建筑物火灾烟流特性预测系统和预测方法

专利名称：：建筑物火灾烟流特性预测系统和预测方法
技术领域：
：本发明属于火灾安全与消防工程领域，具体涉及一种高层建筑和多层多室建筑火灾烟气发展和演变规律的预测。
背景技术：
：自20世纪70年代起，世界上一些发达国家就开始对以性能化为基础的建筑防火设计方法进行了系统研究，随之出现了描写烟流运动特征的各种数学物理模型，主要有场模型、区域模型、网络模型以及上述三种模型结合应用的混合模型。对于高层建筑及其多层多室建筑，由于受限空间很多，边界条件非常复杂，目前世界上研究该类建筑火灾烟流运动的模型多采用网络模型。主要有日本建筑研究所开发的BRI模型，加拿大建筑研究所开发的IRC模型，英国建筑研究所开发的BRE模型,美国标准技术研究所开发的NIST模型，荷兰应用物理研究所开发的TNO模型。从现有资料来看，上述模型均存在下列问题即仅将烟气浓度作为时间的函数，或者仅将着火室的物性参数作为时间的函数，而将火灾中建筑物内其它部位的温度视为不变；传热计算方面，仅计算了高温烟气向墙体表面的传热，而忽略了通过壁体向邻室的传热，因此必然导致邻室的室温计算产生偏差；将烟气的热物性参数，如导热系数、定压比热容、密度等简化为常数，这与实际情况有很大的差异，不符合火灾发展和演变的规律；火灾中火源释热率多采用稳态火源，稳态火源可使计算简单，但其缺点是显而易见的，稳态火源的设定功率往往是根据经验数据来确定，性质不明确，不能真实反映火源释热率的输出情况。并且在常见的建筑火灾中，固体可燃物占绝大多数，火灾荷载密度很大，其火源释热率的输出是随火灾的发展过程而变化的，是时间的函数，如火源释热率采用稳态火源，极有可能低估或者高估火灾危险性，降低计算结果的准确性。
发明内容本发明针对现有技术中存在的上述问题，建立了完整的建筑物火灾烟流特性模型，提出、改进和完成了理论计算方法，设计了完整的建筑物火灾烟流特性预测系统。该系统包括数据中心、控制中心、采集模块、算法模块、分析处理模块，(1)数据中心预先存入建筑物构造的相关几何数据、建筑物的物性参数；采集模块采集建筑物环境气象条件；(2)控制中心选择热释放速率增长形式，建立火灾场景模型，在火灾发生过程中根据火源类型、燃烧时间构建建筑物结构的改变模型；(3)控制中心根据建筑物燃烧时间选择墙体传热子模型；(4)控制中心根据建筑物内部结构将建筑物转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由此构造建筑物换气回路接续矩阵和闭环矩阵；(5)控制中心设定时间步长At，根据建筑物换气回路接续矩阵、闭环矩阵以及相关模型和参数，构建烟气特性方程；(6)算法模块求解烟气特性方程，计算各节点温度、烟气浓度、C02浓度、C0浓度、壁面温度、通过开口的烟气质量流量、压差，生成上述各参数随时间的变化曲线；(7)分析处理模块根据计算结果分析烟气到达危险状况的时间，并提供CO浓度判据、C02浓度判据、温度判据、烟气浓度判据以及烟气层高度判据。本发明还提出一种建筑物火灾烟流特性预测方法，包括以下步骤(1)系统数据中心预先存入建筑物的相关几何数据、建筑物相关的物性参数；采集模块采集建筑物环境气象条件；(2)选择热释放速率增长形式，建立火灾场景模型，建筑物在火灾发生过程中结构的改变模型；(3)根据建筑物燃烧时间选择墙体传热子模型；(4)将建筑物内部结构转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由此构造建筑物换气回路接续矩阵和闭环矩阵；(5)设定时间步长At，根据建筑物换气回路接续矩阵、闭环矩阵以及相关模型和参数，构建烟气特性方程；(6)求解烟气特性方程计算各节点温度、烟气浓度、C02浓度、C0浓度、壁面温度、通过开口的烟气质量流量、压差，生成各参数随时间的变化曲线；(7)根据计算结果分析烟气到达危险状况的时间，并提供CO浓度判据、C02浓度判据、温度判据、烟气浓度判据以及烟气层高度判据。