深埋地铁车站火灾实验与数值分析

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1、第6章深埋地铁车站火灾模型试验6」模型试验的相似性理论分析用于火灾试验研究屮的尺度模拟技术的相似模型主要有三类(Quintiere,1989,；刘方，2002):弗劳德模型(FroudeModeling)>压力模型(PressureModeling)以及类比模型(AnalogyModeling)。不同的研究目的所釆用的相似模型不同。压力模型用于模拟可燃物的燃烧情景，模型试验设计在加压容器中进行。而弗劳徳模型用于模拟火焰羽的流动与传热问题，模型试验在常压下进行。类比模型中的盐水模拟实验技术是一项研究火灾烟气流动特性的新方法。对于一般的建筑采用全尺寸的实体模型进行火

2、灾实验，存在一定困难，不经济。因而采用小比例的相似模型研究火灾的发展和烟气流动规律是一种必要、科学、经济而又切实可行的手段。而且，以数学模型为理论基础的火灾烟气流动应用程序，必须得到实验的验证。目前，已有研究者采用弗劳德模型开展建筑物内火灾烟气流动研究，获得一些有益的实验结果(范维澄等，1995)本章先根据烟气流动控制微分方程导出模型与原型动力相似的相似准则，得到建造模型实验的相似律。由于火灾现象的复杂性，相似模型结果与实际结果是不完全和同的。所建立的微分方程组往往不能完全反映所有影响因素，实际上，如果将所有因素都考虑进去，会使方程组过于复杂化，而对所要解问题的

3、精度往往不要求如此精细。因此相似模拟方法是一种需要忽略一些次要因素，抓住所要研究的问题的本质，研究火灾及其烟气运动过程的手段。6.1.1烟气流动控制方程无纲量化利用无量纲化分析方法导岀相似准则，必须对所研究对象的物理本质进行认真分析，建立起相应的控制微分方程组,进行相似变换将方程化为无量纲方程组,从而得到相似准则。本节主要参考国内外已有的纲量分析法(Quintiere,1989；刘方，2002),从控制方程的分析入手，进行无量纲化处理，进而得到地铁火灾实验的相似律。连续方程：扌*Xj(6.1)式中，厂为密度；f为时间；"为速度。如丄(w)=_?3化)+Z.讥Mc

4、vO/cSiXj+w?xz79孱m——-(6.2)动量方程:roSi其中,(6.3)式屮，P为压力；Po为参考压丿J；匚为空气密度；加为黏性系数；g为体积力。能量方程：fW)+扌斗(6.4)式中，T为温度;C”为定压比热容；/为导热系数；k为吸收系数；S为Stefan-Boltzman常数；I为辐射强度；Q疋为单位体积热量产生源项；W为角度。浓度方程：式中，R为气体常数。(6.6)(6.7)边界内部传热方程:式中，q为比热；心为密度；为壁面材料导热系数；7；为温度。气体边界层传热：式中，加」为单位而积质量流量；D/q卯为蒸发潜热；兀/为火焰特征长度；7}为火焰温

5、度；7；为环境温度。固体边界传热:(6.9)式中，力为对流换热系数。如果考虑烟气流动过程，对于空间较大的火灾，可以有以下假设：①火源近似为一热源；②烟气为不可压缩气体③采用紊流时均值；④因为大空间火灾烟流其温度值不高，不计辐射传热的影响；⑤浮力影响釆用Boussinesq近似即厂。-r-b(T-To)；⑥热扩散、黏性耗散、压力功等对烟气流动的影响较小，将这些因素的影响可忽略不计；⑦如果将上述守恒方程无量纲化，引入一些特征尺度变量：特征长度L、壁面厚度〃、特征速度V、特征时间/、特征压差、p以及环境(或初始)温度7；、密度匚、压力P。、火源特征强度Q,、火源特征

6、烟气质量加。、烟气特征浓度打。引入无量纲量：无量纲坐标：(6」0)无量纲壁面坐标:(6.11)无量纲密度:无量纲速度:无量纲壁面温度:无量纲温度:无量纲时间:无量纲压力:无量纲火源强度:无量纲烟气质量:无量纲浓度:(6」2)(6.13)(6.14)(6.15)(6.16)PPoQQo(6」7)(6.18)(6.19)故而上述控制微分方程组可写成如下形式的无量纲控制微分方程组:连续方程：(6.21)11(讹)—0/X运动方程:Pi勺（啟JI勺（九启）.二・〃2鉴+卩3咚+几（1■厂（6.22）Xj手农Xi-2火灾引起的烟气流动可看作是浮升力引起的自然对流，而只要R

7、e（雷诺数,见表6.1）足够大，流动处于Re自模拟区，则无需考虑保持模型和原型中的雷诺数Re相同。对于封闭空间中浮力引起的自然对流，只要Re>103,流动呈紊流状态，流动处于自模拟区，动量方程中的黏性项、压力影响较小，可忽略。刃警+号=皿普+M+P7晋能量方程：（6.23）+PsP9/卩汐5竊方必4池式中，气体辐射相比对流热等对烟气流动的影响较小，将这些因素的影响可忽略不计。浓度方程:找銭）+刃捋+（屯习I「(6.24)状态方程：p-1_P[2rT(6.25)壁面导热方程：Pe扌耳；2TsPl3捋盂(6.26)气相边界层传热条件:(6.27)(6.28)

8、

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