高層建筑火災(zāi)中的煙霧擴(kuò)散建模與仿真優(yōu)秀論文

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1、.高層建筑火災(zāi)中的煙霧擴(kuò)散建模與仿真摘要本文研究了封閉豎直井內(nèi)火焰蔓延規(guī)律與高層建筑物中煙霧濃度擴(kuò)散規(guī)律問(wèn)題，建立了有限差分法模型與濃度擴(kuò)散的高斯模型、連續(xù)點(diǎn)源高斯擴(kuò)散模型。問(wèn)題一：針對(duì)封閉豎直井火勢(shì)蔓延的規(guī)律問(wèn)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(guò)導(dǎo)熱的數(shù)值方法計(jì)算井曹內(nèi)各區(qū)域的溫度分布規(guī)律，根據(jù)各區(qū)域的溫度值，可以得到井曹內(nèi)溫度場(chǎng)的變化，建立起火勢(shì)蔓延的規(guī)律。此模型通過(guò)有限元分析軟件ANSYS的熱分析模塊對(duì)其溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行模擬，完成了對(duì)火勢(shì)蔓延運(yùn)動(dòng)的仿真，最后通過(guò)Matlab對(duì)模

2、型進(jìn)行分析與檢驗(yàn)，描繪出了溫度變化曲線(xiàn)。問(wèn)題二：針對(duì)煙霧濃度的擴(kuò)散問(wèn)題，考慮到擴(kuò)散點(diǎn)源是連續(xù)的、均勻的、穩(wěn)定的性質(zhì)，運(yùn)用散度、梯度、流量等知識(shí)，引入“擴(kuò)散點(diǎn)源煙霧物質(zhì)的質(zhì)量守恒”、高斯公式和積分中值定律得到無(wú)界區(qū)域的拋物線(xiàn)型的偏微分方程，通過(guò)點(diǎn)源函數(shù)解出空間任一點(diǎn)的煙霧顆粒的濃度的表達(dá)式。鑒于主教樓的建筑結(jié)構(gòu)，煙霧的擴(kuò)散會(huì)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(duì)濃度的影響，對(duì)之前的模型進(jìn)行完善與修正后，得到煙霧的擴(kuò)散模型，即煙霧濃度的高斯模型。最后使用有限元分析軟件ANSY

3、S對(duì)各樓梯口的濃度進(jìn)行模擬和分析，并用Matlab對(duì)主教樓各樓梯口的濃度進(jìn)行計(jì)算與檢驗(yàn)。問(wèn)題三：根據(jù)問(wèn)題二得到不同著火點(diǎn)及各樓道口煙霧濃度的分布，制定了一個(gè)全校師生緊急逃生的路線(xiàn)方案，結(jié)合實(shí)際情況撰寫(xiě)一份倡議書(shū)，呼吁全校師生理性的面對(duì)火災(zāi)。關(guān)鍵詞：有限差分法，ANSYS熱分析模擬、煙霧模擬，高斯模型一·問(wèn)題背景及重述1.1問(wèn)題背景-..火災(zāi)自古與人類(lèi)同在，森林火災(zāi)、樓房火災(zāi)、汽車(chē)火災(zāi)等等，無(wú)不牽動(dòng)著人們的心聲。城市擴(kuò)建、高樓林立的今天，樓房火災(zāi)已然成為城市災(zāi)難的主要來(lái)源。僅去年，有1月6日的上海農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)

4、大火造成6人死亡、12人受傷；1月7日，哈爾濱國(guó)潤(rùn)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(zāi)，造成3300萬(wàn)元損失等十余起重大火災(zāi)事故。這些火災(zāi)無(wú)不給國(guó)家和人們帶來(lái)人身、財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)調(diào)查，火災(zāi)中造成人員死亡的主要原因是濃煙導(dǎo)致呼吸困難、窒息死亡。因此研究火災(zāi)中煙霧擴(kuò)散規(guī)律，了解煙霧分布情況，對(duì)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(wèn)題重述全國(guó)許多專(zhuān)家一直在致力于火災(zāi)煙霧擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行研究，有從原理出發(fā)