将建筑物的各房间和楼梯间作为节点，楼梯井按各层楼面分割成不同节点，走廊型通道按照与房间近似相等的面积化分成节点，建筑物通道的开口作为枝，将建筑物转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由此构造建筑物换气回路接续矩阵和闭环矩阵采用本发明设计的建筑物火灾烟流特性预测系统，考虑通过壁体向邻室的传热，可以计算出火灾过程中，建筑物内任意时刻各房间(节点)的温度、烟浓度、C02(二氧化碳)浓度、C0(—氧化碳)浓度、空气密度、房间蓄热量、换气热损失、墙体吸热量、辐射热损失、开口烟气质量流量、开口压差、各节点墙体任意时刻的温度。本系统可以根据火源类型、燃烧时间预测火灾过程中建筑物构造变化的各种情况，以便确定火灾过程中建筑物内各部位的加压送风方案及防排烟设计方案，并提出修改意见，实现保证建筑物火灾安全状况下的性能化防排烟系统设计。图1本发明所述烟气特性方程计算流程图图2本发明所述建筑物火灾烟流特性预测系统结构图图3实验模型平面及测点布置图图450kg、无排烟，2室温度数据比较图图510kg、有排烟，l室温度数据比较图图6地下商业街建筑平面图图7地下商业街网络换气树图8地下商业街第2和第9节点C02浓度随时间的变化图图9旅馆建筑物平面图图10旅馆建筑物网络换气树图ll旅馆建筑物l节点温度曲线对比图12旅馆建筑物l节点烟气浓度曲线对比图13旅馆建筑物1节点C02浓度曲线对比具体实施例方式本发明所述的建筑物火灾烟流特性预测系统，建立了完整的建筑物火灾烟流特性模型，能够预测建筑物发生火灾时烟流、烟温、烟浓度、C02浓度、C0浓度和壁温的发展变化规律，系统还考虑随着人员疏散改变各门的开闭情况，由此引起开口的流量系数、壁面积、辐射透过系数的改变；随着门窗烧损改变开口的流量系数、壁面积、辐射透过系数等。模型对建筑物的所有受限空间都划分为节点，能计算出烟流蔓延速度及其污染范围，为人员的安全疏散动态模拟提供有用的信息。以下针对附图和具体实例对本发明的实施进行详细说明，如图2所示为本发明建筑物火灾烟流特性预测系统模型示意图。(1)在系统数据中心存储器中预先存入建筑物的平面结构图和立体结构图、建筑物构造的相关几何数据、开口的风压系数、流量系数、辐射透过率、墙体各材料的导热系数和容积比热容等物性参数；采集模块通过传感器、探测器等采集建筑物环境气象条件，包括室外风速、风压、气温等相关参数；(2)根据建筑物各室的使用功能，建立火灾场景模型，选择热释放速率增长形式，建立包括稳态火源和非稳态火源的火灾场景模型。稳态火源包括分段稳态火源和分段线性火源；非稳态火源包括，建立热释放速率随温度的平方成正比的1:2火源、完整发展模型火源、根据火灾与烟气在建筑物内蔓延的多室区域模拟软件MRFC(Multi-Room-Fire-Code)中所采用的火源、和FFB(德国卡尔斯鲁厄大学火灾研究所)提出的非稳态火源。可根据建筑物各室内的可燃物情况选用不同的火源模型，并由此根据火源类型及燃烧时间构造在火灾发生过程中建筑物结构的改变模型；(3)根据建筑物着火燃烧时间长短，选择墙体传热子模型。如燃烧时间较短，可选择半无限大传热子模型，如燃烧时间较长，可选择有限厚传热子模型。后者计算准确度更高，但收敛速度更慢。(4)根据建筑物内部结构将其内部空间和开口划分为节点和枝，并将其转换为建筑物换气树，形成建筑物换气回路接续矩阵[I]和闭环矩阵[L]。将建筑物的各房间和各楼梯间作为节点，楼梯井按各层楼面分割成不同节点，走廊型通道根据与房间面积近似相等的原则化分成节点，各房间、通道的开口作为枝，根据图论原理将建筑物转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由建筑物换气树形成建筑物换气回路接续矩阵[I]和闭环矩阵[L]。(5)系统还可根据在火灾过程中排烟方式，确定防排烟方案。如为机械防排烟，则需输入送风量与排烟量,根据火灾过程中建筑物构造变化以及安全疏散的临界要求确定送风量与排烟量，以满足室内人员安全疏散的要求。(6)系统自动判断建筑物是否发生轰然。系统根据产生轰燃所需要的热释放速率/c，建筑物开口面积人和开口高度/^，除建筑物开口面积以外的其余房间内表面积4，根据托马斯公式建立建筑物轰然判别式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)燃烧过程中，当同时满足式(1)与式(2)即可判别室内已经发生轰燃。