第43卷 第9期 2010年9月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University
Vol.43 No.9Sep. 2010
外界温度对民宅室内火灾影响的数值仿真
郜 冶，霍 岩，武红梅
(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001)
摘 要：为了研究不同的外界温度情况对民宅室内火灾的影响，应用湍流大涡模拟(LES)对哈尔滨市某小区内的一小户型民宅室内火灾进行了数值模拟．模拟结果表明，进入室内的外界不同温度的处界气体对火势发展初期影响不大，但会影响房间内的热积累，随着火势的发展，对热烟气流动的影响也逐渐明显．进入室内的不同温度的外界气体对火灾烟气在水平方向上扩散影响较小；烟气层沉降速度会随着进入室内的外界气体温度降低而加快；外界温度越低，越有利于抑制火势的扩大，但同时越不利于火灾产生的烟气等有毒物质的排出． 关键词：火灾；外界温度；场模拟
中图分类号：TU998.12；X932 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2010)09-0777-06
Numerical Simulation of Effect of Ambient Temperature
on Fire in Habitation
GAO Ye，HUO Yan，WU Hong-mei
(College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)
Abstract：In order to assess the effect of ambient temperature on fires in habitation，numerical simulations of fires in
a small apartment in Harbin were conducted using large-eddy simulation(LES). Simulation results show that different ambient temperatures did not have much effect on fire development in the early stage but had influence on heat built-up of the apartment. The effect of smoke became more significant with the development of the fire. The sedimentation rate of smoke layer increased with the decrease of the ambient temperature，however，the horizontal motion rateof smoke was not affected by the ambient temperatures significantly. In addition，fire spreading could be suppressed due to lower ambient temperature yet toxic productions of the fire found it more difficult to be exhausted from the win-dow at low ambient temperature.
Keywords：fire；ambient temperature；field simulation
与同类火灾(房屋建筑物火灾)相比，居民住宅是发生火灾频率最高的场所，严重威胁着家庭成员的生命和财产安全，同时也给社会稳定及经济发展带来巨大影响．居民住宅火灾形势的严峻性，要求我们认真研究分析其火灾原因、特点，制定相应的防范对策，这是当前乃至今后消防监督工作中的主要任务之一．
我国现代居民住宅通常都是单元式的，其火灾特点为：火场温度高，空气压力大；由于可燃物较多，因此局部空间内火势猛烈，且蔓延速度快；易造成巨大人员伤亡．在我国北方冬季气温较低，外界气温可达到-30℃左右，夏季的平均温度高于30℃，而居民住
收稿日期：2009-04-10；修回日期：2010-02-26.作者简介：郜 冶（1953— ），男，教授. 通讯作者：郜 冶，[email protected].
宅室内的温度在空调或暖气的作用下全年可维持在
24℃，因此一旦发生火灾，不同的季节会有不同外界温度的空气由门、窗等开口进入室内，这种进入室内的不同温度的外界气体究竟会对室内的热烟气运动和火势的蔓延发展存在什么样的影响是笔者所要研究的主要问题．
研究火灾最直接并且最可靠的方法是全尺寸实验法，但火灾试验是一种损毁性实验，全尺寸火灾实验的费用十分昂贵，并且能产生不同外界气体温度条件的全尺寸实验装置也比较复杂．近年来，随着计算机的发展，火灾流场的数值模拟技术迅速发展，弥补
·778· 天 津 大 学 学 报 第43卷 第9期
了实验的不足，该技术是将火灾过程中的确定性规律抽象成数学表达式(微分方程或代数方程)，通过对控制方程的求解来模拟再现这种规律．目前，火灾的计算机模拟技术已经成为火灾科学研究的重要方法之一[1-2]．
1 模型场景及计算设置
模拟场景选择为哈尔滨市某小区内一小户型住
房，三维模型结构及尺寸如图1所示．住宅共分为A、B、C、D 4个房间，各房间通过1.0m×1.9m(宽×高)的门相通；A、C房间在距地面1.0m高的位置各有一个1.1m×1.2m(宽×高)的窗口与外界大气相通，B房间也有一个门与外界大气相通(图1(b))．室内的初始温度设定为24℃，分别考虑室外的外界温度为-25℃、-10℃、0、10℃、20℃和35℃ 6种情况对室内火灾流场的影响．为对火灾流场进行准确的模拟，选择美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的数值软件FDS4.07(Fire Dynamic Simulator 4.07)[3-4]
为模拟平台．目前，FDS软件计算结果的准确性已得到了大量的实验验证[5-6]，并且已被认为是火灾研究的重要工具之一[7]．其主要求解适用于低马赫数的浮力驱动流方程[8]，主要方程为
(a)模型的几何尺寸
(b)模型俯视图
图1 民宅结构示意
Fig.1 Schematic layout of habitation
∂ρ
∂t
+∇⋅ρv=0 (1) ρ⎛⎜∂v⎝∂t+12∇v2−v×Ω⎞
⎟⎠+∇p−ρg=∇⋅σ (2)
ρcp⎛⎜∂θ⎞dp
⎝∂t+v⋅∇θ⎟⎠
−dt=q
