一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统，包括：物‑热耦合：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火‑热耦合：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物‑火耦合：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。本发明专利技术充分描述高层建筑火灾中塌落物的运动与火动力学的耦合关系；体现材料非线性、几何非线性和流固耦合边界非线性，提高数值计算精度；并且提高计算效率，缩短计算时间。

A fire modeling method and system based on structural collapse

The invention provides a dynamic modeling method and system based on structural collapse, including thermal coupling of objects: the coupling relationship between objects and gas flow is established through the dynamics equation of the falling of objects, and the temperature changes of the gas in the process of the falling of the object are solved; the heat coupling of the fire is obtained through the boundary condition, the gas density and the gas density. The pressure is equal to the density and pressure of the flammable gas of the fire source, and the composition function of the flammable gas of the fire source is solved, and then the temperature of the fire source region is solved. The invention fully describes the coupling relationship between the motion of the collapse and the fire dynamics in the fire of the high-rise building, reflects the nonlinear, geometric nonlinearity and the coupling boundary nonlinearity of the fluid solid coupling, and improves the accuracy of the numerical calculation, and improves the calculation efficiency and shortens the calculation time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统
本专利技术涉及建筑火灾的数值模拟
，具体地，涉及一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统。
技术介绍
近年来，本项目申请人开展了基于数值仿真的火灾事故再现理论研究和应用推广工作。其研究成果分别发表在“FireSafetyJournal”、“BuildingandEnvironment”、“AdvancesinEngineeringSoftware”、“TunnellingandUndergroundSpaceTechnology”、“JournalofDonghuaUniversity”、“上海交通大学学报”、“系统仿真学报”等国内外一流期刊上，并在上海市消防局应用推广。本项目拟根据高层建筑火灾中“结构塌落”这一重要现象及其对火势的耦合影响，归纳出“基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学”这样一个具有普遍性并且急需解决的科学问题。该问题的难点在于：第一，完全耦合。基于结构塌落的高层建筑火灾事故的逆向动力学问题是一个非常复杂的气-液-固三相耦合动力学问题。在高层建筑火灾事故逆向动力学的数值计算中，既有静态结构与火的耦合计算，又有动态的塌落物与火的耦合计算。第二，强非线性。在高层建筑火灾事故的逆向动力学数值计算中，必须考虑材料的本构关系非线性、结构塌落导致的几何非线性、以及气-液-固三相耦合产生的边界非线性。第三，巨量计算。基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学问题是一个典型的大空间非线性全耦合问题，需采用全三维非线性有限元建模技术，不但计算单元规模会达到百万甚至千万级，而且要进行非线性耦合计算，计算量巨大。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，包括：物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。较佳的，所述物-热耦合步骤具体包括：步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：d＝d0-x式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；步骤1.2：计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：式中，ρ为固体结构的密度，为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度。f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；步骤1.3：计算气体的连续方程：式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；步骤1.4：计算气体动量方程：式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，是流体速度；步骤1.5：计算气体能量方程：式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。较佳的，所述火-热耦合步骤包括：步骤2.1：计算成分密度的运输方程：式中：Dα为每种成分的扩散率，为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，为单位体积内组分α的化学反应生成速率；步骤2.2：计算蒸发速率方程：步骤2.3：计算热释放率方程：式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。较佳的，所述物-火耦合步骤包括：步骤3.1：计算火源附近单元温度计算方程式中，是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。根据本专利技术提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模系统，包括：物-热耦合模块：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火-热耦合模块：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物-火耦合模块：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。较佳的，所述物-热耦合模块具体包括：计算物体下落的位移和速度：d＝d0-x式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：式中，ρ为固体结构的密度，为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度。f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；计算气体的连续方程：式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；计算气体动量方程：式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，是；计算气体能量方程：式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。较佳的，所述火-热耦合模块包括：计算成分密度的运输方程：式中：Dα为每种成分的扩散率，为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，为单位体积内组分α的化学反应生成速率；计算蒸发速率方程：计算热释放率方程：式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。较佳的，所述物-火耦合模块包括：计算火源附近单元温度方程式中，是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分个数之和，Zα,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、采用多目标优化方法和固-气碰有限元法，充分描述高层建筑火灾中塌落物的运动与火动力学的耦合关系；2、建立高层建筑结构模型、燃烧动力学模型和塌落物运动模型，并通过物-火耦合关系将微细尺度网格模型与较大尺度网格模型进行调和，充分体现材料非线性、几何非线性和流固耦合边界非线性，提高数值计算精度；3、采用计算任务均衡优化的高性能并行计算方法和超级计算机进行计算，提高计算效率，缩短计算时间。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，包括：物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。物-热耦合步骤具体包括：步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：d＝d0-x式中：d0为物体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，包括：物‑热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火‑热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物‑火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。

【技术特征摘要】
1.一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，包括：物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解。2.根据权利要求1所述的基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，所述物-热耦合步骤具体包括：步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：d＝d0-x式中：d0为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；步骤1.2：计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：式中，ρ为固体结构的密度，为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度，f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；步骤1.3：计算气体的连续方程：式中：ux,uy,uz分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；步骤1.4：计算气体动量方程：式中：p为流体微元体上的压强，τxx,τxy,τxz,τzy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f是单位质量力，是流体速度；步骤1.5：计算气体能量方程：式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h为焓，k为热传导系数，J为组分扩散通量，S为化学反应热及其他体积热源项。3.根据权利要求2所述的基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，所述火-热耦合步骤包括：步骤2.1：计算成分密度的运输方程：式中：Dα为每种成分的扩散率，为蒸发速率，Zα为混合物中组分α的质量分数，为单位体积内组分α的化学反应生成速率；步骤2.2：计算蒸发速率方程：步骤2.3：计算热释放率方程：式中，Δhf,α为组分α生产焓的变化量。4.根据权利要求3所述的基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，所述物-火耦合步骤包括：步骤3.1：计算火源附近单元温度计算方程式中，是第m个压强单元区的压强，Wα是气体的分子质量，R是理想气体常数，Ns是混合物种组分...

【专利技术属性】
技术研发人员：史超，杨培中，江列霖，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31