如未发生轰燃，则计算着火室内烟流特性；如已发生轰燃，则着火室门窗崩坏，烟气流入走廊或者室外，计算各节点烟流特性。(7)系统按照要求的计算精度设定时间步长At,通常取At=5m/S10m/s，At取值小可提高计算精度，但计算时间更长。根据建筑物换气回路接续矩阵[1]、闭环矩阵[L]、建筑物结构的改变模型、墙体传热子模型、相关参数等，利用线性化和差分化构建烟气特性方程，根据当前时间的烟气特性求解烟气特性方程，计算各节点下一时间步长时刻的温度、烟气浓度、C02浓度、C0浓度、建筑物各房间壁面温度等，根据上述计算值随时间的发展变化规律、以及开口的烟气质量流量、压差等计算结果绘制生成各参数随时间的变化曲线。(8)分析模块根据变化曲线分析烟气到达危险状况的时间，并根据预先设置在系统数据库中的阈值自动判别危险状况的CO浓度、C02浓度、温度、烟气浓度以及烟气层高度。阈值是通过大量的火灾实验数据整理出来，并已存入系统数据库中。构建所述的烟气特性方程的具体步骤如下所述(1)根据建筑物换气回路接续矩阵及常数矩阵，构建节点(房间)质量平衡方程式。设建筑物内有m个节点，n个枝(开口)，建立建筑物换气树，根据换气树确定建筑物换气回路接续矩阵[I]，构建节点数m行的质量发生速率列矩阵[M]，该矩阵为常数矩阵，[I]为m行n列的换气回路接续矩阵，是[Am]的系数矩阵，[Am]为n行的开口净质量流量列矩阵，为待求矩阵。则节点质量平衡方程式可用矩阵形式表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)(2)根据建筑物闭环矩阵[L]构建环路压力平衡方程式。按图论原理，由m个节点、n个枝构成的建筑物换气树可以形成n-m个闭合环路，可以建立n-m个线性无关的代数方程式，其矩阵形式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)式中，[L]为ni行，n列闭环矩阵，A为压力源；[P+Ps]为n行的节点间的压差列矩阵；[O]为n-m行的0列矩阵。(3)根据火灾过程中建筑物开口平面法线方向及开口两端房间烟气密度，建立开口质量与开口压差关系式。开口质量与开口压差关系式由流体力学推导得出，根据开口平面法线方向，以及开口两端房间烟气密度建立不同的关系式，本发明采用泰勒级数展开，忽略二阶以上的无穷小项以后，使其线性化为以下计算式(3.1)开口平面法线竖直或开口两端房间烟气(空气)密度相同，为单向流动，所建立的开口质量与开口压差关系式为P(病P(/^)(5)式中，A+,、A分别为(n+l)△i时刻和nAT时刻两节点间的压差；A/^+,、A/^分别为(n+l)AT时刻和nAT时刻两节点间通过开口的烟气的净质量流量。u为开口流量系数，A为开口面积。(3.2)开口平面法线水平且开口两端房间烟气(空气)密度不同，设i室和j室的开口方向由i室指向j室为正，i室和j室具有各自均匀的温度和密度，且i室和j室密度满足关系A<^。此时，中和界相对于开口的不同位置，应采用不同的计算式。a、中和界在开口中，烟气为双向互流动，开口质量与开口压差关系式为/<-<-A3C(i^~^、2￡>乂2D、式中:一"5"、3/2(7)(8)(9)(10)(11)&、^分别为幵口上下端距房间地面的高度；B为开口宽度；p,、^分别为i室和j室内9的烟气密度；g为重力加速度；m,，,、//^分别为i室流向j室的烟气质量流量以及j室流向i室的质量流量。b、开口在中和界之上，烟气为单向流动，开口质量与开口压差关系式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(12)C、开口在中和界之下，烟气为单向流动，开口质量与开口压差关系式为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(13)如果建筑物划分的枝总数为n，节点总数为m(不包括室外空气节点)，则质量平衡方程式为m个，压力平衡方程式为n-m个，流量与压差的线性方程为n个，可以组成2n个线性无关的代数方程组。方程总数等于开口两端压差和开口流量组成的2n个未知数个数，联立求解方程组可以求出所有开口两端的压差和开口质量流量。