基本信息
- 项目名称：
- 在建高层建筑火灾数值模拟与分析
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 为了探究在建高层建筑火灾蔓延规律以及温度和烟气在高层建筑火灾中的分布状态，以央视北配楼火灾为背景，应用火灾动力学软件FDS，对火灾进行模拟与分析。实验得到了“表皮过火”火灾蔓延途径和火灾中空气温度、烟气浓度在建筑周围的分布规律。分析得出建筑防烟性能的重要性，并提出了防烟间距的概念。作品对“表皮火灾”的控制和救援提供理论依据，对理论计算确定高层建筑防火间距提供了参考，具有很强的工程应用价值。
- 详细介绍：
- 目前国内关于高层建筑火灾研究主要在建筑防排烟方式和高温烟气在建筑内的分布情况，对“表皮火灾”蔓延过程和高温烟气在建筑外部分布状态研究较少。本作品采用大涡模拟技术，以央视北配楼火灾为背景，对“表皮火灾”进行模拟与分析。实验得到“表皮火灾”蔓延的两条主要途径：一方面通过表皮可燃材料迅速蔓延至楼顶，再由表面向建筑内部蔓延；另一方面先通过着火点向建筑内部蔓延，再通过连续中庭、楼梯间向上蔓延，最后再由内向外蔓延。分析得出：热对流和热辐射两种途径下的热能以及烟气在建筑外部环境中的分布状态；火灾中空气温度和烟气浓度随离着火面距离增加先升高，再降低。比较得出烟气的危害范围大于温度，因此在确定防火间距时还需要考虑建筑的防烟性能和防烟间距。本作品对“表皮火灾”的控制和消防救援提供理论依据，提出烟气是确定防火间距的主要因素之一，并为从理论计算的角度确定防火间距提供了参考，创新性明显，具有很强的工程应用价值。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 1.目的：得到在建高层建筑发生“表皮火灾”时的蔓延途径和温度场、热辐射场及烟气在周围环境中的分布状态。 2.基本思路：以央视北配楼火灾为模型背景建立“表皮火灾”的FDS模型，通过还原火灾发展过程、分析各切片和测点的数据得到火灾蔓延过程和烟气分布状态。
科学性、先进性及独特之处
- 1.科学性：采用美国国家标准技术局开发的火灾动力学模拟软件(FDS) ，软件选择和建模均符合实验要求。 2.先进性：运用先进的大涡模拟技术，以央视北配楼火灾为模拟对象，成功再现高层建筑 “表皮火灾”蔓延过程。 3.独特性：得出高层建筑“表皮火灾”蔓延途径，分析了热对流和热辐射两种途径下的热能以及烟气在建筑外部的分布状态，提出建筑防火间距必须与建筑整体防烟性能和两栋建筑之间的防烟间距综合考虑。
应用价值和现实意义
- 1.得到了 “表皮火灾”的两条蔓延途径，为从建筑结构、建筑消防布置、装饰材料等方面预防和控制此类火灾提供依据。 2.得到了热能和烟气在建筑外部的分布情况，对此类火灾的扑救提供指导，为合理确定高层建筑防火间距提供理论依据。 3.强调建筑防烟性能并提出防烟间距的概念，为减小火灾过程中周围居民受烟气影响提供了参考依据。
学术论文摘要
- 为了探究在建高层建筑火灾蔓延规律以及温度和烟气在在建高层建筑火灾中的分布状态，以央视北配楼火灾为背景，应用火灾动力学软件FDS，对火灾进行模拟与分析。实验得到了“表皮过火”火灾一方面通过表皮可燃材料迅速蔓延至楼顶，再由表面向建筑内部蔓延；另一方面先通过着火点向建筑内部蔓延，再通过连续中庭、楼梯间等向上蔓延。通过烟气分析得到：火灾中空气温度和烟气浓度随离着火面距离增加先升高，再降低；在计算建筑的防火间距时，还要充分考虑建筑的防烟间距和建筑的防烟性能。通过改变表面装饰材料燃烧最高温度和发射率可以降低热辐射对周围建筑的影响。
获奖情况
- 论文《Numerical Simulation and Analysis of On-building High-rise Building Fires》2010年12月收录于中国消防协会、中山大学、清华大学、中国科技大学主办的“第五届消防性能化与消防工程研讨会”论文集（中文版由《消防科学与技术》期刊结集出版，英文版被ISTP、EI收录）。 论文《环境因素对隧道火灾蔓延的数值模拟与分析》2010年发表于《消防科学与技术》（中文核心）第29卷第5期。 论文《风速对高层建筑火灾时环境中烟气分布的影响》2011年发表于《中国安全生产科学技术》（中文核心）第8期。
鉴定结果
- 无。
参考文献
