高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法技术

本发明专利技术公开了高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法，预测方法包括：将高大空间木结构建筑局部火灾热烟气的主要影响区划分为羽流区、冲击区和顶棚射流区三个区域；建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的羽流区温度预测模型、冲击区温度预测模型及顶棚射流区温度预测模型；建立温度场瞬态阶段影响的时间相关函数；利用建立的时间相关函数对稳态温度场进行修正，得到火灾发展全过程的时空温度场预测模型；根据得到的火灾发展全过程的时空温度场预测模型进行高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测。本发明专利技术旨在为高大空间木结构建筑的火灾温度场预测及其消防安全设计提供一种参考和评估方法。安全设计提供一种参考和评估方法。安全设计提供一种参考和评估方法。

【技术实现步骤摘要】
高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法


本专利技术属于建筑火灾安全领域，尤其涉及一种针对有防护的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测模型。

技术介绍

近年来，随着新型工程木(如层压单板木、层压胶合木、正交胶合木等)的进一步发展，使得以工程木为代表的重型木结构建筑得到快速且广泛的应用，同时也极大的推动了现代木结构向高层及超高层、大空间和大跨度方向发展。高大型空间木结构建筑(如大型体育馆、游泳馆、展览馆等建筑)因其绿色环保并能提供巨大的使用空间而备受青睐。然而，由于火灾对其具有毁灭性的破坏，在19世纪后期很长一段时间内高大型空间木结构建筑都是被禁止建设的，这导致对火灾中的高大型空间木结构的研究和基本了解都是非常有限的。高大型空间木结构建筑因其空间高度较高而难以设置有效的消防设施，空间面积较大而难以划分防火分区，并且建筑内人员分布密集而难以疏散，一旦发生火灾，空间内部将产生大量的有毒热烟气并迅速蔓延到整个空间，这使得建筑内人员的生命安全受到巨大威胁。尽管近年来提出的新颖的火灾设计概念、模型以及基于性能的防火设计，使高大型空间木结构建筑消防安全的发展成为可能。但对于高大型空间木结构建筑的发展和推广来说，研究少、起步晚、数据积累明显不足，难以支撑标准规范的编制，无法指导工程的安全应用。与小隔间火灾相比，高大空间木结构建筑火灾中的温度分布是一个极其复杂的瞬态过程。高大空间木结构建筑较大的空间面积和较高的顶棚高度会导致其烟层温度较低、气流充足、燃烧充分、温度梯度明显等。此外，由于通风口位置的不确定性，空气流动的随机性，导致火焰的传播是不可预测的。因此，高大空间木结构建筑火灾随时间变化的温度场模型难以通过理论的方式来描述。依据已公布的研究成果可知，目前有三种方法来建立高大空间建筑火灾温度场模型：(i)真实火灾试验方法：该方法可以描述一个更真实的火灾发展过程，但因需要大量的人力、物力以及资金投入而较难实施，并且得到的试验结果只适用于试验所测试的结构，具有较大的局限性；(ii)基于多区域模型理论方法：该方法主要适用于火灾初始发展阶段的预测，随着火灾进入稳定阶段，温度场预测精度下降。此外，该方法更多的被用于建立大空间蔓延火灾模型；(iii)场模型理论方法(数值模拟)：数值模拟方法可以捕捉整个燃烧过程并精确计算高大空间建筑的时空温度场，但输入参数值的不确定性和材料属性的可变性导致预测的结果不确定。

