建築物火災煙流特性預測系統和預測方法

2023-04-27 14:00:01

專利名稱：：建築物火災煙流特性預測系統和預測方法
技術領域：
：本發明屬於火災安全與消防工程領域，具體涉及一種高層建築和多層多室建築火災煙氣發展和演變規律的預測。
背景技術：
：自20世紀70年代起，世界上一些發達國家就開始對以性能化為基礎的建築防火設計方法進行了系統研究，隨之出現了描寫煙流運動特徵的各種數學物理模型，主要有場模型、區域模型、網絡模型以及上述三種模型結合應用的混合模型。對於高層建築及其多層多室建築，由於受限空間很多，邊界條件非常複雜，目前世界上研究該類建築火災煙流運動的模型多採用網絡模型。主要有日本建築研究所開發的BRI模型，加拿大建築研究所開發的IRC模型，英國建築研究所開發的BRE模型,美國標準技術研究所開發的NIST模型，荷蘭應用物理研究所開發的TNO模型。從現有資料來看，上述模型均存在下列問題即僅將煙氣濃度作為時間的函數，或者僅將著火室的物性參數作為時間的函數，而將火災中建築物內其它部位的溫度視為不變；傳熱計算方面，僅計算了高溫煙氣向牆體表面的傳熱，而忽略了通過壁體向鄰室的傳熱，因此必然導致鄰室的室溫計算產生偏差；將煙氣的熱物性參數，如導熱係數、定壓比熱容、密度等簡化為常數，這與實際情況有很大的差異，不符合火災發展和演變的規律；火災中火源釋熱率多採用穩態火源，穩態火源可使計算簡單，但其缺點是顯而易見的，穩態火源的設定功率往往是根據經驗數據來確定，性質不明確，不能真實反映火源釋熱率的輸出情況。並且在常見的建築火災中，固體可燃物佔絕大多數，火災荷載密度很大，其火源釋熱率的輸出是隨火災的發展過程而變化的，是時間的函數，如火源釋熱率採用穩態火源，極有可能低估或者高估火災危險性，降低計算結果的準確性。
發明內容本發明針對現有技術中存在的上述問題，建立了完整的建築物火災煙流特性模型，提出、改進和完成了理論計算方法，設計了完整的建築物火災煙流特性預測系統。該系統包括數據中心、控制中心、採集模塊、算法模塊、分析處理模塊，(1)數據中心預先存入建築物構造的相關幾何數據、建築物的物性參數；採集模塊採集建築物環境氣象條件；(2)控制中心選擇熱釋放速率增長形式，建立火災場景模型，在火災發生過程中根據火源類型、燃燒時間構建建築物結構的改變模型；(3)控制中心根據建築物燃燒時間選擇牆體傳熱子模型；(4)控制中心根據建築物內部結構將建築物轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由此構造建築物換氣迴路接續矩陣和閉環矩陣；(5)控制中心設定時間步長At，根據建築物換氣迴路接續矩陣、閉環矩陣以及相關模型和參數，構建煙氣特性方程；(6)算法模塊求解煙氣特性方程，計算各節點溫度、煙氣濃度、C02濃度、C0濃度、壁面溫度、通過開口的煙氣質量流量、壓差，生成上述各參數隨時間的變化曲線；(7)分析處理模塊根據計算結果分析煙氣到達危險狀況的時間，並提供CO濃度判據、C02濃度判據、溫度判據、煙氣濃度判據以及煙氣層高度判據。本發明還提出一種建築物火災煙流特性預測方法，包括以下步驟(1)系統數據中心預先存入建築物的相關幾何數據、建築物相關的物性參數；採集模塊採集建築物環境氣象條件；(2)選擇熱釋放速率增長形式，建立火災場景模型，建築物在火災發生過程中結構的改變模型；(3)根據建築物燃燒時間選擇牆體傳熱子模型；(4)將建築物內部結構轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由此構造建築物換氣迴路接續矩陣和閉環矩陣；(5)設定時間步長At，根據建築物換氣迴路接續矩陣、閉環矩陣以及相關模型和參數，構建煙氣特性方程；(6)求解煙氣特性方程計算各節點溫度、煙氣濃度、C02濃度、C0濃度、壁面溫度、通過開口的煙氣質量流量、壓差，生成各參數隨時間的變化曲線；(7)根據計算結果分析煙氣到達危險狀況的時間，並提供CO濃度判據、C02濃度判據、溫度判據、煙氣濃度判據以及煙氣層高度判據。