- [1] 靖成银,何嘉鹏,周汝,许小磊. 高层建筑火灾烟气控制模式的数值分析[J].建筑科学, 2009,25(7):18-23. [2] 赵江平,冯文兴,武来喜.建筑火灾烟气中CO迁移规律的FDS模拟[J].中国安全科学学报,2008,18(6):18-22. [3] 朱杰,霍然,付永胜.超高层建筑火灾防排烟研究[J].消防科学与技术,2007,26(1):54-57. [4] 肖国清, 廖光煊. 建筑物火灾中入的疏散方式研究[J].中国安全科学学报,2006,16(2): 26-29. [5] 中华人民共和国公安部GB 50045—95.高层民用建筑设计防火规范(2005年版)[S]. 中国计划出版社,2005. [6] Noah L. Ryder, ChristopherF. Scheme,l Sean P. Jankiewicz. Near and far field contam ination modeling in a large scale enclosure: fire dynamics simulator comparisons with measured observations[J]. Journal of Hazardous Materials, 2006(130): 182-186. [7] L.H. Hu, R. Huo, W. Peng, W.K. Chow, R.X. Yang. On the maximum smoke temperature under the ceiling in tunnel fires[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 21: 650-655. [8] 龙文志. 央视新址火灾对幕墙的反思(一) [J].门窗,2009(2):4-10. [9] 龙文志. 央视新址火灾对幕墙的反思(二) [J].门窗,2009(3):9-14. [10]陈国庆,袁新彦,吴杰.火灾烟气毒害分析[J].适用全科医学,2004,2(4):353-354.
同类课题研究水平概述
- 随着计算机技术的飞速发展和计算流体力学(CFD)理论的不断完善，火灾数值模拟技术也得到了快速发展。目前，火灾数值模型主要有以下几种：专家系统、区域模型、场模型、网络模型和混合模型。FDS就是由美国NIST开发的一种场模拟程序。FDS(Fire Dynamics Simulator)是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N—S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。FDS程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证，因而在火灾科学领域得到了广泛应用。 国外应用及成果已经非常丰富，现在大量运用于火灾事故调查和评估中。国内的使用和研究也在不断发展壮大中，运用较为成熟的有清华大学、中国科技大学、消防研究所等。软件应用领域主要为：隧道、机场、剧院及大型厂房等的火灾分析及预防的数值模拟。对数值模拟在高层建筑火灾中的运用，国内很多高校和研究院所已经进行了较深入的研究。 中国科技大学火灾科学国家重点实验室对高层建筑火灾进行了深入的研究。霍然针对现代超高层建筑火灾的危害特点,研究了防排烟设计在超高层建筑防火设计中的重要性, 分析了超高层建筑火灾烟气蔓延的影响因素, 提出了超高层建筑火灾防排烟的措施。蒋勇等将计算机数值模拟技术应用于火灾调查，采用大涡模拟方法再现国内某大厦特大火灾坍塌事故的发生过程，完善火灾调查结论。西安建筑科技大学赵江平等采用FDS软件分别对CO在T型“侧间一走廊”典型建筑和高层建筑物内火灾烟气在垂直方向的运动规律进行模拟分析，得到了烟气在走廊中的水平和垂直流动特征和在防火门开启状态下各层楼梯间及走廊中火灾烟气的浓度变化情况。南京工业大学何嘉鹏等根据我国现有高层建筑所采用的主要防排烟方式，采用CFD的方法完成了火灾时烟气的不同控制模式的模拟，并进行了模拟结果比较。中国矿业大学朱国庆等研究了设有吹拔空间的高层建筑烟气流动及火灾蔓延特征,分析其对防火分区和安全疏散的影响。 综上所述：目前国内关于高层建筑火灾研究更多的是在建筑防排烟方式和火灾期间高温烟气在建筑内的分布情况,而本文基于超高层建筑“表皮火灾” 现象, 重点研究火灾蔓延和高温烟气在建筑外部分布情况,强调了建筑防烟性能的重要性，并提出了防烟间距的概念，创新性明显，具有很强的工程应用价值。
