CN106815398A - 一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，包括：1、火场数据收集；2、火热耦合数值仿真及分析，获取所需的温度场数据；3、温度场数据处理与转化，对所获取的温度场数据进行处理，使其既能满足有限元软件的输入需要，也能完整地描述火灾发展过程；4、有限元软件数值仿真及分析，对建筑物进行热力结构耦合分析，将热分析得到的温度场数据经过处理后，作为边界体载荷施加在建筑结构中，并结合结构分析的其它荷载，得到结构对火灾的反应。本方法可广泛应用于建筑火灾再现以及建筑结构火灾后的安全设计的实践中，不仅可以提高建筑火灾再现的准确性和可靠性，还适用于火灾事故原因鉴定、火灾科学研究等领域。

Description

一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法

技术领域

本发明涉及建筑火灾的数值模拟方法，具体地，涉及计算流体力学软件模拟后温度场数据的转化，以及将转化所获得的数据直接导入有限元软件中进行建筑结构的力学性能的耦合分析。

背景技术

近年来，建筑火灾发生频繁，不但造成重大的人员和财产损失，也造成建筑物结构的重大损伤，甚至坍塌。应用数值模拟技术再现建筑火灾过程，并对建筑力学性能与结构特性进行分析，显得尤为重要。

对于建筑火灾的模拟与再现主要的研究方法有实验研究、理论分析与数值计算。其中实验研究最为直接，可信度也最高，但是实验成本过高。一个建筑火灾实验将极大地浪费了人力物力。其次是理论分析，进行理论分析需要求解微分方程，然而建筑火车过程中涉及的燃烧模型，辐射模型，湍流模型，流体力学控制方程绝大多数都是非线性微分方程，无法获得其解析解。

由于上述的原因，也随着计算机软硬件技术的发展，计算流体力学仿真技术的日渐成熟，对于建筑火灾应用数值模拟技术便成为了最有效的手段之一。然而现行的一些软件与方法对火灾的再现过程中的火热耦合以及结构分析中的热力耦合模拟存在着以下的缺陷：

第一、现有的商业软件普遍对固体燃烧的数值模拟不支持或者不友好，模拟过程需要经过多步的相似性转换，过程极为繁琐；

第二、对固体燃烧与建筑火灾火势蔓延支持的比较好的一些软件又对温度场的转换与应力应变的结构热力耦合不够友好。

第三、标准的升温曲线虽然在理论研究中具有普适性，但是在实际火灾案例中，该曲线持续增长不衰减是不符合实际的。以此来模拟温度场意味着火灾模型内每个点的温度在同一时刻都是一样的，这明显与实际不符，也将直接给后续的分析带来不容忽视的误差。

第四、设置恒定的热源或热流与火势的发展不符，故所产生的温度场便会有较大的误差，最后将直接导致进行热流耦合结构分析的结果不具有说服力。

第五、通过一些软件模拟直接获取的温度场数据文件与进行热力耦合分析的有限元软件所需的前处理文件不符，无法直接使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法，本发明所采用的建筑火灾火热力耦合方法，科学、合理、高效，能够广泛应用于建筑火灾再现以及建筑结构火灾后的安全设计的实践中，大大节省建筑火灾再现以及结构安全分析评定的时间和经费。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

1、一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法，包括以下步骤：

步骤1：火场数据收集；

步骤2：火热耦合数值仿真及分析

在软件中进行建模，输入火源信息，并设置火源燃烧类型，建立模型实体，其尺寸、位置与火灾现场保持一致，划分结构化六面体网格并在每个网格中布置温度测点后进行仿真，仿真结束之后，获取所需的温度场数据；

步骤3：温度场数据处理与转化

对所获取的温度场数据进行处理，使其既能满足有限元软件的输入需要，也能完整地描述火灾发展过程，包括：

根据有限元软件中分析载荷步的数目与划分的网格后的结构节点数目，计算每个载荷步持续时间与温度场中两个温度点的间距；

编写程序，将每个时间步的该温度值作为该载荷步下有限元软件的温度载荷，对每个载荷步进行相同的处理，结果保存在多个数组中，然后再根据不同的有限元软件所需的格式输出，此时，有限元软件即可直接进行读取；

步骤4：有限元软件数值仿真及分析

在结构场仿真中，对建筑物进行热力结构耦合分析，将热分析得到的温度场数据经过处理后，作为边界体载荷施加在建筑结构中，并结合结构分析的其它荷载，得到结构对火灾的反应。

