非矩形壁面对大空间建筑火灾空气升温过程的影响分析.pdfVIP

第十届全国现代结构[程学术研讨会 非矩形壁面对大空间建筑 火灾空气升温过程的影响分析 梁劲薛素铎李雄彦 北京工业大学空间结构研究中心，北京100124 提要：目前针对大空间建筑火灾空气升温的数值模拟多采用规则的矩形几何模型，然而实际工程中的大空间建筑为满足使 用功能和建筑造型要求，几何形状经常采用曲面体或壳体。本文采用矩形单元拟合圆弧墙的算法，研究了非矩形边 界对大空间建筑火灾下空气升温过程的影响。分析表明，壁面型式对烟气的辐射换热有重要影响，对于矩形肇面而 言，壁面传热损失较小，空气升温曲线较为陡直，峰值较大；非矩形壁面与矩形壁面的最大空气升温随着壁面高度 的增加而增大；与矩形空间相比，在火灾发生一段时间后，非矩形空间内沿高度方向温度分布梯度较小：辐射换热 受温度的影响显著而与空间位置是否靠近壁面并无强相关性，即温度高其影响大，温度低则影响小。 关键词：大空间温度场场模拟非矩形几何模型 一、引言 火灾对建筑钢结构的危害较大【IJ，近年来钢结构抗火设计方法成为研究热点之一。随着国民经济的发 展，工业与民用建筑向高层、大跨度和综合性方向发展。内部大空间建筑也越来越多，在大空间建筑火灾 中各影响因素综合性发生作用；这也是造成大空间建筑火灾复杂性的原因之一。由于建筑结构与功能的特 殊性，大空间建筑的火灾防治具有难以进行防火防烟分隔、火灾烟气蔓延迅速等特点[2-31。目前对大空间 建筑钢结构在火灾中结构安全性评估多采用设定具体火灾场景，用区域模拟或场模拟预测空气温度，直接 用钢材在高温下力学性能随温度的变化得出结构的设计应力与屈服应力的比值，从而得出结构是否安全的 结论。因此，大空间建筑火灾空气升温的计算模型，是进行建筑钢结构抗火研究的基础。 在现有防火评估方法中，基于场模型的FDS软件可对单室或房间数目较少的火灾模型进行定量分析， 为性能化设计提供必要的技术支持。在同类软件中，FDS计算结果较为精确。但由于使用条件的限制，所 有的FDS计算必须定义在一个直线网格的矩形几何区域内，在描述计算区域、网格划分时值得注意的是， FDS仅仅对矩形结构才能很方便的确定，然而对在新设计观念下建造的大型建筑，不可避免会有很多不规 则结构，这对FDS软件数据文件的建立带来了很大的困难。 目前，针对大空间建筑火灾空气升温的FDS数值模拟多采用规则的矩形几何模型，然而实际工程中的 大空间建筑为满足使用功能和建筑造型的要求，几何形状经常采用曲面体或壳体。本文采用矩形单元拟合 圆弧墙的算法，研究了非矩形边界对大空间建筑火灾空气升温过程的影响。 大空间建筑火灾分析模型 目前，研究大空间建筑火灾温度场有计算机模拟和火灾实验模拟两种方法。实体火灾实验研究是最理 想的方法，但需要投入大量人力、物力、财力，研究周期长。实体火灾实验需要建造或利用与实际规模相 同、材质相同的建筑，模拟实际火灾过程，因而实体火灾实验往往受到制约。随着计算机技术的发展，数 北京市自然科学基金项目 8082004 788 工业建筑2010增刊 第十屑全国现代蛄构1．程学术研讨会 值模拟方法逐渐成为研究火灾问题的另一有效途径。计算机模拟不需要大量的资金建造实验事设施，可以 方便地对不同的影响因素．不同的过程进行研究。然而日前，针对大空问建筑火灾空气温度场的研究处于 起步阶段。文献【4】提出了升滥近似公式，但该公式未考虑建筑排烟、通风以及建筑形状对温度场的影响。 一 区域分析模型 区域模拟近似认为室内分为上部热烟气层和下部冷空气层．每一层气体在空问上均匀一致。j叹区域模 型 图1 是火灾状态的一种理想模型，陵模型将失火空间分为上下两个区域，即上层相对较热的烟气和 下层相对较冷的空气，并假定两层之间分界高度在各处一致，每个区域内部的压力、温度、密度、烟气浓 度等物理参数均匀一致。然后由质量和能量守恒原理及理想气体定律即可导出一组常微分控制方程。区域 之间的质量交换主要由火焰羽流和通风口的掺棍作用造成。能量交换除了由质量交换带来的能量传递外． 还考虑了辐射和导热损失。