將建築物的各房間和樓梯間作為節點，樓梯井按各層樓面分割成不同節點，走廊型通道按照與房間近似相等的面積化分成節點，建築物通道的開口作為枝，將建築物轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由此構造建築物換氣迴路接續矩陣和閉環矩陣採用本發明設計的建築物火災煙流特性預測系統，考慮通過壁體向鄰室的傳熱，可以計算出火災過程中，建築物內任意時刻各房間(節點)的溫度、煙濃度、C02(二氧化碳)濃度、C0(—氧化碳)濃度、空氣密度、房間蓄熱量、換氣熱損失、牆體吸熱量、輻射熱損失、開口煙氣質量流量、開口壓差、各節點牆體任意時刻的溫度。本系統可以根據火源類型、燃燒時間預測火災過程中建築物構造變化的各種情況，以便確定火災過程中建築物內各部位的加壓送風方案及防排煙設計方案，並提出修改意見，實現保證建築物火災安全狀況下的性能化防排煙系統設計。圖1本發明所述煙氣特性方程計算流程圖圖2本發明所述建築物火災煙流特性預測系統結構圖圖3實驗模型平面及測點布置圖圖450kg、無排煙，2室溫度數據比較圖圖510kg、有排煙，l室溫度數據比較圖圖6地下商業街建築平面圖圖7地下商業街網絡換氣樹圖8地下商業街第2和第9節點C02濃度隨時間的變化圖圖9旅館建築物平面圖圖10旅館建築物網絡換氣樹圖ll旅館建築物l節點溫度曲線對比圖12旅館建築物l節點菸氣濃度曲線對比圖13旅館建築物1節點C02濃度曲線對比具體實施例方式本發明所述的建築物火災煙流特性預測系統，建立了完整的建築物火災煙流特性模型，能夠預測建築物發生火災時煙流、煙溫、煙濃度、C02濃度、C0濃度和壁溫的發展變化規律，系統還考慮隨著人員疏散改變各門的開閉情況，由此引起開口的流量係數、壁面積、輻射透過係數的改變；隨著門窗燒損改變開口的流量係數、壁面積、輻射透過係數等。模型對建築物的所有受限空間都劃分為節點，能計算出煙流蔓延速度及其汙染範圍，為人員的安全疏散動態模擬提供有用的信息。以下針對附圖和具體實例對本發明的實施進行詳細說明，如圖2所示為本發明建築物火災煙流特性預測系統模型示意圖。(1)在系統數據中心存儲器中預先存入建築物的平面結構圖和立體結構圖、建築物構造的相關幾何數據、開口的風壓係數、流量係數、輻射透過率、牆體各材料的導熱係數和容積比熱容等物性參數；採集模塊通過傳感器、探測器等採集建築物環境氣象條件，包括室外風速、風壓、氣溫等相關參數；(2)根據建築物各室的使用功能，建立火災場景模型，選擇熱釋放速率增長形式，建立包括穩態火源和非穩態火源的火災場景模型。穩態火源包括分段穩態火源和分段線性火源；非穩態火源包括，建立熱釋放速率隨溫度的平方成正比的1:2火源、完整發展模型火源、根據火災與煙氣在建築物內蔓延的多室區域模擬軟體MRFC(Multi-Room-Fire-Code)中所採用的火源、和FFB(德國卡爾斯魯厄大學火災研究所)提出的非穩態火源。可根據建築物各室內的可燃物情況選用不同的火源模型，並由此根據火源類型及燃燒時間構造在火災發生過程中建築物結構的改變模型；(3)根據建築物著火燃燒時間長短，選擇牆體傳熱子模型。如燃燒時間較短，可選擇半無限大傳熱子模型，如燃燒時間較長，可選擇有限厚傳熱子模型。後者計算準確度更高，但收斂速度更慢。(4)根據建築物內部結構將其內部空間和開口劃分為節點和枝，並將其轉換為建築物換氣樹，形成建築物換氣迴路接續矩陣[I]和閉環矩陣[L]。將建築物的各房間和各樓梯間作為節點，樓梯井按各層樓面分割成不同節點，走廊型通道根據與房間面積近似相等的原則化分成節點，各房間、通道的開口作為枝，根據圖論原理將建築物轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由建築物換氣樹形成建築物換氣迴路接續矩陣[I]和閉環矩陣[L]。(5)系統還可根據在火災過程中排煙方式，確定防排煙方案。如為機械防排煙，則需輸入送風量與排煙量,根據火災過程中建築物構造變化以及安全疏散的臨界要求確定送風量與排煙量，以滿足室內人員安全疏散的要求。(6)系統自動判斷建築物是否發生轟然。系統根據產生轟燃所需要的熱釋放速率/c，建築物開口面積人和開口高度/^，除建築物開口面積以外的其餘房間內表面積4，根據託馬斯公式建立建築物轟然判別式formulaseeoriginaldocumentpage7(1)formulaseeoriginaldocumentpage8(2)燃燒過程中，當同時滿足式(1)與式(2)即可判別室內已經發生轟燃。