步骤2中，建模并仿真在开源软件FDS中进行。

步骤2中火热耦合仿真使用的湍流模型为大涡模拟：Smagorinshy亚网格湍流模型；火源燃烧类型设置为单一燃料混合分数燃烧模型和多步反应燃烧模型。

步骤2中，离散的非线性温度通过以下公式迭代获取：

式中分别为第m个网格第n个时间步的温度，压强和密度；

Z_α为第α种气体占该网格中所有气体的质量比；

W_α为第α种气体的摩尔质量。

剩余点温度通过插值法获得：

式中T(x,y,z)为离散温度场中任意一点的温度；

Δx为x坐标方向的离散温度点的间距；

Δⁱf为以▽x为步长的i阶差分；

R_n(x)为差值余项。

步骤3中，每个载荷步持续时间与温度场中两个温度点的间距：

Δt＝t_simulation/n_step

其中Δt为每个载荷步的持续时间；

t_simulation为建筑火灾在软件中的模拟时间；

n_step为有限元软件中设置的载荷步数目；

Δd为所需温度点之间的间隔；

V为某一结构体的体积；

n_mesh为该结构体在有限元软件中所划分的网格数目。

将温度场数据转换为有限元软件可直接使用的场变量的转换方法为：采用Python语言编写程序，利用PYTHON中的CSV库，用reader函数读取FDS对建筑火灾数值模拟后生成的温度场数据文件，再根据这些获取的离散的温度点运行插值法或拟合函数法得到所需的温度场数据，并将其保存在多个数组中，最后转化为相应的有限元软件输入文件。

其中作为ABAQUS边界载荷格式或ANSYS表格变量的形式导入输出格式分别如下所示：

x y z temperature(ABAQUS)

node number x y z temperature(ANSYS)。

步骤4中，将程序处理后的数据作为场变量，或者边界载荷直接导入到不同的有限元软件中，进行墙体或其他结构体的热力耦合分析。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明方法包括：火灾仿真系统环节，对火灾现场数据进行采集，根据所述火灾现场数据对火灾现场建模，对火灾现场进行模拟得到火势发展蔓延，烟气流动，温度变化等结果；数据处理与转换环节，针对已经得到的数据，编制相应的程序，获得有限元软件可直接使用的温度场数据；有限元分析环节，建立有限元模型，将所获得的温度场数据施加到有限元模型中进行有限元分析得到有限元分析结果，对有限元结果进行安全评估。较之现有的运用升温曲线模拟温度场或设置恒定热源等热力耦合的方法，本方法利用对固体燃烧，火势发展蔓延直接模拟获得的温度场，经过编制相应程序转化后，直接应用于有限元软件分析的温度场更加精确。本方法可广泛应用于建筑火灾再现以及建筑结构火灾后的安全设计的实践中，不仅可以提高建筑火灾再现的准确性和可靠性，还适用于火灾事故原因鉴定、火灾科学研究等领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明方法流程图；

图2为温度场数据处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1所示，本发明所提供的基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法，具体步骤如下：

(1)火场数据收集

通过收集火场的基本数据，得到本次火灾的相关信息，如建筑设计平面图、建筑材料参数、火灾持续时间、起火地点、起火原因以及火场勘察的数据、目击证人证词等。

从建筑平面设计图中可以得到失火建筑的结构设计，给模型整体结构的建立提供依据。由火场勘察的数据可以得到失火房间的室内物品布置情况，考虑重要的可燃物在火灾中发挥的作用，并在模型中进行体现，从而使模型与实际情况保持一致。

火灾持续时间、起火地点、起火原因、燃烧类型等火源应尽可能详细。

对于不同的建筑构件材料，主要参数包括密度、比热容、导热系数、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。另外对于可燃物，还要关注其燃烧热、反应热、气体生成量等参数。

(2)火热耦合数值仿真及分析

在开源软件FDS中进行建模，输入火源信息，并设置火源燃烧类型，建立模型实体，其尺寸、位置应与火灾现场保持一致。划分结构化六面体网格并在每个网格中布置温度测点后进行FDS的仿真。

FDS仿真结束之后，通过对温度场数据、人员死亡点氧气、一氧化碳、二氧化碳等气体浓度的变化以及云图进行定性和定量的分析，探究火灾坍塌事故发展过程及人员伤亡原因，为火灾调查提供依据。除此之外，FDS得到的温度场数据将作为温度载荷继续用于有限元软件热-力耦合分析中去。

(3)温度场数据处理与转化

从FDS得到的温度场数据较多，且为CSV格式，无法直接作为温度场导入ANSYS中进行分析，因此需要采用合理的方法对这些数据进行处理，使其既能满足ANSYS地输入需要，也能完整地描述火灾发展过程。

图2所示，数据处理步骤为：根据有限元软件中分析载荷步的数目N与划分的网格后的结构节点数目。计算每个载荷步持续时间t与温度场中两个温度点的间距。用PYTHON语言编写程序，将每个时间步的该温度值作为该载荷步下有限元软件的温度载荷。对每个载荷步进行相同的处理，再根据这些获取的离散的温度点运行插值法或拟合函数法得到的所需的温度场数据，并将其保存在多个数组中，最后转化为相应的有限元软件输入文件，然后再根据不同的有限元软件所需的格式输出，有限元软件即可直接进行读取。其中如果想作为ABAQUS边界载荷格式或ANSYS表格变量的形式导入输出格式分别如下所示：

x y z temperature(ABAQUS)

node number x y z temperature(ANSYS)。

经过该方法的处理，有限元软件中模型施加的为阶跃式温度载荷。每一个载荷步均以该段时间内的最高温度作为当前载荷步下的热载荷添加在节点上。如果在最高温度下得到的计算结果在合理范围之内，则建筑物在整个过程中均处于安全范围之内。

