高層建筑火災中的煙霧擴散建模與仿真(優(yōu)秀論文)

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1、高層建筑火災中的煙霧擴散建模與仿真摘要本文研究了封閉豎直井內火焰蔓延規(guī)律與高層建筑物中煙霧濃度擴散規(guī)律問題，建立了有限差分法模型與濃度擴散的高斯模型、連續(xù)點源高斯擴散模型。問題一：針對封閉豎直井火勢蔓延的規(guī)律問題，利用有限元研究方法，建立其傳熱的有限差分方程模型。通過導熱的數值方法計算井曹內各區(qū)域的溫度分布規(guī)律，根據各區(qū)域的溫度值，可以得到井曹內溫度場的變化，建立起火勢蔓延的規(guī)律。此模型通過有限元分析軟件ANSYS的熱分析模塊對其溫度場的變化進行模擬，完成了對火勢蔓延運動的仿真，最后通過Matlab對模型進行分析與檢驗，描繪出了溫度變化曲線。問題二：針對煙霧濃度的擴散問題，

2、考慮到擴散點源是連續(xù)的、均勻的、穩(wěn)定的性質，運用散度、梯度、流量等知識，引入“擴散點源煙霧物質的質量守恒”、高斯公式和積分中值定律得到無界區(qū)域的拋物線型的偏微分方程，通過點源函數解出空間任一點的煙霧顆粒的濃度的表達式。鑒于主教樓的建筑結構，煙霧的擴散會受到諸多因素的影響，例如墻體和地面的反射等因素，利用像源法處理反射因素對濃度的影響，對之前的模型進行完善與修正后，得到煙霧的擴散模型，即煙霧濃度的高斯模型。最后使用有限元分析軟件ANSYS對各樓梯口的濃度進行模擬和分析，并用Matlab對主教樓各樓梯口的濃度進行計算與檢驗。問題三：根據問題二得到不同著火點及各樓道口煙霧濃度的分

3、布，制定了一個全校師生緊急逃生的路線方案，結合實際情況撰寫一份倡議書，呼吁全校師生理性的面對火災。關鍵詞：有限差分法，ANSYS熱分析模擬、煙霧模擬，高斯模型一·問題背景及重述1.1問題背景43火災自古與人類同在，森林火災、樓房火災、汽車火災等等，無不牽動著人們的心聲。城市擴建、高樓林立的今天，樓房火災已然成為城市災難的主要來源。僅去年，有1月6日的上海農產品市場大火造成6人死亡、12人受傷；1月7日，哈爾濱國潤家飾城大火；6月3日吉林寶源豐禽業(yè)公司大火，造成121人死亡，76人受傷，直接損失1.8億元；12月15日，廣州建業(yè)大廈火災，造成3300萬元損失等十余起重大火災事

4、故。這些火災無不給國家和人們帶來人身、財產損失。據調查，火災中造成人員死亡的主要原因是濃煙導致呼吸困難、窒息死亡。因此研究火災中煙霧擴散規(guī)律，了解煙霧分布情況，對解救受困人員、受困人員自救和安全滅火等工作具有重要的意義。1.2問題重述全國許多專家一直在致力于火災煙霧擴散問題進行研究，有從原理出發(fā)的物理模型、有基于粒子群的擴散模型，以及基于復雜環(huán)境的煙霧擴散模型（見附件）。這些方法都從某些方面描述了煙霧擴散問題，但這些方法都不能用于實際火災的救援過程。為了更好的解釋煙霧擴散規(guī)律，輔助災難救援，請你們解決以下問題：1.以線路井曹（封閉豎直井）為例，建立線路火勢的蔓延規(guī)律；2.以

5、我校主樓為例，建立煙霧擴散模型，并計算各層樓道口的煙霧濃度；3.給我校師生寫一份倡議書，建議廣大師生如何面對樓房火災。二、問題分析2.1問題一本題中我們通過分析井曹內的各點溫度的變化來建立起井內線路火勢蔓延的規(guī)律。井內各點溫度是不斷變化的，而在不穩(wěn)定溫度下的會發(fā)生不定態(tài)傳熱現象，導熱是最基本的傳熱現象，若解決導熱問題我們就可以得到井曹內溫度場的變化規(guī)律，由于受幾何條件不規(guī)則、熱物性參數隨溫度等因素的影響，如通過分析法來求解導熱問題將會變得十分的復雜，因此，我們通過建立有限差分與有限元方法進行數值法求解導熱問題，最終得到井內溫度場的變化規(guī)律，于是同時就得到了火勢蔓延的規(guī)律，另

6、外通過有限元ANSYS軟件的熱分析模塊進行模擬，完成對封閉豎井曹內的火勢蔓延規(guī)律的模擬仿真。2.2問題二本題中需要我們以校主教學樓建筑為實例，分析煙霧擴散的規(guī)律，并要求計算出各樓道口的濃度，當火災發(fā)生時，擴散點源擴散煙霧是均勻穩(wěn)定的，且煙霧以一定的速度向四周擴散，煙霧的擴散服從高斯定律，即單位時間通過單位法向面積的流量與它的濃度梯度成正比。我們可以首先建立相應的煙霧擴散模型，但為了使模型更貼近實際情況，需要到考慮墻面、窗體和地面的反射作用，由”擴散定律”“擴散性物質質量守恒”可以得出無界區(qū)域的煙霧擴散的微分方程，再通過一些之前未考慮的因素對模型進行修正和完善，最終得到擴散點

7、源在主教樓各樓道的濃度的預測模型。2.3問題三本題中要求我們給我校師生寫一份倡議書，建議廣大師生如何面對樓房火災問題，這里為全校師生安排一個主教學樓各層樓人員的逃生路線，使全校師生在最短的時間內逃生，并對于火災的發(fā)生給出一些可行性建議。三、模型假設3.1問題一模型假設431、假設井曹內的溫度場是隨時間和空間的變化而變化的；2、假設忽略井曹內不定態(tài)傳熱形式；3、假設計算差分方程時F的選取都為合理的；4、假設在用有限元軟件ANSYS模擬豎直封閉線路井曹溫度分布問題時，忽略氧氣對火勢蔓延的影響。3.2問題二模型假設1、假