技术实现思路

本专利技术所要解决的技术问题是提供一种预测更加准确的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术首先提供一种针对有防护的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法，包括：
将高大空间木结构建筑局部火灾热烟气的主要影响区划分为羽流区、冲击区和顶棚射流区三个区域；建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的羽流区温度预测模型、冲击区温度预测模型及顶棚射流区温度预测模型；建立温度场瞬态阶段影响的时间相关函数；利用建立的时间相关函数对稳态温度场进行修正，得到火灾发展全过程的时空温度场预测模型；根据得到的火灾发展全过程的时空温度场预测模型进行高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测。本专利技术还提供一种高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测装置，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述所述的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法。本专利技术还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术将高大空间木结构建筑火灾热烟气的主要影响区划分为羽流区、冲击区和顶棚射流区这三个区域，通过分析温度场的分布规律并考虑关键因素的影响，提出了一种能够预测高大空间木结构建筑在局部火灾下非均匀温度场的时空分布模型。主要优点：(1)考虑关键因素影响：该模型综合考虑了空间尺寸、热释放速率和火灾生长类型等关键因素对温度场的影响，能够更准确地预测高大空间木结构建筑局部火灾下任意火灾场景和空间尺寸的非均匀温度场时空分布情况；(2)指导火灾探测器和喷淋系统布置：该模型可以预测空间任意位置的温度分布情况，可为火灾探测器和喷淋系统的安装布置提供指导和优化建议。这有助于确保在火灾发生时，探测器能够快速捕捉到火灾位置，并促使喷淋系统迅速响应；(3)轰燃判定和预测：该模型能够预测结构顶棚处的最高温度，通过这一预测结果，可以判断轰燃是否发生以及灾轰燃发生的条件。因此，利用该模型，一方面可以通过控制火灾荷载来控制轰燃的发生；另一方面，可以通过顶棚处最高温度值来预测轰燃发生的诱导时间。这些优点使得该模型在预测高大空间木结构建筑火灾中温度场的时空分布、指导火灾探测器和喷淋系统布置，以及判定和预测轰燃等方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1为高大空间木结构建筑FDS模型；图2为高大空间木结构建筑火灾热烟气区域划分和温度分布示意图；图3为空间高度一定，不同空间面积对羽流区(Z1)中心线温度分布的影响；图4为空间面积一定，不同空间高度对羽流区(Z1)中心线温度分布的影响；图5为高大空间木结构建筑火灾羽流区(Z1)中心线温度预测值和FDS模拟值对比；图6为冲击区(Z2)温度分布规律；图7为空间高度一定，不同空间面积所对应的顶棚射流区(Z3)衰减比率关系曲线；
图8为空间面积一定，不同空间高度所对应的顶棚射流区(Z3)衰减比率关系曲线；
[0051]图9为高大空间木结构建筑火灾顶棚射流区(Z3)模型预测值与FDS模拟值对比；图10为空间高度一定，空间面积对β值的影响；图11为空间面积一定，空间高度对β值的影响；图12为火源功率一定，火灾生长类型对β值的影响；图13为生长类型一定，火灾火源功率对β值的影响；图14高大空间木结构建筑火灾顶棚射流区(Z3)温度预测值和FDS模拟值对比。
具体实施方式
下面结合附图，对本专利技术作详细说明：本实施例提供一种高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法，包括以下步骤：步骤1：将高大空间木结构建筑局部火灾热烟气的主要影响区划分为羽流区Z1、冲击区Z2和顶棚射流区Z3三个区域；参见图2。羽流区Z1中心线温度随着与火源距离的增加而不断下降，然后在冲击区Z2保持恒定温度值，顶棚射流区Z3的温度由火源中心线向四周不断衰减。步骤2：建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的羽流区Z1温度预测模型；步骤3：建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的冲击区Z2温度预测模型；步骤4：建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的顶棚射流区Z3温度预测模型；步骤5：建立温度场瞬态阶段影响的时间相关函数，并利用该函数对稳态温度场进行修正得到了火灾发展全过程的温度场时空预测模型。本专利技术借助FDS LES技术对考虑了建筑空间高度、空间面积、火源的热释放速率以及火灾生长类型等变量的数百个模拟工况进行了模拟。其中，空间高度、空间面积、热释放速率分别设置了6个等级，火灾生长类型设置了4个等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对有防护的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法，其特征在于，包括：将高大空间木结构建筑局部火灾热烟气的主要影响区划分为羽流区、冲击区和顶棚射流区三个区域；建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的羽流区温度预测模型、冲击区温度预测模型及顶棚射流区温度预测模型；建立温度场瞬态阶段影响的时间相关函数；利用建立的时间相关函数对稳态温度场进行修正，得到火灾发展全过程的时空温度场预测模型；根据得到的火灾发展全过程的时空温度场预测模型进行高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测。2.根据权利要求1所述的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法，其特征在于，将高大空间木结构建筑局部火灾热烟气的主要影响区划分为羽流区、冲击区和顶棚射流区三个区域步骤中，所述冲击区位于羽流区上方，所述顶棚射流区位于所述冲击区两侧；所述羽流区域的高度为γH，所述冲击区高度为(1
‑
γ)H，冲击区宽度为d(γH+z0)/2z0，其中γ＝0.8，H为木结构建筑内部高度，d为火源直径，z0为虚拟火源与实际火源间的距离，z0＝1.02d
‑
0.00524Q
2/5
。3.根据权利要求2所述的高大空间木结构建筑局部火灾温度场时空分布预测方法，其特征在于，建立高大空间木结构建筑在局部火灾下的羽流区温度预测模型、冲击区温度预测模型及顶棚射流区温度预测模型步骤中，建立的羽流区温度预测模型为；其中，T
s
′
为羽流区横截面温度；T0为室内空气温度；Q为热释放速率；z为距离火源的垂直高度；k和η为与热释放速率Q相关的无量纲参数；r为羽流区横截面上某点到火源中心线的水平距离；b为羽流区的半宽度，b＝d(z+z0)/2z0，d为火源直径，z0为虚拟火源与实际火源间的距离，z0＝1.02d
‑
0.00524Q
2/5
；建立的冲击区的温度预测模型为：其中，T
i
为冲击区的中心线温度；建立的顶棚射流区的温度预测模型为：其中，T
c
为顶棚射流区温度；r为顶棚射流区某一点到中心线的水平距离；ξ和λ是与空间面积和高度有关的形状系数。
4.根据权利要求3所述的高大空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永旺，倪韦斌，王璐，张晓非，喻超群，李文军，
申请(专利权)人：中建三局科创产业发展有限公司，
类型：发明
国别省市：