不同外界風速會使房間內(nèi)部和窗口的速度中性面沿橫向傾斜不同的角度。針對外界風速較大情況下的火災特點,為減少火災損失,火災救援可采取如下措施:(1)優(yōu)先救人?；馂脑谕饨顼L影響下,燃燒更為猛烈,蔓延更為迅速,更容易造成人員傷亡,故這種情況下救人是首先應該考慮的第一項重要任務。(2)適當進行破拆,建立一定的空間地帶。在外界風速較大的情況