(4)根据现实温度建立房间热平衡方程式，求解节点的未来温度"+1对于任意节点i，采用隐式差分格式，房间热平衡方程式可以改写为如下有限差分方程:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中4为着火室(i室)可燃物燃烧发热速率，火灾烟流特性模型的火灾场景设定后，/d可根据实验数据或系统设定的火源形式计算；r"表示r-"Az"时刻的温度，称现实温度，为已知量；r""表示T二(M+l)Ai:时刻的温度，称未来温度，为待求量；4,、^为i'、》两室间的开口面积和辐射透过率；^为史蒂芬一玻尔兹曼常数；4^为/室第k个壁面面积；/^为/室第k个壁面与烟流间的总换热系数；7;w为/室第k个壁面的表面温度，由传热方程式求得；烟气密度"、定压比热容C;等按现时温度确定；^为z'室体积。(5)建立有限厚墙体传热方程式本发明的有限厚墙体传热方程式引用严治军教授在《重庆建筑大学学报》1997年第5期中发表的论文"火灾建筑的热传导解析"中的计算式，但差分格式由原文的显示差分格式修改为隐式差分格式。(6)根据烟流与壁面的总换热系数、壁体材料的导热系数与导温系数建立半无限大物体传热方程式。式中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中，"为积分中间变量；/;、；i、《分别为烟流与壁面的总换热系数、壁体材料的导热系数与导温系数。在Matlab中，ar;)能够方便、快捷地用数值方法计算出来。当计算n+l步时刻i室室温7T"及第k个壁面温度7^)时，n步时刻的7;"、7^fc>、or,^为已知数据，因此7;^)与7:""呈线性关系。(7)建立烟气浓度方程式，根据燃烧引起的烟发生速率确定烟气质量浓度。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(17)式中:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(18)A^,为燃烧引起的烟发生速率c,为由实验确定的常数；S,.、S^分别为i室和j室的烟气质量浓度。(8)建立C"浓度方程式，由燃烧引起的二氧化碳发生速率确定二氧化碳质量浓度。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(19)式中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(20)M。为燃烧引起的二氧化碳发生速率；C2为由实验确定的常数；C,、^分别为i室和j室的二氧化碳质量浓度。(9)CO浓度方程式，由燃烧引起的一氧化碳发生速率确定一氧化碳质量浓度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(21)式中M,=c3/(22)M^为燃烧引起的一氧化碳发生速率；C3为由实验确定的常数；CO,、Cq分别为i室和j室的一氧化碳质量浓度。建立以上烟气特性方程后，求解上述方程确定相关参数，图l所示为具体求解步骤。(1)初始时刻，设置ni,假定各节点间w,z0,压差？=0，由式(14)求出各节点现实温度7;，由有限厚墙体传热方程式或半无限大物体传热方程式(16)求出各壁面温度rw,:(2)置『1，如果n〈时间步长，执行以下步骤；(3)由拟合的^=/(;)、Cp,:伊(7;),用n-l时刻温度计算各节点烟气密度A、定压比热容、,.；由理想气体状态方程式求出各节点间压差A。(4)计算第n步枝流量、压差，由式(3)—式(13)联立求解，求出下一时间步长的A、紐"+i、、附),；(5)将步骤(4)求出来的《"、；^+'代入式(17)、(19)、(21),求出下一时间步长的烟气浓度、Cq浓度和CO浓度；(6)由式(14)求出下一时间步长各节点未来温度7;，及各壁面温度Twi;(7)置『n+l，重复步骤(3)，直到计算结果满足所设定的时间为止。计算出每个步长的烟气浓度、C《浓度和CO浓度等参数后，绘制上述参数与时间关系的曲线，根据数据库中存储的对人体产生危险状况的烟气浓度、CQ浓度和CO浓度阈值进行比较，确定到达危险状况的时间，以及当前时刻的烟气浓度、CO,浓度和CO浓度。下面以具体的建筑物实例对本发明的实施进行说明。