CN108182304B - 一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统 - Google Patents

一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统，包括：物‑热耦合：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火‑热耦合：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物‑火耦合：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。本发明充分描述高层建筑火灾中塌落物的运动与火动力学的耦合关系；体现材料非线性、几何非线性和流固耦合边界非线性，提高数值计算精度；并且提高计算效率，缩短计算时间。

Description

一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统
技术领域
本发明涉及建筑火灾的数值模拟技术领域，具体地，涉及一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统。
背景技术
近年来，本项目申请人开展了基于数值仿真的火灾事故再现理论研究和应用推广工作。其研究成果分别发表在“Fire Safety Journal”、“Building and Environment”、“Advances in Engineering Software”、“Tunnelling and Underground SpaceTechnology”、“Journal of Donghua University”、“上海交通大学学报”、“系统仿真学报”等国内外一流期刊上，并在上海市消防局应用推广。本项目拟根据高层建筑火灾中“结构塌落”这一重要现象及其对火势的耦合影响，归纳出“基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学”这样一个具有普遍性并且急需解决的科学问题。该问题的难点在于：
第一，完全耦合。基于结构塌落的高层建筑火灾事故的逆向动力学问题是一个非常复杂的气-液-固三相耦合动力学问题。在高层建筑火灾事故逆向动力学的数值计算中，既有静态结构与火的耦合计算，又有动态的塌落物与火的耦合计算。
第二，强非线性。在高层建筑火灾事故的逆向动力学数值计算中，必须考虑材料的本构关系非线性、结构塌落导致的几何非线性、以及气-液-固三相耦合产生的边界非线性。
第三，巨量计算。基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学问题是一个典型的大空间非线性全耦合问题，需采用全三维非线性有限元建模技术，不但计算单元规模会达到百万甚至千万级，而且要进行非线性耦合计算，计算量巨大。
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结构塌落的火灾动力学建模方法及系统。
根据本发明提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，包括：
物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；
火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；
物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。
较佳的，所述物-热耦合步骤具体包括：
步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：
d＝d0-x
Figure BDA0001508801720000021
式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；
步骤1.2：计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：
Figure BDA0001508801720000022
式中，ρ为固体结构的密度，
Figure BDA0001508801720000023
为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度。f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；
步骤1.3：计算气体的连续方程：
Figure BDA0001508801720000024
式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；
步骤1.4：计算气体动量方程：
Figure BDA0001508801720000025
Figure BDA0001508801720000026
Figure BDA0001508801720000027
式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，
Figure BDA0001508801720000031
是流体速度；
步骤1.5：计算气体能量方程：
Figure BDA0001508801720000032
式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。
较佳的，所述火-热耦合步骤包括：
步骤2.1：计算成分密度的运输方程：
Figure BDA0001508801720000033
式中：Dα为每种成分的扩散率，
Figure BDA0001508801720000034
为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，
Figure BDA0001508801720000035
为单位体积内组分α的化学反应生成速率；
步骤2.2：计算蒸发速率方程：
Figure BDA0001508801720000036
步骤2.3：计算热释放率方程：
Figure BDA0001508801720000037
式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。
较佳的，所述物-火耦合步骤包括：
步骤3.1：计算火源附近单元温度计算方程
Figure BDA0001508801720000038
式中，
Figure BDA0001508801720000039
是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。
根据本发明提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模系统，包括：
物-热耦合模块：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；
火-热耦合模块：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；
物-火耦合模块：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。
较佳的，所述物-热耦合模块具体包括：
计算物体下落的位移和速度：
d＝d0-x
Figure BDA0001508801720000041
式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；
计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：
Figure BDA0001508801720000042
式中，ρ为固体结构的密度，
Figure BDA0001508801720000043
为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度。f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；
计算气体的连续方程：
Figure BDA0001508801720000044
式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；
计算气体动量方程：
Figure BDA0001508801720000045
Figure BDA0001508801720000046
Figure BDA0001508801720000047
式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，