如未發生轟燃，則計算著火室內煙流特性；如已發生轟燃，則著火室門窗崩壞，煙氣流入走廊或者室外，計算各節點菸流特性。(7)系統按照要求的計算精度設定時間步長At,通常取At=5m/S10m/s，At取值小可提高計算精度，但計算時間更長。根據建築物換氣迴路接續矩陣[1]、閉環矩陣[L]、建築物結構的改變模型、牆體傳熱子模型、相關參數等，利用線性化和差分化構建煙氣特性方程，根據當前時間的煙氣特性求解煙氣特性方程，計算各節點下一時間步長時刻的溫度、煙氣濃度、C02濃度、C0濃度、建築物各房間壁面溫度等，根據上述計算值隨時間的發展變化規律、以及開口的煙氣質量流量、壓差等計算結果繪製生成各參數隨時間的變化曲線。(8)分析模塊根據變化曲線分析煙氣到達危險狀況的時間，並根據預先設置在系統資料庫中的閾值自動判別危險狀況的CO濃度、C02濃度、溫度、煙氣濃度以及煙氣層高度。閾值是通過大量的火災實驗數據整理出來，並已存入系統資料庫中。構建所述的煙氣特性方程的具體步驟如下所述(1)根據建築物換氣迴路接續矩陣及常數矩陣，構建節點(房間)質量平衡方程式。設建築物內有m個節點，n個枝(開口)，建立建築物換氣樹，根據換氣樹確定建築物換氣迴路接續矩陣[I]，構建節點數m行的質量發生速率列矩陣[M]，該矩陣為常數矩陣，[I]為m行n列的換氣迴路接續矩陣，是[Am]的係數矩陣，[Am]為n行的開口淨質量流量列矩陣，為待求矩陣。則節點質量平衡方程式可用矩陣形式表示為formulaseeoriginaldocumentpage8(3)(2)根據建築物閉環矩陣[L]構建環路壓力平衡方程式。按圖論原理，由m個節點、n個枝構成的建築物換氣樹可以形成n-m個閉合環路，可以建立n-m個線性無關的代數方程式，其矩陣形式為formulaseeoriginaldocumentpage8(4)式中，[L]為ni行，n列閉環矩陣，A為壓力源；[P+Ps]為n行的節點間的壓差列矩陣；[O]為n-m行的0列矩陣。(3)根據火災過程中建築物開口平面法線方向及開口兩端房間煙氣密度，建立開口質量與開口壓差關係式。開口質量與開口壓差關係式由流體力學推導得出，根據開口平面法線方向，以及開口兩端房間煙氣密度建立不同的關係式，本發明採用泰勒級數展開，忽略二階以上的無窮小項以後，使其線性化為以下計算式(3.1)開口平面法線豎直或開口兩端房間煙氣(空氣)密度相同，為單向流動，所建立的開口質量與開口壓差關係式為P(病P(/^)(5)式中，A+,、A分別為(n+l)△i時刻和nAT時刻兩節點間的壓差；A/^+,、A/^分別為(n+l)AT時刻和nAT時刻兩節點間通過開口的煙氣的淨質量流量。u為開口流量係數，A為開口面積。(3.2)開口平面法線水平且開口兩端房間煙氣(空氣)密度不同，設i室和j室的開口方向由i室指向j室為正，i室和j室具有各自均勻的溫度和密度，且i室和j室密度滿足關係A<^。此時，中和界相對於開口的不同位置，應採用不同的計算式。a、中和界在開口中，煙氣為雙向互流動，開口質量與開口壓差關係式為/<-乂2D、式中:一"5"、3/2(7)(8)(9)(10)(11)&、^分別為幵口上下端距房間地面的高度；B為開口寬度；p,、^分別為i室和j室內9的煙氣密度；g為重力加速度；m,，,、//^分別為i室流向j室的煙氣質量流量以及j室流向i室的質量流量。b、開口在中和界之上，煙氣為單向流動，開口質量與開口壓差關係式為formulaseeoriginaldocumentpage10(12)C、開口在中和界之下，煙氣為單向流動，開口質量與開口壓差關係式為:formulaseeoriginaldocumentpage10(13)如果建築物劃分的枝總數為n，節點總數為m(不包括室外空氣節點)，則質量平衡方程式為m個，壓力平衡方程式為n-m個，流量與壓差的線性方程為n個，可以組成2n個線性無關的代數方程組。方程總數等於開口兩端壓差和開口流量組成的2n個未知數個數，聯立求解方程組可以求出所有開口兩端的壓差和開口質量流量。