研究背景

   
   
   

       作為EDF R&D較早開發(fā)的代碼， MAGIC被廣泛運用在工業(yè)應用中，主要包括火災安全分析，防火區(qū)分區(qū)以及火災概率風險評估等。然而MAGIC所能模擬的溫度范圍較小，對流體模擬的精細程度不夠，且實際工程往往要求對大型復雜幾何空間內(nèi)火災后空氣和煙的流動做精細的建模與模擬，因此CFD數(shù)值模擬顯得尤為重要。本文提供了一種運用CFD軟件Code_Saturne對室內(nèi)火災進行3D計算模擬的數(shù)值方法。

算例1：庚烷燃燒的模擬

   
   

       如上圖所示，模擬區(qū)域為21m x 7m x 3.8m 的長方體空間，其中庚烷在中心2m x 1m 的區(qū)域燃燒。整個區(qū)域的網(wǎng)格劃分如下圖，在庚烷燃燒區(qū)域網(wǎng)格劃分的更加精細，以更好的記錄該區(qū)域流體溫度和速度的變化。

       其中模擬所用到的物理參數(shù)包括庚烷的燃燒熱44.6MJ/kg，燃燒功率在28min的模擬時長中保持常數(shù)1140kW，庚烷的熱解率為0.025kg/s，其初始溫度假設為371K（沸騰溫度）；空間周圍的墻壁假設為有一定導熱系數(shù)，厚度以及發(fā)射率的壁面，初始時的空氣溫度設為30℃。本文對庚烷在不同湍流模型和輻射模型下的燃燒行為進行了模擬以及對比。

       對于不同湍流模型的速度(m/s)和溫度(℃)模擬結果如下：

k-ε模型速度場

k-ε模型溫度場

k-ω模型速度場

k-ω模型溫度場

LES模型溫度場

       同樣地，不同輻射模型的模擬結果如下：

       P1模型，衰減系數(shù)為常數(shù)0.35m-1

       DOM模型，衰減系數(shù)為常數(shù)0.35m-1

        DOM模型，衰減系數(shù)為0.05~0.35m-1

       由上述圖像可知，對于不同湍流模型和輻射模型模擬結果雖有部分不同，但Code_Saturne的模擬結果總體上與實際情況相同，可以較好地對火災進行模擬。

算例2：酒店房間內(nèi)的火災模擬        
       

       
       

       在之前簡單立方體模型的基礎上增加了一些家具的布置以模擬真實的房間環(huán)境，對酒店房間內(nèi)的空間進行了建模以及網(wǎng)格劃分，如上圖所示。其中房間內(nèi)的墻壁，隔板以及天花板等壁面結構都定義了厚度，材料，比熱容和傳熱系數(shù)；床，柜子等其他家具假設為相同燃燒熱20MJ/kg，以其總質量計算放熱。

酒店房間火災模擬結果

       房間溫度(K)和空氣速度場(m/s)在不同時刻的變化如下圖所示：

       可以看出，從開始燃燒起，室內(nèi)溫度不斷增加，主要集中在點火區(qū)域；同時空氣流速也不斷增加，流動方向從初始燃燒區(qū)域沿天花板一直到走廊區(qū)域，符合實際情況。

       房間內(nèi)CO2在空氣中的質量占比(kg/kg)隨時間的變化如下圖所示：

       同樣地，CO2在燃燒區(qū)域的占比隨時間越來越大，且主要集中在房間上方。然而上述模擬結果顯示燃燒產(chǎn)物CO2生成的速度太快，可能是因為入口空氣流量設置不準確所導致，因此需要進一步確定對流和擴散的流量。    

結論與展望
         

         

   本片內(nèi)容的主要結論如下:

• 運用Code_Saturne軟件模擬了不同湍流模型和輻射模型下長方體空間內(nèi)庚烷燃燒時空氣流動特性

• 運用Code_Saturne軟件模擬了酒店房間內(nèi)火災時空氣的流動特性

  
  

       未來可以改進的地方：

   

• 可以考慮更多火災時的物理現(xiàn)象，如熱解模型，煙炱，水霧和碰撞等

• 優(yōu)化模擬的邊界條件