5、的物理模型、有基于粒子群的擴(kuò)散模型，以及基于復(fù)雜環(huán)境的煙霧擴(kuò)散模型（見(jiàn)附件）。這些方法都從某些方面描述了煙霧擴(kuò)散問(wèn)題，但這些方法都不能用于實(shí)際火災(zāi)的救援過(guò)程。為了更好的解釋煙霧擴(kuò)散規(guī)律，輔助災(zāi)難救援，請(qǐng)你們解決以下問(wèn)題：1.以線(xiàn)路井曹（封閉豎直井）為例，建立線(xiàn)路火勢(shì)的蔓延規(guī)律；2.以我校主樓為例，建立煙霧擴(kuò)散模型，并計(jì)算各層樓道口的煙霧濃度；3.給我校師生寫(xiě)一份倡議書(shū)，建議廣大師生如何面對(duì)樓房火災(zāi)。二、問(wèn)題分析2.1問(wèn)題一本題中我們通過(guò)分析井曹內(nèi)的各點(diǎn)溫度的變化來(lái)建立起井內(nèi)線(xiàn)路火勢(shì)蔓延的規(guī)律。井內(nèi)各點(diǎn)溫度

6、是不斷變化的，而在不穩(wěn)定溫度下的會(huì)發(fā)生不定態(tài)傳熱現(xiàn)象，導(dǎo)熱是最基本的傳熱現(xiàn)象，若解決導(dǎo)熱問(wèn)題我們就可以得到井曹內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，由于受幾何條件不規(guī)則、熱物性參數(shù)隨溫度等因素的影響，如通過(guò)分析法來(lái)求解導(dǎo)熱問(wèn)題將會(huì)變得十分的復(fù)雜，因此，我們通過(guò)建立有限差分與有限元方法進(jìn)行數(shù)值法求解導(dǎo)熱問(wèn)題，最終得到井內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，于是同時(shí)就得到了火勢(shì)蔓延的規(guī)律，另外通過(guò)有限元ANSYS軟件的熱分析模塊進(jìn)行模擬，完成對(duì)封閉豎井曹內(nèi)的火勢(shì)蔓延規(guī)律的模擬仿真。2.2問(wèn)題二本題中需要我們以校主教學(xué)樓建筑為實(shí)例，分析煙霧擴(kuò)散的

7、規(guī)律，并要求計(jì)算出各樓道口的濃度，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，擴(kuò)散點(diǎn)源擴(kuò)散煙霧是均勻穩(wěn)定的，且煙霧以一定的速度向四周擴(kuò)散，煙霧的擴(kuò)散服從高斯定律，即單位時(shí)間通過(guò)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(yīng)的煙霧擴(kuò)散模型，但為了使模型更貼近實(shí)際情況，需要到考慮墻面、窗體和地面的反射作用，由”擴(kuò)散定律”“擴(kuò)散性物質(zhì)質(zhì)量守恒”可以得出無(wú)界區(qū)域的煙霧擴(kuò)散的微分方程，再通過(guò)一些之前未考慮的因素對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，最終得到擴(kuò)散點(diǎn)源在主教樓各樓道的濃度的預(yù)測(cè)模型。2.3問(wèn)題三本題中要求我們給我校師生寫(xiě)一份倡議書(shū)，建

8、議廣大師生如何面對(duì)樓房火災(zāi)問(wèn)題，這里為全校師生安排一個(gè)主教學(xué)樓各層樓人員的逃生路線(xiàn)，使全校師生在最短的時(shí)間內(nèi)逃生，并對(duì)于火災(zāi)的發(fā)生給出一些可行性建議。三、模型假設(shè)-..3.1問(wèn)題一模型假設(shè)1、假設(shè)井曹內(nèi)的溫度場(chǎng)是隨時(shí)間和空間的變化而變化的；2、假設(shè)忽略井曹內(nèi)不定態(tài)傳熱形式；3、假設(shè)計(jì)算差分方程時(shí)F的選取都為合理的；4、假設(shè)在用有限元軟件ANSYS模擬豎直封閉線(xiàn)路井曹溫度分布問(wèn)題時(shí)，忽略氧氣對(duì)火勢(shì)蔓延的影響。3.2問(wèn)題二模型假設(shè)