Figure BDA0001508801720000048
是；
计算气体能量方程：
Figure BDA0001508801720000049
式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。
较佳的，所述火-热耦合模块包括：
计算成分密度的运输方程：
Figure BDA0001508801720000051
式中：Dα为每种成分的扩散率，
Figure BDA0001508801720000052
为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，
Figure BDA0001508801720000053
为单位体积内组分α的化学反应生成速率；
计算蒸发速率方程：
Figure BDA0001508801720000054
计算热释放率方程：
Figure BDA0001508801720000055
式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。
较佳的，所述物-火耦合模块包括：
计算火源附近单元温度方程
Figure BDA0001508801720000056
式中，
Figure BDA0001508801720000057
是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用多目标优化方法和固-气碰有限元法，充分描述高层建筑火灾中塌落物的运动与火动力学的耦合关系；
2、建立高层建筑结构模型、燃烧动力学模型和塌落物运动模型，并通过物-火耦合关系将微细尺度网格模型与较大尺度网格模型进行调和，充分体现材料非线性、几何非线性和流固耦合边界非线性，提高数值计算精度；
3、采用计算任务均衡优化的高性能并行计算方法和超级计算机进行计算，提高计算效率，缩短计算时间。
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为本发明的流程图。
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。
如图1所示，本发明提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，包括：
物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；
火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；
物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。
物-热耦合步骤具体包括：
步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：
d＝d0-x
Figure BDA0001508801720000061
式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；
步骤1.2：计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：
Figure BDA0001508801720000062
式中，ρ为固体结构的密度，
Figure BDA0001508801720000063
为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度。f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；
步骤1.3：计算气体的连续方程：
Figure BDA0001508801720000064
式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；
步骤1.4：计算气体动量方程：
Figure BDA0001508801720000071
Figure BDA0001508801720000072
Figure BDA0001508801720000073
式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，
Figure BDA00015088017200000710
是流体速度；
步骤1.5：计算气体能量方程：
Figure BDA0001508801720000074
式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。
主要通过物体和空气在交界面处速度相等和法相应力相等两个参数，将物体的下落对流体运动的影响通过气体连续方程进行描述。
火-热耦合步骤包括：
步骤2.1：计算成分密度的运输方程：
Figure BDA0001508801720000075
式中：Dα为每种成分的扩散率，
Figure BDA0001508801720000076
为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，
Figure BDA0001508801720000077
为单位体积内组分α的化学反应生成速率；
步骤2.2：计算蒸发速率方程：
Figure BDA0001508801720000078
步骤2.3：计算热释放率方程：
Figure BDA0001508801720000079
式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。
物-火耦合步骤包括：
步骤3.1：计算火源附近单元温度计算方程
Figure BDA0001508801720000081
式中，
Figure BDA0001508801720000082
是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。
主要通过火场流体的运动产生的密度和压强，求解可燃物分解后的成分传输方程，得到可燃物在火源周围的分布，进而求得火源周围的温度分布。
基于上述一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，本发明还提供了一种基于结构塌落的火灾动力学建模系统，包括：
物-热耦合模块：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；
火-热耦合模块：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；
物-火耦合模块：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。
物-热耦合模块具体包括：
计算物体下落的位移和速度：
d＝d0-x
Figure BDA0001508801720000083
式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；
计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：
Figure BDA0001508801720000084
式中，ρ为固体结构的密度，
Figure BDA0001508801720000085
为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度。f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；
计算气体的连续方程：
Figure BDA0001508801720000091
式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；
计算气体动量方程：
Figure BDA0001508801720000092
Figure BDA0001508801720000093
Figure BDA0001508801720000094
式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，
Figure BDA00015088017200000910
是流体速度；
计算气体能量方程：
Figure BDA0001508801720000095
式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。
主要通过物体和空气在交界面处速度相等和法相应力相等两个参数，将物体的下落对流体运动的影响通过气体连续方程进行描述。
火-热耦合模块包括：
计算成分密度的运输方程：
Figure BDA0001508801720000096
式中：Dα为每种成分的扩散率，
Figure BDA0001508801720000097
