基于碳黑痕迹的火灾数值模拟研究及应用

摘要

火灾事故发生频繁,往往造成重大的人员伤亡和财产损失,因此查明火灾原因,认定事故责任显得非常重要。在火灾中,火场的各种痕迹物证,可直接或者间接地证明火灾发生的时间、起火点位置、起火原因和蔓延的路线等。碳黑痕迹,是火场中最常见的痕迹特征之一,是查明火灾原因的重要依据。本文对碳黑痕迹的数值模拟方法进行了研究,并将其应用于火灾事故的数值重构中,不仅可以提高火灾事故重构的可靠性,还可以提高火灾事故重构的效率。
　　首先,本文提出了火灾中碳黑痕迹的数学建模方法,并建立了碳黑痕迹的数学模型。将湍流中颗粒沉积理论中的经验公式法应用到烟气颗粒的沉积计算,结合流体边界层速度相关理论,建立壁面单位面积上沉积的碳黑颗粒的质量与时间等因素的关系的数学模型。从火灾数值模拟的环境出发,推导数学模型的求解方法和求解过程。
　　其次,本文开发了基于碳黑痕迹的火灾数值模拟系统。将碳黑痕迹数学模型进行离散化、数值化,然后利用FORTRAN语言开发了碳黑痕迹的数值计算模块。利用FDS软件开放的源代码,将碳黑痕迹计算模块与FDS软件的火灾模拟相结合,开发了基于碳黑痕迹的火灾数值模拟系统,并利用MFC为该系统设计了可视化的用户界面。该系统实现了烟气流过壁面时形成的可视化痕迹的数值模拟。通过输入参数的设置可在数值模拟环境中设定测点记录任意时刻壁面单位面积颗粒的沉积总量,可实现对碳黑痕迹的定量分析。在此基础上对典型的碳黑痕迹的形成规律进行研究和总结,并利用该系统进行模拟,模拟结果与实际观察结果进行对比,验证了碳黑痕迹数学模型的正确性与适用性。
　　最后,本文将碳黑痕迹数值模拟方法应用到实际火灾事故的数值模拟中,验证了本文提出的数值模拟方法的可靠性。以上海某建筑火灾为例,通过火灾调查报告和现场观察结果将火势的发展和模拟结果进行对比,建立合理的结构模型。利用碳黑痕迹数值模拟系统模拟火灾中产生的碳黑痕迹,将典型位置的碳黑痕迹与现场进行对比,发现具有很好的吻合度。然后在模拟环境中设置数十个测点,记录任意时刻的碳黑颗粒沉积到壁面上的质量,在此基础上建立沉积的质量与时间的关系曲线,对碳黑痕迹进行定量分析。通过纵向分析和横向对比,验证了碳黑痕迹数值模拟系统的可靠性及其应用性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及课题来源

1.2 国内外研究现状

1.3 研究意义及内容

第二章 基于碳黑痕迹火灾数值模拟的理论基础

2.1 火灾数值模型

2.2 粒子沉积理论

2.3 FDS 和 SMOKEVIEW 介绍

2.4 开发工具简介

第三章 碳黑痕迹的数学模型

3.1 沉积通量的求解

3.2 粒子沉积速度的求解

3.3 摩擦速度的求解

3.4 粒子浓度的确定

3.5 数学模型

3.6 小结

第四章 碳黑痕迹建模系统

4.1 碳黑痕迹可视化数值模拟的实现

4.2 碳黑痕迹建模系统

4.3 典型碳黑痕迹的数值模拟

4.4 小结

第五章 碳黑痕迹建模系统的应用

5.1 火灾事故简介

5.2 数值建模

5.3 数值模拟

5.4 碳黑痕迹分析

5.5 小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与课题及发表论文情况