实验研究实例1实验模型为一实体建筑，高3米，其平面尺寸及测点的布置如图3所示。图3中，O表示热电偶测试柱，A表示烟气流速及烟浓度、C02浓度采集测试柱。在系统数据库中预先输入各开口几何尺寸及建筑物结构、材料，墙体各材料的导热系数和容积比热容，探测器采集环境气象条件。火源采用含水率为8%10%的长条型松木，其质量分别为10kg、50kg、100kg，构成了三种不同的火荷，其燃烧发热量采用失重测量法测定。未标注的壁面均为砖砌结构，两面抹灰。壁面3为玻璃壁面，3室为观测室，3室内设有探照灯及摄像系统，可观察到实验中的烟流运动情况。2室中心有一排烟口，当风机开启时可通过该排烟口将烟气排出室外。测温系统为竖向布置的7根测试柱组成，1室和2室的测试柱上各设置有9个测温热电偶，位置最高的测点距离顶棚0.lm，往下每两个测点间距为0.2m。3室的两根测试柱上各设置了4个测温热电偶，其高度距顶棚分别为0.lm、0.3m、1.3m、2.55m。测试系统的布置充分考虑到对称性和代表性。测量数据由数据采集系统自动巡检采集，巡检周期为5秒，采集的数据输入计算机后，由打印机实时打印。整个测量装置均为先进的火灾实验专用装置，所有的热电偶均经过严格校验。将实测的燃烧发热量、排烟量以及其他初始数据输入系统控制中心计算机，取时间步长为5秒，采用本发明的烟流特性预测系统进行计算。计算结果与实验结果描绘在同一坐标图上，由于篇幅限制，本实例中仅给出有代表性的两个不同方案下的温度数据比较图。从图4和图5中可以看出火荷较小的情况下(燃烧质量分别为50kg和10kg)，火灾初期，本系统的计算结果略高于实测结果。随着火灾过程的进行，两者的误差减小。当火荷增加至100kg的时候，计算结果与实验数据吻合得相当好，所有的比较结果都充分证实了这一点。从网络模型把每一个受限空间作为一个节点，假设任一时刻该节点具有均匀温度、密度等物性参数的特征来看，当室内可燃物数量较大时，采用网络模型开发出的预测软件具有足够的准确性。即使火荷仅为10kg，计算结果也能够准确地描述建筑物火灾的发展及变化趋势。实验研究实例2模拟对象为四川消防科研所为进行《地下商业街火灾烟气流动特性实验研究》修建的实体建筑。该建筑是一栋按1:1比例修建的实体地上建筑，建筑面积为640m2，净空高度为3m，通道长'67m，宽4m。两端各设一个出入口，通道两侧为模拟铺面。其平面图如图6所示。本模拟计算做了如下的假设(1)着火室①门全开，所有铺面全关；(2)出口2关，出口l、3全开。构建如图7所示的该建筑物的换气树。建筑物换气树以室外为基点O,共10个节点riFl0，12个枝0=12，根据图论原理，可建立raXr^lOXl2的换气回路接续矩阵，(n-m)Xn=2X12的闭环矩阵，共12X12个线性无关方程组。实验火源条件着火室位于l，火源为长条型木材，含水率8%10%，截面5X5cm,长度25cm,质量10kg。燃烧时用失重法确定火源的热释放速率。开口条件铺面全关，出口2关，出口l、3开。防排烟方式自然补风、自然排烟。室外条件无风，温度20'C。测试系统图6走廊中"參"处布置P1P6六个截面的组合测试柱，每个测试柱上沿高度方向布置有九个温度测点，其高度距吊顶距离分别为O.lm、0.3m、0.5m、0.7ra、0.9m、l.lm、1.3m、1.5m、2.55m;三个流速测点，其高度距吊顶距离分别为0.5m、1.0m、1.5m;六个烟浓度测点，其高度距吊顶距离分别为0.lm、0.3m、0.6m、0.9m、L2m、1.5m;—个化学成份采气样点，其高度距吊顶距离为1.5m。在运用本系统预测模型进行模拟计算的过程中，取时间步长为5秒，模拟时间为1800秒共360步。对包括室外节点(①……⑩)共11个节点的模拟耗时约IO分钟。采用体积加权平均法求取节点温度平均值，算法模块调用所构建的烟气特性方程进行相关计算。计算结果与实验结果变化趋势是一致的，将Pl测试柱实验数据与2节点计算数据列入表1中，从表1中对比可见温度最大值相对误差不超过14%,全时间范围内温度平均值相对误差不超过3%，证明模型对走廊烟气温度模拟是成功的，模拟的结果是可靠的。其他节点处亦可得出相同的结论。由于计算热释放速率时采用的是失重法，将所有失去的重量均考虑转化为热量，而木材含8%10%的水份。