为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，
Figure BDA0001508801720000098
为单位体积内组分α的化学反应生成速率；
计算蒸发速率方程：
Figure BDA0001508801720000099
计算热释放率方程：
Figure BDA0001508801720000101
式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。
物-火耦合模块包括：
计算火源附近单元温度方程
Figure BDA0001508801720000102
式中，
Figure BDA0001508801720000103
是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。
主要通过火场流体的运动产生的密度和压强，求解可燃物分解后的成分传输方程，得到可燃物在火源周围的分布，进而求得火源周围的温度分布。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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 (2)

1.一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，包括：
物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；
火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；
物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解；
所述物-热耦合步骤具体包括：
步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：
d＝d0-x
Figure FDA0002407904220000011
式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；
步骤1.2：计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：
Figure FDA0002407904220000012
式中，ρ为固体结构的密度，
Figure FDA0002407904220000013
为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度，f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；
步骤1.3：计算气体的连续方程：
Figure FDA0002407904220000014
式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；
步骤1.4：计算气体动量方程：
Figure FDA0002407904220000021
Figure FDA0002407904220000022
Figure FDA0002407904220000023
式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，fx、fy、fz是单位质量力，
Figure FDA00024079042200000211
是流体速度；
步骤1.5：计算气体能量方程：
Figure FDA0002407904220000024
式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，hj为焓，keff为热传导系数，Jj为组分扩散通量，Sh为化学反应热及其他体积热源项；
所述火-热耦合步骤包括：
步骤2.1：计算成分密度的运输方程：
Figure FDA0002407904220000025
式中：Dα为每种成分的扩散率’
Figure FDA0002407904220000026
为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，
Figure FDA0002407904220000027
为单位体积内组分α的化学反应生成速率；
步骤2.2：计算蒸发速率方程：
Figure FDA0002407904220000028
步骤2.3：计算热释放率方程
Figure FDA0002407904220000029
Figure FDA00024079042200000210
式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量；
所述物-火耦合步骤包括：
步骤3.1：计算火源附近单元温度计算方程
Figure FDA0002407904220000031
式中，
Figure FDA0002407904220000032
是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。
2.一种基于结构塌落的火灾动力学建模系统，其特征在于，包括：
物-热耦合模块：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；
火-热耦合模块：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；
物-火耦合模块：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解；
所述物-热耦合模块具体包括：
计算物体下落的位移和速度：
d＝d0-x
Figure FDA0002407904220000033
式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；
计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：
Figure FDA0002407904220000034
式中，ρ为固体结构的密度，
Figure FDA0002407904220000035
为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度， f固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；
计算气体的连续方程：
Figure FDA0002407904220000036
式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；
计算气体动量方程：
Figure FDA0002407904220000041
Figure FDA0002407904220000042
Figure FDA0002407904220000043
式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，fx、fy、fz是单位质量力，
Figure FDA00024079042200000411
是流体速度；
计算气体能量方程：
Figure FDA0002407904220000044
式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，hj为焓，keff为热传导系数，Jj为组分扩散通量，Sh为化学反应热及其他体积热源项；
所述火-热耦合模块包括：
计算成分密度的运输方程：
Figure FDA0002407904220000045
式中：Dα为每种成分的扩散率，
Figure FDA0002407904220000046
为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，
Figure FDA0002407904220000047
为单位体积内组分α的化学反应生成速率；
计算蒸发速率方程：
Figure FDA0002407904220000048
计算热释放率方程
Figure FDA0002407904220000049
Figure FDA00024079042200000410
式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量；
所述物-火耦合模块包括：
计算火源附近单元温度方程
Figure FDA0002407904220000051
式中，
Figure FDA0002407904220000052
是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。
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