第43卷 第9期 2010年9月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University
Vol.43 No.9Sep. 2010
外界温度对民宅室内火灾影响的数值仿真
郜 冶，霍 岩，武红梅
(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001)
摘 要：为了研究不同的外界温度情况对民宅室内火灾的影响，应用湍流大涡模拟(LES)对哈尔滨市某小区内的一小户型民宅室内火灾进行了数值模拟．模拟结果表明，进入室内的外界不同温度的处界气体对火势发展初期影响不大，但会影响房间内的热积累，随着火势的发展，对热烟气流动的影响也逐渐明显．进入室内的不同温度的外界气体对火灾烟气在水平方向上扩散影响较小；烟气层沉降速度会随着进入室内的外界气体温度降低而加快；外界温度越低，越有利于抑制火势的扩大，但同时越不利于火灾产生的烟气等有毒物质的排出． 关键词：火灾；外界温度；场模拟
中图分类号：TU998.12；X932 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2010)09-0777-06
Numerical Simulation of Effect of Ambient Temperature
on Fire in Habitation
GAO Ye，HUO Yan，WU Hong-mei
(College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)
Abstract：In order to assess the effect of ambient temperature on fires in habitation，numerical simulations of fires in
a small apartment in Harbin were conducted using large-eddy simulation(LES). Simulation results show that different ambient temperatures did not have much effect on fire development in the early stage but had influence on heat built-up of the apartment. The effect of smoke became more significant with the development of the fire. The sedimentation rate of smoke layer increased with the decrease of the ambient temperature，however，the horizontal motion rateof smoke was not affected by the ambient temperatures significantly. In addition，fire spreading could be suppressed due to lower ambient temperature yet toxic productions of the fire found it more difficult to be exhausted from the win-dow at low ambient temperature.
Keywords：fire；ambient temperature；field simulation
与同类火灾(房屋建筑物火灾)相比，居民住宅是发生火灾频率最高的场所，严重威胁着家庭成员的生命和财产安全，同时也给社会稳定及经济发展带来巨大影响．居民住宅火灾形势的严峻性，要求我们认真研究分析其火灾原因、特点，制定相应的防范对策，这是当前乃至今后消防监督工作中的主要任务之一．
我国现代居民住宅通常都是单元式的，其火灾特点为：火场温度高，空气压力大；由于可燃物较多，因此局部空间内火势猛烈，且蔓延速度快；易造成巨大人员伤亡．在我国北方冬季气温较低，外界气温可达到-30℃左右，夏季的平均温度高于30℃，而居民住
收稿日期：2009-04-10；修回日期：2010-02-26.作者简介：郜 冶（1953— ），男，教授. 通讯作者：郜 冶，[email protected].
宅室内的温度在空调或暖气的作用下全年可维持在
24℃，因此一旦发生火灾，不同的季节会有不同外界温度的空气由门、窗等开口进入室内，这种进入室内的不同温度的外界气体究竟会对室内的热烟气运动和火势的蔓延发展存在什么样的影响是笔者所要研究的主要问题．
研究火灾最直接并且最可靠的方法是全尺寸实验法，但火灾试验是一种损毁性实验，全尺寸火灾实验的费用十分昂贵，并且能产生不同外界气体温度条件的全尺寸实验装置也比较复杂．近年来，随着计算机的发展，火灾流场的数值模拟技术迅速发展，弥补
·778· 天 津 大 学 学 报 第43卷 第9期
了实验的不足，该技术是将火灾过程中的确定性规律抽象成数学表达式(微分方程或代数方程)，通过对控制方程的求解来模拟再现这种规律．目前，火灾的计算机模拟技术已经成为火灾科学研究的重要方法之一[1-2]．
1 模型场景及计算设置
模拟场景选择为哈尔滨市某小区内一小户型住
房，三维模型结构及尺寸如图1所示．住宅共分为A、B、C、D 4个房间，各房间通过1.0m×1.9m(宽×高)的门相通；A、C房间在距地面1.0m高的位置各有一个1.1m×1.2m(宽×高)的窗口与外界大气相通，B房间也有一个门与外界大气相通(图1(b))．室内的初始温度设定为24℃，分别考虑室外的外界温度为-25℃、-10℃、0、10℃、20℃和35℃ 6种情况对室内火灾流场的影响．为对火灾流场进行准确的模拟，选择美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的数值软件FDS4.07(Fire Dynamic Simulator 4.07)[3-4]
为模拟平台．目前，FDS软件计算结果的准确性已得到了大量的实验验证[5-6]，并且已被认为是火灾研究的重要工具之一[7]．其主要求解适用于低马赫数的浮力驱动流方程[8]，主要方程为
(a)模型的几何尺寸
(b)模型俯视图
图1 民宅结构示意
Fig.1 Schematic layout of habitation
∂ρ
∂t
+∇⋅ρv=0 (1) ρ⎛⎜∂v⎝∂t+12∇v2−v×Ω⎞
⎟⎠+∇p−ρg=∇⋅σ (2)
ρcp⎛⎜∂θ⎞dp
⎝∂t+v⋅∇θ⎟⎠
−dt=q