燃烧进入稳定阶段前，水份蒸发不仅不能发热，还要吸收汽化潜热，所以根据模型计算的热释放速率偏高，温度最大值出现时间偏早。火灾进入稳定燃烧阶段后，两条曲线趋于一致。表1Pl温度实验数据与计算数据比较<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>烟气在走廊中的蔓延速度烟气在水平方向上的蔓延速度及距离是防排烟系统设计和安全疏散设计的重要依据，是判别火灾初期人员能否安全疏散的重要指标。烟气浓度、co2浓度以及温度变化均可反映烟气的蔓延情况，本模拟计算中，取C02浓度的变化情况来进行分析。通过某节点C02浓度发生改变的时间来表示烟气侵入节点的时间，比较各个节点烟气浓度、侵入时间的早晚和节点间距离，可以得出烟气在走廊中的水平蔓延平均速度，从而为安全疏散设计提供依据。图8为第2和第9节点C02浓度随时间的变化图，由图中可以看出模型计算烟气侵入节点2的时间为40秒,侵入节点9的时间为180秒,节点2与节点9之间的距离为45.8m。因此，烟气在走廊中的水平平均蔓延速度为v。=45.8/(180-40)=0.33m/s。实验中Pl处距吊顶第一高度H,-O.lm的烟感装置感受到烟气入侵时间为75秒，P6处距吊顶第一高度H,=0.1m的烟感装置感受到烟气入侵时间为210秒，水平平均蔓延速度为vf45.8/(210-75)=0.34m/s,二者相对误差为2.9°/。。烟气在走廊中的水平蔓延平均速度误差非常小。烟气侵入时间决定了某一时刻烟气污染的范围，计算结果比实验结果侵入时间要早，这是因为烟感装置本身对烟气的响应存在滞后。烟气到达烟感装置测点位置之后，经一定时间后烟感装置才能作出反映。对于安全疏散设计来说，这样所得结果是偏安全的。本例应用建筑物火灾烟气流动特性预测系统，对10kg木材小火荷条件下的走廊型通道的烟气温度、浓度等参数进行了模拟，得出了这些参数的分布状况，并且与公安部四川省消防科学研究所实体火灾实验数据进行了对比，对比结果表明预测系统对走廊型通道发生火灾时通道内温度、C02浓度分布状况以及烟气的水平平均蔓延速度的预测结果和实验结果吻合得非常好，从而证明该软件对烟气在走廊型通道中流动特性的预测结果是可靠的应用实例旅馆建筑物的某层(如图9所示)，共10个客房，各房间通过单开木制门与走廊连接，走廊无直接自然通风外窗，火灾时人员通过走廊右端的防火门进入楼梯间前室。将建筑物抽象为换气树，图IO为模拟建筑物抽象得到的换气树。设模拟建筑物3号房着火(因3号房间最靠近出口，其着火为最不利条件)，普通装修，火源热释放速率为125KW/itf,假定火源为非稳态火源，热释放速率以t2火形式增长，火焰蔓延为中速火发展形式，火灾发展系数值为0.0117KJ/s3，最大热释放速率值为3100kw。计算时间步长为5秒，计算步数为360步。采用负压机械排烟。排烟面积按《高规》规定的内走道排烟面积计算，即走道的地面面积40.5m2与连通走道的固定窗的房间3的面积24.75m2之和，总排烟面积为65.25m2，机械排烟口设在走廊中部节点2处，以现行《高规》"负担一个防烟分区排烟时，应按每平方米面积不小于60m7h计算"为基准点，将排烟量向左右两边扩展，以6m7h.m2为一个步长,分别计算54mVh.m2、60m7h.m2、66m3/h.m2、72m3/h.m2、78mVh,m2的排烟量时建筑物火灾时的烟气流动特性。在建筑物火灾时的最不利情况即在最靠近出口的3号房间着火的情况下，各房间人员要实现安全疏散，必须保证各房间人员所需安全疏散时间(RSET)小于其可用安全疏散时间(ASET)。火灾发生后，房间内客人只能通过右边防火门进入楼梯间前室逃生。旅馆内装设感烟火灾报警装置，火灾发生后60s报警；人员在房间内的行动速度为1.0m/s，在走廊中疏散速度0.5m/s;确认反应时间90s,计算得到该建筑最大所需安全疏散时间(离出口最远的房间的13号房间所需安全疏散时间)REST=262s。自然排烟时走廊至楼梯间前室的防火门在前60秒时全开，60秒以后右边防火门关闭；着火室的窗户在前300秒关闭，300秒时崩裂；随机设定10号、13号、8号、6号窗开启，总开启面积为10.8m2，其余窗关闭。