(4)根據現實溫度建立房間熱平衡方程式，求解節點的未來溫度"+1對於任意節點i，採用隱式差分格式，房間熱平衡方程式可以改寫為如下有限差分方程:formulaseeoriginaldocumentpage10式中4為著火室(i室)可燃物燃燒發熱速率，火災煙流特性模型的火災場景設定後，/d可根據實驗數據或系統設定的火源形式計算；r"表示r-"Az"時刻的溫度，稱現實溫度，為已知量；r""表示T二(M+l)Ai:時刻的溫度，稱未來溫度，為待求量；4,、^為i'、》兩室間的開口面積和輻射透過率；^為史蒂芬一玻爾茲曼常數；4^為/室第k個壁面面積；/^為/室第k個壁面與煙流間的總換熱係數；7;w為/室第k個壁面的表面溫度，由傳熱方程式求得；煙氣密度"、定壓比熱容C;等按現時溫度確定；^為z'室體積。(5)建立有限厚牆體傳熱方程式本發明的有限厚牆體傳熱方程式引用嚴治軍教授在《重慶建築大學學報》1997年第5期中發表的論文"火災建築的熱傳導解析"中的計算式，但差分格式由原文的顯示差分格式修改為隱式差分格式。(6)根據煙流與壁面的總換熱係數、壁體材料的導熱係數與導溫係數建立半無限大物體傳熱方程式。式中formulaseeoriginaldocumentpage11式中，"為積分中間變量；/;、；i、《分別為煙流與壁面的總換熱係數、壁體材料的導熱係數與導溫係數。在Matlab中，ar;)能夠方便、快捷地用數值方法計算出來。當計算n+l步時刻i室室溫7T"及第k個壁面溫度7^)時，n步時刻的7;"、7^fc>、or,^為已知數據，因此7;^)與7:""呈線性關係。(7)建立煙氣濃度方程式，根據燃燒引起的煙發生速率確定煙氣質量濃度。formulaseeoriginaldocumentpage11(17)式中:formulaseeoriginaldocumentpage11(18)A^,為燃燒引起的煙發生速率c,為由實驗確定的常數；S,.、S^分別為i室和j室的煙氣質量濃度。(8)建立C"濃度方程式，由燃燒引起的二氧化碳發生速率確定二氧化碳質量濃度。formulaseeoriginaldocumentpage11(19)式中formulaseeoriginaldocumentpage11(20)M。為燃燒引起的二氧化碳發生速率；C2為由實驗確定的常數；C,、^分別為i室和j室的二氧化碳質量濃度。(9)CO濃度方程式，由燃燒引起的一氧化碳發生速率確定一氧化碳質量濃度formulaseeoriginaldocumentpage11(21)式中M,=c3/(22)M^為燃燒引起的一氧化碳發生速率；C3為由實驗確定的常數；CO,、Cq分別為i室和j室的一氧化碳質量濃度。建立以上煙氣特性方程後，求解上述方程確定相關參數，圖l所示為具體求解步驟。(1)初始時刻，設置ni,假定各節點間w,z0,壓差？=0，由式(14)求出各節點現實溫度7;，由有限厚牆體傳熱方程式或半無限大物體傳熱方程式(16)求出各壁面溫度rw,:(2)置『1，如果n〈時間步長，執行以下步驟；(3)由擬合的^=/(;)、Cp,:伊(7;),用n-l時刻溫度計算各節點菸氣密度A、定壓比熱容、,.；由理想氣體狀態方程式求出各節點間壓差A。(4)計算第n步枝流量、壓差，由式(3)—式(13)聯立求解，求出下一時間步長的A、紐"+i、、附),；(5)將步驟(4)求出來的《"、；^+'代入式(17)、(19)、(21),求出下一時間步長的煙氣濃度、Cq濃度和CO濃度；(6)由式(14)求出下一時間步長各節點未來溫度7;，及各壁面溫度Twi;(7)置『n+l，重複步驟(3)，直到計算結果滿足所設定的時間為止。計算出每個步長的煙氣濃度、C《濃度和CO濃度等參數後，繪製上述參數與時間關係的曲線，根據資料庫中存儲的對人體產生危險狀況的煙氣濃度、CQ濃度和CO濃度閾值進行比較，確定到達危險狀況的時間，以及當前時刻的煙氣濃度、CO,濃度和CO濃度。下面以具體的建築物實例對本發明的實施進行說明。實驗研究實例1實驗模型為一實體建築，高3米，其平面尺寸及測點的布置如圖3所示。圖3中，O表示熱電偶測試柱，A表示煙氣流速及煙濃度、C02濃度採集測試柱。在系統資料庫中預先輸入各開口幾何尺寸及建築物結構、材料，牆體各材料的導熱係數和容積比熱容，探測器採集環境氣象條件。