FDS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用探討

薛 偉，耿志偉 (東北林業(yè)大學工程技術(shù)學院，黑龍江哈爾濱150040)

貯木場具有木材生產(chǎn)、貯存和銷售三大特性，在木材的產(chǎn)銷之間起調(diào)節(jié)和緩沖作用。因木材生產(chǎn)季節(jié)性強，貯木場內(nèi)長時間存放大量原木、原條和木材加工產(chǎn)品，一旦發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)濟損失非常慘重。因此，為預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生并在火災(zāi)發(fā)生后能夠及時控制火情，一系列針對原木及其楞堆燃燒規(guī)律的研究也相應(yīng)展開。目前主要的研究方法為試驗?zāi)M與數(shù)值模擬，而FDS(Fire Dynamics Simulator，簡稱FDS)作為重要的場模擬軟件之一，在原木以及楞堆火災(zāi)的數(shù)值模擬中發(fā)揮了重要的作用。FDS數(shù)值模擬在國內(nèi)的使用與研究不斷發(fā)展，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到機場、隧道、劇院、核電廠及大型廠房等的火災(zāi)［1］。但是關(guān)于FDS在原木火災(zāi)研究的應(yīng)用并沒有系統(tǒng)的探討及總結(jié)。筆者從FDS軟件的應(yīng)用出發(fā)，歸納FDS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對FDS在原木火災(zāi)數(shù)值模擬應(yīng)用過程中的問題進行探討，以促進原木火災(zāi)發(fā)展規(guī)律研究的開展以及FDS在原木火災(zāi)研究中的廣泛運用。

1 FDS的基本介紹

FDS模擬是美國國家標準研究所(NIST)建筑與火災(zāi)研究實驗室(BFRL)開發(fā)的三維計算流體動力學軟件。結(jié)合Smokeview這一可視化程序，對火災(zāi)湍流流動過程進行模擬并直觀地展示模擬結(jié)果。FDS的主要使用流程如圖1所示。

場模擬中處理湍流的方法可分為直接數(shù)值模擬(Direct Numerieal Simulation，簡稱DNS)、雷諾平均模擬(Rynld Averaged Navier-stokes Simulation，簡稱 RANS)以及大渦模擬(Large Eddy Simulation，簡稱LES)。DNS可得到所有時間尺度和空間尺度上的湍流特征量，但其計算量巨大，因此一般用于解決簡單的小尺度的流動問題。RANS求解的最小時間尺度和空間尺度是和流動特征值可比的，對網(wǎng)格劃分要求不高，計算量相對較小，可用于復(fù)雜物理場景的模擬。LES直接求解表征流體流動特性的含能大渦，而對隨機性較強的耗散小渦則采用亞網(wǎng)格模型進行模擬，既克服了RANS不能反映流體瞬時特性的缺點，又減少了數(shù)值模擬的計算量，目前正處于發(fā)展的活躍階段。

原木及其楞堆的火災(zāi)多發(fā)生在貯木場這種開放環(huán)境中，計算區(qū)域較大，物理場景也較為復(fù)雜，且原木火災(zāi)是集煙氣流動、傳熱、輻射、燃燒、炭化及其相互作用的復(fù)雜燃燒過程，模擬計算量大，而LES不僅可以滿足場景模擬要求而且計算量相對較小。因此，目前在原木火災(zāi)的數(shù)值模擬中主要采用的是LES方法。

2 FDS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用探討

FDS自2000年公開發(fā)布以來就受到普遍的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，該模型大約有50%應(yīng)用于煙氣控制系統(tǒng)，50%應(yīng)用于居民和工業(yè)建筑火災(zāi)后的重建和修復(fù)［2］。隨著貯木場消防安全管理的發(fā)展，原木及其楞堆燃燒的理論有待進一步深入研究的情況下，原木火災(zāi)的實驗研究與數(shù)值模擬也逐漸展開。

2.1 FDS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀 最初卞偉等［3－4］在森工貯木場楞堆火災(zāi)模擬模型分析與評價中分析討論了FDS場模型的可行性，之后FDS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用逐漸多起來?？傮w來看，F(xiàn)DS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用主要在以下方面。

2.1.1 原木楞堆火災(zāi)溫度場的數(shù)值模擬。張光俊等［5－6］通過室外原木燃燒模擬試驗，驗證數(shù)值模擬程序的通用性與可靠性。試驗對象為直徑在0.10～0.12 m，長度為1 m的云杉原木，其平均含水率為20%，楞堆由下至上依次為10－9－8－7－6根原木排列，環(huán)境溫度13℃，平均風速3 m/s。