运用烟流预测系统模型分别对自然排烟和不同机械排烟量条件下的烟气流动特性进行模拟，为了节省篇幅，本实例中仅绘出l号节点的烟气特性比较图。从图11一13中对比可以看出自然排烟时，各节点温度、烟气浓度均呈不断上升的趋势；设置机械排烟时，各节点烟气浓度先呈较为快速的上升趋势，到达一定时间以后上升势头减缓，趋于稳定。各个节点的温度、烟浓度均低于同时刻自然排烟的情况，且排烟量越大，下降越大。表明排烟系统的设置延缓了烟气温度、浓度的上升，对安全疏散逃生起到了重要作用。比较火灾危险状态判据(设临界温度为78°C、临界烟气质量分数为0.053、临界C02质量分数为0.046),对比曲线图，可以看到自然排烟情况下，l号节点在52步即260s时温度值为97.4'C，大大高于危险状态临界值，不能满足安全疏散要求。在排烟量为60mV(h.m"时，走廊1号节点在52步即260s时温度值为76.4'C，53步即265s时温度值为78.3°C，低于该建筑物在模拟条件下的温度临界值。此时烟气浓度为0.042kg/m3,C02浓度为0.023kg/m3，均低于火灾危险状态的临界值。即AEST〉REST，可见普通装修、火源热释放速率为125KW/m'的条件下，机械排烟量按60mV(h.m2)设计是完全可行的。但总排烟量丄=65.25><60=3915/3/;1,小于《高规》规定的最小排烟量Zmm=7200m3/A。随着排烟量增大到72m3/(h.m2)，排烟效果较60m7(h.1112)有明显提高，进一步增大排烟量至78mV(h.m2),无论是温度，还是烟浓度或0)2浓度，都与72m3/(h.m2)时非常接近，排烟效果已无明显提高，其原因是排烟量增大到一定程度，室内负压增大，排烟效率下降，导致排烟效果无明显提高。因此过大地增加排烟量是无益的。对于不同的火源位置情况，因着火室3最靠近出口，是火灾时安全疏散最不利情况，所以不需再考虑着火室位于其他位置时的情况。当其他条件不变，改变火源强度，设上述建筑物为精装修，热释放速率为250kw/m2，即最大热释放速率值为6200kw,比普通装修增大l倍时。以排烟量为72m3/(h,m2)进行计算，根据计算结果可绘制节点温度曲线、节点烟浓度曲线、节点C02浓度曲线。根据曲线进行分析，可确定该建筑物的最佳排烟方案。本实例以火灾建筑内的人员作为被保护对象，合理提出了火灾烟气危险状态判据，为ASET的确定提供了必要条件。在此前提下，分析了机械排烟量，计算结果表明当建筑物为一般装修，火源强度不太大U25KW/m')时，60mV(h.m2)的排烟量可满足火灾时安全疏散的临界要求；当建筑物为精装修，火源强度较大(250KW/m')时，60mV(h.m2)的排烟量己不能满足人员安全疏散要求，72mV(h.m2)的排烟量能满足要求，且进一步增大排烟量的情况下实际效果并不显著。因此72mV(h.m2)的排烟量为此时的最佳机械排烟量。这一结果与四川消防科学研究所通过实体实验所得出的结论相吻合。根据本发明得到的另一个重要结论是总排烟量-单位面积排烟量X排烟面积，可不受《高规》规定的最小排烟量4^=7200/3//2的限制。采用本发明建立的预测模型对建筑物防排烟系统的性能化设计具有重要参考价值。权利要求1、一种建筑物火灾烟流特性预测系统，该系统包括数据中心、控制中心、采集模块、算法模块、分析处理模块，其特征在于(1)数据中心预先存入建筑物构造的相关几何数据、建筑物的物性参数；采集模块采集建筑物环境气象条件；(2)控制中心选择热释放速率增长形式，建立火灾场景模型，根据火源类型及燃烧时间建立建筑物结构的改变模型；(3)控制中心根据建筑物燃烧时间选择墙体传热子模型；(4)控制中心根据建筑物内部结构将建筑物转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由此构造建筑物换气回路接续矩阵和闭环矩阵；(5)控制中心设定时间步长Δτ，根据建筑物换气回路接续矩阵、闭环矩阵以及相关模型和参数，构建烟气特性方程；(6)算法模块求解烟气特性方程，计算各节点温度、烟气浓度、CO2浓度、CO浓度、壁面温度、通过开口的烟气质量流量、压差，生成烟气浓度、CO2浓度、CO浓度随时间的变化曲线；(7)分析处理模块根据计算结果分析烟气到达危险状况的时间，并提供CO浓度判据、CO2浓度判据、烟气浓度判据以及烟气层高度判据。