火源採用含水率為8%10%的長條型松木，其質量分別為10kg、50kg、100kg，構成了三種不同的火荷，其燃燒發熱量採用失重測量法測定。未標註的壁面均為磚砌結構，兩面抹灰。壁面3為玻璃壁面，3室為觀測室，3室內設有探照燈及攝像系統，可觀察到實驗中的煙流運動情況。2室中心有一排煙口，當風機開啟時可通過該排煙口將煙氣排出室外。測溫系統為豎向布置的7根測試柱組成，1室和2室的測試柱上各設置有9個測溫熱電偶，位置最高的測點距離頂棚0.lm，往下每兩個測點間距為0.2m。3室的兩根測試柱上各設置了4個測溫熱電偶，其高度距頂棚分別為0.lm、0.3m、1.3m、2.55m。測試系統的布置充分考慮到對稱性和代表性。測量數據由數據採集系統自動巡檢採集，巡檢周期為5秒，採集的數據輸入計算機後，由印表機實時列印。整個測量裝置均為先進的火災實驗專用裝置，所有的熱電偶均經過嚴格校驗。將實測的燃燒發熱量、排煙量以及其他初始數據輸入系統控制中心計算機，取時間步長為5秒，採用本發明的煙流特性預測系統進行計算。計算結果與實驗結果描繪在同一坐標圖上，由於篇幅限制，本實例中僅給出有代表性的兩個不同方案下的溫度數據比較圖。從圖4和圖5中可以看出火荷較小的情況下(燃燒質量分別為50kg和10kg)，火災初期，本系統的計算結果略高於實測結果。隨著火災過程的進行，兩者的誤差減小。當火荷增加至100kg的時候，計算結果與實驗數據吻合得相當好，所有的比較結果都充分證實了這一點。從網絡模型把每一個受限空間作為一個節點，假設任一時刻該節點具有均勻溫度、密度等物性參數的特徵來看，當室內可燃物數量較大時，採用網絡模型開發出的預測軟體具有足夠的準確性。即使火荷僅為10kg，計算結果也能夠準確地描述建築物火災的發展及變化趨勢。實驗研究實例2模擬對象為四川消防科研所為進行《地下商業街火災煙氣流動特性實驗研究》修建的實體建築。該建築是一棟按1:1比例修建的實體地上建築，建築面積為640m2，淨空高度為3m，通道長'67m，寬4m。兩端各設一個出入口，通道兩側為模擬鋪面。其平面圖如圖6所示。本模擬計算做了如下的假設(1)著火室①門全開，所有鋪面全關；(2)出口2關，出口l、3全開。構建如圖7所示的該建築物的換氣樹。建築物換氣樹以室外為基點O,共10個節點riFl0，12個枝0=12，根據圖論原理，可建立raXr^lOXl2的換氣迴路接續矩陣，(n-m)Xn=2X12的閉環矩陣，共12X12個線性無關方程組。實驗火源條件著火室位於l，火源為長條型木材，含水率8%10%，截面5X5cm,長度25cm,質量10kg。燃燒時用失重法確定火源的熱釋放速率。開口條件鋪面全關，出口2關，出口l、3開。防排煙方式自然補風、自然排煙。室外條件無風，溫度20'C。測試系統圖6走廊中"參"處布置P1P6六個截面的組合測試柱，每個測試柱上沿高度方向布置有九個溫度測點，其高度距吊頂距離分別為O.lm、0.3m、0.5m、0.7ra、0.9m、l.lm、1.3m、1.5m、2.55m;三個流速測點，其高度距吊頂距離分別為0.5m、1.0m、1.5m;六個煙濃度測點，其高度距吊頂距離分別為0.lm、0.3m、0.6m、0.9m、L2m、1.5m;—個化學成份採氣樣點，其高度距吊頂距離為1.5m。在運用本系統預測模型進行模擬計算的過程中，取時間步長為5秒，模擬時間為1800秒共360步。對包括室外節點(①……⑩)共11個節點的模擬耗時約IO分鐘。採用體積加權平均法求取節點溫度平均值，算法模塊調用所構建的煙氣特性方程進行相關計算。計算結果與實驗結果變化趨勢是一致的，將Pl測試柱實驗數據與2節點計算數據列入表1中，從表1中對比可見溫度最大值相對誤差不超過14%,全時間範圍內溫度平均值相對誤差不超過3%，證明模型對走廊煙氣溫度模擬是成功的，模擬的結果是可靠的。其他節點處亦可得出相同的結論。由於計算熱釋放速率時採用的是失重法，將所有失去的重量均考慮轉化為熱量，而木材含8%10%的水份。燃燒進入穩定階段前，水份蒸發不僅不能發熱，還要吸收汽化潛熱，所以根據模型計算的熱釋放速率偏高，溫度最大值出現時間偏早。火災進入穩定燃燒階段後，兩條曲線趨於一致。