数值模拟技术在火灾调查中的应用

第1章 绪论1　1.1　研究背景1　　1.1.1　火灾调查研究的发展1　　1.1.2　火灾重构的研究方法6　1.2　火灾数值重构技术的国内外研究现状10　1.3　火灾数值重构研究的目的和意义11　参考文献11第2章 火灾的发生与蔓延13　2.1　人类对燃烧的认识过程13　2.2　火灾的发生14　　2.2.1　燃烧的基本条件15　　2.2.2　着火方式15　2.3　火灾的蔓延16　　2.3.1　热传导16　　2.3.2　热对流16　　2.3.3　热辐射17　　2.3.4　建筑物内火灾蔓延18　参考文献20第3章 火灾的性质和行为21　3.1　基本燃烧形式21　　3.1.1 有焰燃烧21　　3.1.2 炽热燃烧22　　3.1.3 爆炸式燃烧23　3.2　火羽24　　3.2.1　羽流现象24　　3.2.2　火焰概念与特征24　3.3　烟气的产生和蔓延25　　3.3.1　烟气的产生25　　3.3.2　烟气的蔓延26　参考文献30第4章 基于场模拟的火灾数值重构方法的数学模型和数值方法31　4.1　湍流模型32　　4.1.1　基本的守恒方程组32　　4.1.2　低马赫数假设33　　4.1.3　扩散项34　　4.1.4　动量方程的处理34　　4.1.5　泊松方程35　　4.1.6　大涡模拟36　4.2　燃烧模型36　4.3　辐射换热模型38　4.4　固相模型40　　4.4.1　组分平均热属性41　　4.4.2　源项41　　4.4.3　边界条件43　参考文献44第5章 壁面热蚀痕迹的预测模型45　5.1　火灾图痕45　　5.1.1　概念45　　5.1.2　火灾痕迹的产生45　　5.1.3　火灾痕迹的作用46　　5.1.4　研究进展47　　5.1.5　壁面热蚀痕迹概述48　5.2　壁面热蚀痕迹形成的理论分析48　　5.2.1　层次分析法概述49　　5.2.2　壁面热蚀痕迹形成的主要影响因素的确定51　5.3　壁面热蚀痕迹预测模型的建立53　　5.3.1　量纲分析法53　　5.3.2　模型的建立53　　5.3.3　模型的实现55　　5.3.4　场景文件的编写55　参考文献58第6章 PVC塑料板壁面热蚀痕迹试验研究59　6.1　PVC塑料板热解特性研究59　　6.1.1　热重分析技术59　　6.1.2　试验目的59　6.2　PVC塑料板壁面热蚀痕迹试验61　　6.2.1　试验材料61　　6.2.2　试验方法62　　6.2.3　试验工况设定62　参考文献80第7章 PVC塑料板热蚀痕迹的数值重构81　7.1　参数设置81　7.2　热蚀痕迹重构结果分析82　　7.2.1　工况一重构结果分析83　　7.2.2　工况二重构结果分析85　　7.2.3　工况三重构结果分析86　参考文献89第8章 壁面烟熏图痕的预测模型90　8.1　壁面烟熏图痕概述90　　8.1.1　烟熏图痕的形成机理92　　8.1.2　“V”字形烟熏图痕93　8.2　壁面烟熏图痕形成的理论分析95　8.3　壁面烟熏图痕预测模型95　　8.3.1　量纲分析法95　　8.3.2　模型的建立95　　8.3.3　模型的实现96　　8.3.4 场景文件的编写97　参考文献100第9章 防火板烟熏图痕的实体试验研究101　9.1　试验装置设置101　9.2　试验工况设定102　　9.2.1　工况一：燃烧时间不同102　　9.2.2　工况二：起火点不同116　　9.2.3　工况三：燃料种类不同123　参考文献127第10章 防火板烟熏图痕的数值重构128　10.1　参数设置128　10.2　烟熏图痕重构结果分析130　　10.2.1　工况一重构结果分析130　　10.2.2　工况二重构结果分析132　　10.2.3　工况三重构结果分析134　参考文献135第11章 