2、根据权利要求1所述的建筑物火灾烟流特性预测系统，其特征在于，所述建筑物换气树包括由建筑物的各房间、各楼梯间、各层楼面构成的节点，由通道开口构成的枝。3、根据权利要求1所述的建筑物火灾烟流特性预测系统，其特征在于，所述物性参数包括建筑物开口的风压系数、流量系数、辐射透过率、墙体各材料的导热系数和比热容。4、根据权利要求1所述的建筑物火灾烟流特性预测系统，其特征在于，系统还根据排烟方式、建筑物构造变化、安全疏散的临界要求确定送风量与排烟量。5、根据权利要求1-4其中之一所述的建筑物火灾烟流特性预测系统，其特征在于，所建立的火灾场景模型包括，稳态火源和非稳态火源模型。6、根据权利要求1-4所述的建筑物火灾烟流特性预测系统，其特征在于，构建的所述烟气特性方程包括根据建筑物换气回路接续矩阵及常数矩阵，构建节点质量平衡方程式，根据建筑物闭环矩阵构建环路压力平衡方程式；根据建筑物开口平面法线及开口两端房间烟气密度，建筑物中和界相对于开口的不同位置，建立开口质量与开口压差关系式；根据现实温度建立房间热平衡方程式；建立有限厚墙体传热方程式；根据烟流与壁面的总换热系数、壁体材料建立半无限大物体传热方程式；建立烟气浓度方程式、C02浓度方程式、CO浓度方程式。7.一种建筑物火灾烟流特性预测方法，其特征在于，包括以下步骤(1)系统数据中心预先存入建筑物的相关几何数据、建筑物相关的物性参数，采集模块采集建筑物环境气象条件；(2)选择热释放速率增长形式，建立火灾场景模型，根据火源类型及燃烧时间建立建筑物结构的改变模型；(3)根据建筑物燃烧时间选择墙体传热子模型；(4)将建筑物内部结构转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由此构造建筑物换气回路接续矩阵和闭环矩阵；(5)设定时间步长AT，根据建筑物换气回路接续矩阵、闭环矩阵以及相关模型和参数，构建烟气特性方程；(6)求解烟气特性方程计算各节点温度、烟气浓度、C02浓度、CO浓度、壁面温度、通过开口的烟气质量流量、压差，生成各参数随时间的变化曲线；(7)根据烟气特性方程计算结果分析烟气到达危险状况的时间，并提供CO浓度判据、C02浓度判据、温度判据、烟气浓度判据以及烟气层高度判据。8、根据权利要求7所述的建筑物火灾烟流特性预测方法，其特征在于，将建筑物的各房间和楼梯间作为节点，楼梯井按各层楼面分割成不同节点，走廊型通道按照与房间面积近似相等的原则化分成节点，建筑物通道的开口作为枝，将建筑物转化为节点和枝构成的建筑物换气树。9、根据权利要求7所述的建筑物火灾烟流特性预测方法，其特征在于，所建立的火灾场景模型包括，稳态火源和非稳态火源两种火灾场景模型。10、根据权利要求7所述的建筑物火灾烟流特性预测方法，其特征在于，所述构建烟气特性方程的步骤包括根据建筑物换气回路接续矩阵及常数矩阵，构建节点质量平衡方程式，根据建筑物闭环矩阵构建环路压力平衡方程式；根据建筑物开口平面法线及开口两端房间烟气密度，建立开口质量与开口压差关系式；根据现实温度建立房间热平衡方程式；建立有限厚墙体传热方程式；根据烟流与壁面的总换热系数、壁体材料的导热系数与导温系数建立半无限大物体传热方程式；建立烟气浓度方程式、C02浓度方程式、CO浓度方程式。全文摘要本发明请求保护一种建筑物火灾烟流特性预测系统和预测方法，涉及一种高层建筑和多层多室建筑火灾烟气发展和演变规律的预测。本发明构成了完整的建筑物火灾烟流特性预测系统，及火灾烟流特性预测方法。将建筑物转化为节点和枝构成的建筑物换气树，由此构造建筑物换气回路接续矩阵和闭环矩阵，构建烟气特性方程并求解，绘制烟气浓度、CO₂浓度、CO浓度随时间变化的关系，预测达到危险浓度的时间。本系统可以预测火灾过程中建筑物构造变化，以便确定火灾过程中建筑物内各部位的加压送风方案及防排烟设计方案，实现保证建筑物火灾安全状况下的性能化防排烟系统设计和安全疏散设计。文档编号G06Q10/00GK101187999SQ20071009298公开日2008年5月28日申请日期2007年11月15日优先权日2007年11月15日发明者晟何,彭宣伟,王厚华,白雪莲,庆罗,罗嘉陵,洋胡,谢元一,韩武松申请人:重庆大学