表1Pl溫度實驗數據與計算數據比較tableseeoriginaldocumentpage14煙氣在走廊中的蔓延速度煙氣在水平方向上的蔓延速度及距離是防排煙系統設計和安全疏散設計的重要依據，是判別火災初期人員能否安全疏散的重要指標。煙氣濃度、co2濃度以及溫度變化均可反映煙氣的蔓延情況，本模擬計算中，取C02濃度的變化情況來進行分析。通過某節點C02濃度發生改變的時間來表示煙氣侵入節點的時間，比較各個節點菸氣濃度、侵入時間的早晚和節點間距離，可以得出煙氣在走廊中的水平蔓延平均速度，從而為安全疏散設計提供依據。圖8為第2和第9節點C02濃度隨時間的變化圖，由圖中可以看出模型計算煙氣侵入節點2的時間為40秒,侵入節點9的時間為180秒,節點2與節點9之間的距離為45.8m。因此，煙氣在走廊中的水平平均蔓延速度為v。=45.8/(180-40)=0.33m/s。實驗中Pl處距吊頂第一高度H,-O.lm的煙感裝置感受到煙氣入侵時間為75秒，P6處距吊頂第一高度H,=0.1m的煙感裝置感受到煙氣入侵時間為210秒，水平平均蔓延速度為vf45.8/(210-75)=0.34m/s,二者相對誤差為2.9°/。。煙氣在走廊中的水平蔓延平均速度誤差非常小。煙氣侵入時間決定了某一時刻煙氣汙染的範圍，計算結果比實驗結果侵入時間要早，這是因為煙感裝置本身對煙氣的響應存在滯後。煙氣到達煙感裝置測點位置之後，經一定時間後煙感裝置才能作出反映。對於安全疏散設計來說，這樣所得結果是偏安全的。本例應用建築物火災煙氣流動特性預測系統，對10kg木材小火荷條件下的走廊型通道的煙氣溫度、濃度等參數進行了模擬，得出了這些參數的分布狀況，並且與公安部四川省消防科學研究所實體火災實驗數據進行了對比，對比結果表明預測系統對走廊型通道發生火災時通道內溫度、C02濃度分布狀況以及煙氣的水平平均蔓延速度的預測結果和實驗結果吻合得非常好，從而證明該軟體對煙氣在走廊型通道中流動特性的預測結果是可靠的應用實例旅館建築物的某層(如圖9所示)，共10個客房，各房間通過單開木製門與走廊連接，走廊無直接自然通風外窗，火災時人員通過走廊右端的防火門進入樓梯間前室。將建築物抽象為換氣樹，圖IO為模擬建築物抽象得到的換氣樹。設模擬建築物3號房著火(因3號房間最靠近出口，其著火為最不利條件)，普通裝修，火源熱釋放速率為125KW/itf,假定火源為非穩態火源，熱釋放速率以t2火形式增長，火焰蔓延為中速火發展形式，火災發展係數值為0.0117KJ/s3，最大熱釋放速率值為3100kw。計算時間步長為5秒，計算步數為360步。採用負壓機械排煙。排煙面積按《高規》規定的內走道排煙面積計算，即走道的地面面積40.5m2與連通走道的固定窗的房間3的面積24.75m2之和，總排煙面積為65.25m2，機械排煙口設在走廊中部節點2處，以現行《高規》"負擔一個防煙分區排煙時，應按每平方米麵積不小於60m7h計算"為基準點，將排煙量向左右兩邊擴展，以6m7h.m2為一個步長,分別計算54mVh.m2、60m7h.m2、66m3/h.m2、72m3/h.m2、78mVh,m2的排煙量時建築物火災時的煙氣流動特性。在建築物火災時的最不利情況即在最靠近出口的3號房間著火的情況下，各房間人員要實現安全疏散，必須保證各房間人員所需安全疏散時間(RSET)小於其可用安全疏散時間(ASET)。火災發生後，房間內客人只能通過右邊防火門進入樓梯間前室逃生。旅館內裝設感煙火災報警裝置，火災發生後60s報警；人員在房間內的行動速度為1.0m/s，在走廊中疏散速度0.5m/s;確認反應時間90s,計算得到該建築最大所需安全疏散時間(離出口最遠的房間的13號房間所需安全疏散時間)REST=262s。自然排煙時走廊至樓梯間前室的防火門在前60秒時全開，60秒以後右邊防火門關閉；著火室的窗戶在前300秒關閉，300秒時崩裂；隨機設定10號、13號、8號、6號窗開啟，總開啟面積為10.8m2，其餘窗關閉。運用煙流預測系統模型分別對自然排煙和不同機械排煙量條件下的煙氣流動特性進行模擬，為了節省篇幅，本實例中僅繪出l號節點的煙氣特性比較圖。從圖11一13中對比可以看出自然排煙時，各節點溫度、煙氣濃度均呈不斷上升的趨勢；設置機械排煙時，各節點菸氣濃度先呈較為快速的上升趨勢，到達一定時間以後上升勢頭減緩，趨於穩定。