(4)有限元软件数值仿真及分析

在结构场仿真中，对建筑物进行热力结构耦合分析。将FDS热分析得到的温度场数据经过上述处理后，获得相应所需的格式，直接将其作为体载荷或边界条件载荷施加在建筑结构中，并结合结构分析的其它荷载，从而得到结构对火灾的反应。

在此项分析中，首先要在有限元中建立模型，模型中各构件的尺寸、位置应与FDS一致，这样可以保证最后结构分析的可靠性。并对每个构件进行材料属性设置，设置完成后在模型的对应测量节点上输入温度场数据，添加其他载荷与约束条件，如重力、压力、表面约束、初始温度、环境温度等，进行仿真，获得建筑物火灾后的应力应变情况。分析灾后建筑的薄弱环节，对建筑的安全性进行评估，提出修复建议。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：火场数据收集；

步骤2：火热耦合数值仿真及分析

在软件中进行建模，输入火源信息，并设置火源燃烧类型，建立模型实体，其尺寸、位置与火灾现场保持一致，划分结构化六面体网格并在每个网格中布置温度测点后进行仿真，仿真结束之后，获取所需的温度场数据；

步骤3：温度场数据处理与转化

对所获取的温度场数据进行处理，使其既能满足有限元软件的输入需要，也能完整地描述火灾发展过程，包括：

根据有限元软件中分析载荷步的数目与划分的网格后的结构节点数目，计算每个载荷步持续时间与温度场中两个温度点的间距；

编写程序，将每个时间步的该温度值作为该载荷步下有限元软件的温度载荷，对每个载荷步进行相同的处理，结果保存在多个数组中，然后再根据不同的有限元软件所需的格式输出，此时，有限元软件即可直接进行读取；

步骤4：有限元软件数值仿真及分析

在结构场仿真中，对建筑物进行热力结构耦合分析，将热分析得到的温度场数据经过处理后，作为边界体载荷施加在建筑结构中，并结合结构分析的其它荷载，得到结构对火灾的反应。

2.根据权利要求1所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，步骤2中，建模并仿真在开源软件FDS中进行。

3.根据权利要求1所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，步骤2中火热耦合仿真使用的湍流模型为大涡模拟：Smagorinshy亚网格湍流模型；火源燃烧类型设置为单一燃料混合分数燃烧模型和多步反应燃烧模型。

4.根据权利要求1所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，步骤2中，离散的非线性温度通过以下公式迭代获取：

$T_m^n=\frac{p_m^n}{{\mathrm{\ρ}}_m^{n}R\underset{\mathrm{\α}}{\Σ}\frac{Z_{\mathrm{\α}}}{W_{\mathrm{\α}}}}$

式中分别为第m个网格第个n时间步的温度，压强和密度；

Z_α为第α种气体占该网格中所有气体的质量比；

W_α为第α种气体的摩尔质量。

5.根据权利要求4所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，剩余点温度通过插值法获得：

$T(x,y,z)=T(x_0,y,z)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{i!}\frac{1}{{\mathrm{\Δx}}^i}{\mathrm{\Δ}}^{i}f+R_n\left(x\right)$

式中T(x,y,z)为离散温度场中任意一点的温度；

Δx为x坐标方向的离散温度点的间距；

Δⁱf为以▽x为步长的i阶差分；

R_n(x)为差值余项。

6.根据权利要求1所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，步骤3中，每个载荷步持续时间与温度场中两个温度点的间距：

Δt＝t_simulation/n_step

$\mathrm{\Δ}d=\sqrt[3]{V/n_{mesh}}$

其中Δt为每个载荷步的持续时间；

t_simulation为建筑火灾在软件中的模拟时间；

n_step为有限元软件中设置的载荷步数目；

Δd为所需温度点之间的间隔；

V为某一结构体的体积；

n_mesh为该结构体在有限元软件中所划分的网格数目。

7.根据权利要求2所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，将温度场数据转换为有限元软件可直接使用的场变量的转换方法为：采用Python语言编写程序，利用PYTHON中的CSV库，用reader函数读取FDS对建筑火灾数值模拟后生成的温度场数据文件，再根据这些获取的离散的温度点运行插值法或拟合函数法得到所需的温度场数据，并将其保存在多个数组中，最后转化为相应的有限元软件输入文件。

8.根据权利要求2所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，其中作为ABAQUS边界载荷格式或ANSYS表格变量的形式导入输出格式分别如下所示：

x y z temperature(ABAQUS)

node number x y z temperature(ANSYS)。

9.根据权利要求5所述的基于多场耦合的建筑火灾温度场转化方法，其特征在于，步骤4中，将程序处理后的数据作为场变量，或者边界载荷直接导入到不同的有限元软件中，进行墙体或其他结构体的热力耦合分析。