運用LES方法對大空間的原木楞堆燃燒進行模擬，模擬結(jié)果分析包括楞堆的端面溫度與楞堆的燃燒周圍溫度場2個方面。模擬燃燒過程采用固定熱釋放速率。所建立的適用于原木火災(zāi)研究的數(shù)學物理模型，包括基本方程組、輻射模型、燃燒模型。對比分析的結(jié)果表明，在輸入?yún)?shù)合理的情況下FDS可以對貯木場楞堆燃燒進行合理的預(yù)測，而且模擬曲線比實測溫度變化平穩(wěn)且規(guī)律性更強，因此將FDS應(yīng)用于貯木場防火領(lǐng)域是可行的，且對于研究原木火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律具有現(xiàn)實意義。

2.1.2 原木楞堆火災(zāi)煙氣溫度變化的數(shù)值模擬。辛穎等［7］采用FDS軟件對原木楞堆在長方體單室結(jié)構(gòu)的煙氣變化規(guī)律進行了數(shù)值模擬。單室(10 m×10 m×7 m)內(nèi)有一個可燃原木楞堆，頂部設(shè)置一個矩形通風口，右側(cè)設(shè)置一個2 m×4 m的門，墻壁厚度為0.025 m;可燃單根原木尺寸為0.25 m×0.25 m ×1.00 m，位于單室內(nèi)中央。

通過提取楞堆中心線所在平面的溫度切片，原木在燃燒過程時會在楞堆上方形成連續(xù)火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)和無火焰熱氣流區(qū)。楞堆火源上方形成高溫煙氣羽流，并在流動過程中與沿程區(qū)域不斷進行熱交換，使得楞堆周圍環(huán)境溫度不斷升高。通過提取不同高度Z=2、4、6 m煙氣溫度，原木楞堆火災(zāi)經(jīng)過一段時間的燃燒后會進入穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)(該試驗條件下是300 s)，此時會有比較穩(wěn)定的煙氣分層現(xiàn)象，而且在原木楞堆燃燒的垂直往上的空間環(huán)境中，火災(zāi)煙氣的溫度與水平方向上距離的關(guān)系大致呈現(xiàn)出雙Lorentzian曲線的規(guī)律，且距離原木楞堆越近，曲線的峰值會越大，但是并沒有能夠得出溫度隨垂直高度變化的規(guī)律公式。

2.1.3 細水霧作用下滅火過程的數(shù)值模擬。李雙玉等［8］對細水霧作用下原木楞堆燃燒溫度場進行了試驗研究與數(shù)值模擬，以落葉松為試驗原料，選用長度為1 m、直徑0.25～0.30 m的原木，其含水率在18%～24%。原木堆碼方式為逐層減一的間壓式，最底層8根，最上層3根，共6層33根原木。

模擬過程中采用熱釋放速率隨時間變化而改變的火源。考慮到原木楞堆從初起到蔓延需1 100 s左右，試驗在1 200 s時施加細水霧，并計算溫度下降速率。在比照試驗過程對細水霧滅火過程進行模擬時，重點分析細水霧施加30 s內(nèi)原木火災(zāi)的變化，并動態(tài)展示了原木火災(zāi)的滅火過程，計算不同狀況下的溫度下降速率。同時，運用FDS分析不同霧滴直徑、不同噴霧速度和噴頭距離原木楞堆頂面不同距離等情況下熱煙氣溫度的變化規(guī)律，深化了對細水霧滅火機理的認識，為細水霧化消防技術(shù)用于貯木場火災(zāi)提供了科學指導和理論依據(jù)。

2.2 FDS在原木火災(zāi)研究應(yīng)用中的探討 火災(zāi)研究最直接最有效的方式就是火災(zāi)場景的再現(xiàn)，但大尺度火災(zāi)試驗也是破壞性的和消耗性的，尤其是原木楞堆火災(zāi)的模擬試驗，不僅要消耗大量木材與測試元件，而且火災(zāi)場景的再現(xiàn)也不完美。但借助于FDS數(shù)值模擬結(jié)合Smokeview可視化程序，不僅可以將所求解的原木火災(zāi)溫度場、煙氣場以形象、直觀地方式表現(xiàn)出來，而且降低了試驗成本。但統(tǒng)觀研究發(fā)現(xiàn)在原木火災(zāi)的FDS數(shù)值模擬過程中存在以下問題。

2.2.1 FDS模擬原木火災(zāi)范圍受限。實際中原木是圓柱形，但FDS只給出長方體的構(gòu)造方法，且過于細致的構(gòu)造原木又極大地增加了編寫程序的難度與運行程序時的計算量。因此在原木火災(zāi)的數(shù)值模擬過程中都是將原木進行簡化，以長方體來代替，這樣的模型模擬出來的結(jié)果必然存在一定的誤差。隨其輔助軟件的發(fā)展，如Firesim建模軟件，可以構(gòu)造較為復(fù)雜的場景，因此在將來運用FDS模擬原木火災(zāi)可以適當采用輔助軟件，以提高其模擬精度與可靠性。