各個節點的溫度、煙濃度均低於同時刻自然排煙的情況，且排煙量越大，下降越大。表明排煙系統的設置延緩了煙氣溫度、濃度的上升，對安全疏散逃生起到了重要作用。比較火災危險狀態判據(設臨界溫度為78°C、臨界煙氣質量分數為0.053、臨界C02質量分數為0.046),對比曲線圖，可以看到自然排煙情況下，l號節點在52步即260s時溫度值為97.4'C，大大高於危險狀態臨界值，不能滿足安全疏散要求。在排煙量為60mV(h.m"時，走廊1號節點在52步即260s時溫度值為76.4'C，53步即265s時溫度值為78.3°C，低於該建築物在模擬條件下的溫度臨界值。此時煙氣濃度為0.042kg/m3,C02濃度為0.023kg/m3，均低於火災危險狀態的臨界值。即AEST〉REST，可見普通裝修、火源熱釋放速率為125KW/m'的條件下，機械排煙量按60mV(h.m2)設計是完全可行的。但總排煙量丄=65.25><60=3915/3/;1,小於《高規》規定的最小排煙量Zmm=7200m3/A。隨著排煙量增大到72m3/(h.m2)，排煙效果較60m7(h.1112)有明顯提高，進一步增大排煙量至78mV(h.m2),無論是溫度，還是煙濃度或0)2濃度，都與72m3/(h.m2)時非常接近，排煙效果已無明顯提高，其原因是排煙量增大到一定程度，室內負壓增大，排煙效率下降，導致排煙效果無明顯提高。因此過大地增加排煙量是無益的。對於不同的火源位置情況，因著火室3最靠近出口，是火災時安全疏散最不利情況，所以不需再考慮著火室位於其他位置時的情況。當其他條件不變，改變火源強度，設上述建築物為精裝修，熱釋放速率為250kw/m2，即最大熱釋放速率值為6200kw,比普通裝修增大l倍時。以排煙量為72m3/(h,m2)進行計算，根據計算結果可繪製節點溫度曲線、節點菸濃度曲線、節點C02濃度曲線。根據曲線進行分析，可確定該建築物的最佳排煙方案。本實例以火災建築內的人員作為被保護對象，合理提出了火災煙氣危險狀態判據，為ASET的確定提供了必要條件。在此前提下，分析了機械排煙量，計算結果表明當建築物為一般裝修，火源強度不太大U25KW/m')時，60mV(h.m2)的排煙量可滿足火災時安全疏散的臨界要求；當建築物為精裝修，火源強度較大(250KW/m')時，60mV(h.m2)的排煙量己不能滿足人員安全疏散要求，72mV(h.m2)的排煙量能滿足要求，且進一步增大排煙量的情況下實際效果並不顯著。因此72mV(h.m2)的排煙量為此時的最佳機械排煙量。這一結果與四川消防科學研究所通過實體實驗所得出的結論相吻合。根據本發明得到的另一個重要結論是總排煙量-單位面積排煙量X排煙面積，可不受《高規》規定的最小排煙量4^=7200/3//2的限制。採用本發明建立的預測模型對建築物防排煙系統的性能化設計具有重要參考價值。權利要求1、一種建築物火災煙流特性預測系統，該系統包括數據中心、控制中心、採集模塊、算法模塊、分析處理模塊，其特徵在於(1)數據中心預先存入建築物構造的相關幾何數據、建築物的物性參數；採集模塊採集建築物環境氣象條件；(2)控制中心選擇熱釋放速率增長形式，建立火災場景模型，根據火源類型及燃燒時間建立建築物結構的改變模型；(3)控制中心根據建築物燃燒時間選擇牆體傳熱子模型；(4)控制中心根據建築物內部結構將建築物轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由此構造建築物換氣迴路接續矩陣和閉環矩陣；(5)控制中心設定時間步長Δτ，根據建築物換氣迴路接續矩陣、閉環矩陣以及相關模型和參數，構建煙氣特性方程；(6)算法模塊求解煙氣特性方程，計算各節點溫度、煙氣濃度、CO2濃度、CO濃度、壁面溫度、通過開口的煙氣質量流量、壓差，生成煙氣濃度、CO2濃度、CO濃度隨時間的變化曲線；(7)分析處理模塊根據計算結果分析煙氣到達危險狀況的時間，並提供CO濃度判據、CO2濃度判據、煙氣濃度判據以及煙氣層高度判據。2、根據權利要求1所述的建築物火災煙流特性預測系統，其特徵在於，所述建築物換氣樹包括由建築物的各房間、各樓梯間、各層樓面構成的節點，由通道開口構成的枝。3、根據權利要求1所述的建築物火災煙流特性預測系統，其特徵在於，所述物性參數包括建築物開口的風壓係數、流量係數、輻射透過率、牆體各材料的導熱係數和比熱容。4、根據權利要求1所述的建築物火災煙流特性預測系統，其特徵在於，系統還根據排煙方式、建築物構造變化、安全疏散的臨界要求確定送風量與排煙量。5、根據權利要求1-4其中之一所述的建築物火災煙流特性預測系統，其特徵在於，所建立的火災場景模型包括，穩態火源和非穩態火源模型。6、根據權利要求1-4所述的建築物火災煙流特性預測系統，其特徵在於，構建的所述煙氣特性方程包括根據建築物換氣迴路接續矩陣及常數矩陣，構建節點質量平衡方程式，根據建築物閉環矩陣構建環路壓力平衡方程式；根據建築物開口平面法線及開口兩端房間煙氣密度，建築物中和界相對於開口的不同位置，建立開口質量與開口壓差關係式；根據現實溫度建立房間熱平衡方程式；建立有限厚牆體傳熱方程式；根據煙流與壁面的總換熱係數、壁體材料建立半無限大物體傳熱方程式；建立煙氣濃度方程式、C02濃度方程式、CO濃度方程式。7.一種建築物火災煙流特性預測方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)系統數據中心預先存入建築物的相關幾何數據、建築物相關的物性參數，採集模塊採集建築物環境氣象條件；(2)選擇熱釋放速率增長形式，建立火災場景模型，根據火源類型及燃燒時間建立建築物結構的改變模型；(3)根據建築物燃燒時間選擇牆體傳熱子模型；(4)將建築物內部結構轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由此構造建築物換氣迴路接續矩陣和閉環矩陣；(5)設定時間步長AT，根據建築物換氣迴路接續矩陣、閉環矩陣以及相關模型和參數，構建煙氣特性方程；(6)求解煙氣特性方程計算各節點溫度、煙氣濃度、C02濃度、CO濃度、壁面溫度、通過開口的煙氣質量流量、壓差，生成各參數隨時間的變化曲線；(7)根據煙氣特性方程計算結果分析煙氣到達危險狀況的時間，並提供CO濃度判據、C02濃度判據、溫度判據、煙氣濃度判據以及煙氣層高度判據。8、根據權利要求7所述的建築物火災煙流特性預測方法，其特徵在於，將建築物的各房間和樓梯間作為節點，樓梯井按各層樓面分割成不同節點，走廊型通道按照與房間面積近似相等的原則化分成節點，建築物通道的開口作為枝，將建築物轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹。9、根據權利要求7所述的建築物火災煙流特性預測方法，其特徵在於，所建立的火災場景模型包括，穩態火源和非穩態火源兩種火災場景模型。10、根據權利要求7所述的建築物火災煙流特性預測方法，其特徵在於，所述構建煙氣特性方程的步驟包括根據建築物換氣迴路接續矩陣及常數矩陣，構建節點質量平衡方程式，根據建築物閉環矩陣構建環路壓力平衡方程式；根據建築物開口平面法線及開口兩端房間煙氣密度，建立開口質量與開口壓差關係式；根據現實溫度建立房間熱平衡方程式；建立有限厚牆體傳熱方程式；根據煙流與壁面的總換熱係數、壁體材料的導熱係數與導溫係數建立半無限大物體傳熱方程式；建立煙氣濃度方程式、C02濃度方程式、CO濃度方程式。全文摘要本發明請求保護一種建築物火災煙流特性預測系統和預測方法，涉及一種高層建築和多層多室建築火災煙氣發展和演變規律的預測。本發明構成了完整的建築物火災煙流特性預測系統，及火災煙流特性預測方法。將建築物轉化為節點和枝構成的建築物換氣樹，由此構造建築物換氣迴路接續矩陣和閉環矩陣，構建煙氣特性方程並求解，繪製煙氣濃度、CO2濃度、CO濃度隨時間變化的關係，預測達到危險濃度的時間。本系統可以預測火災過程中建築物構造變化，以便確定火災過程中建築物內各部位的加壓送風方案及防排煙設計方案，實現保證建築物火災安全狀況下的性能化防排煙系統設計和安全疏散設計。文檔編號G06Q10/00GK101187999SQ20071009298公開日2008年5月28日申請日期2007年11月15日優先權日2007年11月15日發明者晟何,彭宣偉,王厚華,白雪蓮,慶羅,羅嘉陵,洋胡,謝元一,韓武松申請人:重慶大學