2.2.2 FDS對室外原木火災(zāi)環(huán)境的模擬不夠精確。FDS通過時間平均方程求解，對流場的紊流解析存在誤差，無法精確模擬強通風或火旋風等現(xiàn)象，而燃燒時間與燃燒速度、風速大小及方向等都是影響結(jié)果的重要因素。在原木楞堆火災(zāi)溫度場的數(shù)值模擬中就發(fā)現(xiàn)受傳熱方式、通風條件等不確定條件的影響，模擬曲線的最高溫度比實際測量要高，最高溫度差異最大可達100℃，所以在計算區(qū)域、網(wǎng)格劃分、邊界條件的設(shè)置中要檢驗其合理性，使得FDS壁面條件設(shè)定盡量滿足對室外之一特定的空間環(huán)境的模擬要求。

2.2.3 火源熱釋放速率描述曲線的準確度不夠。FDS軟件中火源設(shè)置采用了體積熱源法，以降低模擬的難度。如果將火源設(shè)計為一個有限大小的固定熱源，則是將火源熱釋放速率設(shè)計為穩(wěn)態(tài)火源或按t2規(guī)律變化。但是不恰當?shù)幕鹪葱再|(zhì)以及熱釋放速率曲線也會使得模擬結(jié)果誤差很大，或者不能夠精確描述火場分布。火源的熱釋放速率變化規(guī)律影響火災(zāi)的蔓延過程，同時輻射換熱量超過一定的限度時也會加速火災(zāi)的蔓延，甚至引起轟燃現(xiàn)象。在模擬過程中，應(yīng)當對火源設(shè)定的準確性予以檢驗，以滿足原木火災(zāi)計算區(qū)域尺度大、各控制方程耦合求解的要求，同時也能注意火源的燃燒及蔓延過程對于煙氣流動的影響。

2.2.4 網(wǎng)格劃分單一。在FDS模擬過程中根據(jù)模擬對象的特征尺度來劃分網(wǎng)格。為保證計算的精度，一般是選取比特征尺度小1～2個數(shù)量級的網(wǎng)格維度。因此在原木火災(zāi)的數(shù)值模擬中，網(wǎng)格大小均小了1個數(shù)量級。但在實際的模擬中，不同位置的計算區(qū)域所起的作用不同，受網(wǎng)格大小影響也不同。比如火源周圍及其他關(guān)鍵部位的網(wǎng)格尺寸應(yīng)該足夠小以確保計算的正確性;而遠離火源受到影響較小的區(qū)域可以適當?shù)胤糯缶W(wǎng)格尺寸，以減少計算時間。因此，應(yīng)當根據(jù)實際情況，采用多種網(wǎng)格劃分的方式來減少模擬的計算量。

2.2.5 FDS軟件中木材性質(zhì)的種類少。木材的種類、含水率等木材性質(zhì)都對模擬結(jié)果有影響，但FDS軟件只給出了一種木材以供參考，所以有必要改寫其屬性，使它的化學性質(zhì)更加接近于試驗所選原木的燃燒特性，使模擬試驗更加接近于實際燃燒情況。因此，在固定火源燃燒時間及燃燒溫度的情況下，合理設(shè)置木材燃燒性質(zhì)也是實現(xiàn)正確模擬試驗的關(guān)鍵。

2.2.6 FDS在原木火災(zāi)的數(shù)值模擬中應(yīng)用范圍有待拓展。FDS在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用主要在原木楞堆火災(zāi)溫度場、煙氣溫度變化、細水霧滅火過程幾方面，主要觀察其溫度場、煙氣溫度變化、煙氣層分布以及一氧化碳等物質(zhì)的分布情況，對風的考慮較少并且目前還沒有對原木火災(zāi)速度場變化的研究，如質(zhì)量流率、卷吸速度等。將來的研究中可以引入不同的氣流組織方式，對在不同風速下的原木火災(zāi)進行模擬，求解其速度場的分布。

3 結(jié)語

FDS軟件在原木火災(zāi)研究中的應(yīng)用正在逐漸發(fā)展與完善，不僅借助Smokeview可視化軟件實現(xiàn)了原木火災(zāi)場景的再現(xiàn)，將所求解的溫度場以直觀的方式表現(xiàn)出來，同時降低了原木火災(zāi)試驗研究的消耗性，并得到更多的數(shù)據(jù)以供參考。FDS成本低、速度快，能夠適應(yīng)各種情況和計算條件，可以從可能的設(shè)計方案快速地選擇出最優(yōu)方案，但FDS也存在建模不靈活、火源設(shè)置不確切等問題，因此在分析建模、設(shè)置火災(zāi)場景時，一定要以科學負責的態(tài)度對待，重視關(guān)鍵性因素與計算細節(jié)。在今后的研究中不斷修正原木火災(zāi)的FDS模型，充分發(fā)揮FDS的優(yōu)勢，為貯木場原木火災(zāi)理論的豐富、先進消防技術(shù)的運用提供了一定的科學指導和理論依據(jù)。

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