石膏材料受热痕迹的预测模型136　11.1　火灾痕迹概述136　11.2　石膏材料受热痕迹概述137　11.3　纸面石膏板受热反应特性研究137　　11.3.1　石膏材料的热失重分析137　　11.3.2　石膏材料的锥形量热仪试验研究140　11.4　石膏材料受热痕迹形成的理论分析145　11.5　石膏材料受热痕迹预测的数学模型148　　11.5.1　模型的建立148　　11.5.2　痕迹边界阈值的确定148　　11.5.3　模型的实现149　11.6　石膏材料受热痕迹重构的数值方法150　　11.6.1　时间离散150　　11.6.2　空间离散151　　11.6.3　方程离散151　参考文献154第12章 石膏材料受热痕迹的实体试验研究155　12.1　试验条件的设定155　　12.1.1　试验材料155　　12.1.2　试验装置155　　12.1.3　试验方法155　　12.1.4　燃料热释放速率计算156　12.2　试验结果157　　12.2.1　工况一：油盘面积不同157　　12.2.2　工况二：受热时间不同172　　12.2.3　工况三：油盘与壁面相对位置不同173　12.3　结果分析174　　12.3.1　油盘面积的影响174　　12.3.2　受热时间的影响177　　12.3.3 相对位置的影响181　参考文献183第13章 石膏材料受热痕迹的数值重构184　13.1　参数设置184　13.2　石膏板受热痕迹数值重构结果分析186　　13.2.1　痕迹图片比对算法186　　13.2.2　工况一重构结果分析187　　13.2.3　工况二重构结果分析193　　13.2.4　工况三重构结果分析198　参考文献202第14章 基于数值重构技术的火灾过程再现203　14.1　某酒吧特大火灾场景的数值重构203　　14.1.1　火灾基本情况203　　14.1.2　火灾场景设置205　　14.1.3　数值重构结果及分析206　14.2　某居民楼火灾重构218　　14.2.1　居民楼火灾危险性218　　14.2.2　某居民楼火灾重构221　参考文献235

本书针对火灾调查工作的实际需求，利用理论分析和数值模拟技术对火灾调查中数值重构技术的应用若干问题进行了研究。利用层次分析法及量纲分析法研究了影响火灾图痕的影响因素及其影响程度，据此构建了壁面热蚀痕迹、烟熏图痕及石膏受热脱水痕迹的数学模型，分别编制了基于FDS场模型，能考虑壁面热蚀痕迹、烟熏图痕及石膏受热脱水痕迹的数值模拟软件。通过设计实体试验，分别改变燃烧时间、起火点、燃料种类等多种工况，进行PVC装饰板、防火板和石膏板的实体试验。介绍了利用开发的仿真软件对某酒吧火灾事故和某居民楼较大火灾事故进行的数值重构过程，验证了壁面热蚀痕迹和烟熏痕迹数值重构技术在实际火灾场景中的有效性及实用价值。发生火灾后利用技术手段对火灾进行重构，再现火灾场景，认定火灾原因，明确事故责任，对国家安全、社会稳定、相关法律法规的制定和同类灾害的防止均具有重要的意义，是未来火灾调查研究发展的必然趋势。本书介绍了火灾数值重构技术领域的技术发展现状，阐述了火灾数值重构技术的场模拟理论基础，深入全面地介绍了火灾数值重构技术的火灾模型、壁面热蚀痕迹的数值重构、壁面烟熏图痕的数值重构、石膏材料受热脱水痕迹的数值重构以及基于数值重构技术的实际火灾过程再现等。　　本书可作为高等学校消防工程、火灾调查及相关专业学生的教学用书，也可作为消防部队从事火灾调查人员的学习用书。【作者简介】徐晓楠，武警学院消防工程系，副系主任、教授，教授，国家级精品课程《消防燃烧学》课程建设负责人，河北省教学名师，享受公安部部级津贴，公安部优秀科技人才，公安部巾帼建功优秀者，中国警察协会学术委员会委员，中国阻燃学会常务理事，公安部灭火救援技术重点实验室主要成员，河北省本科教育创新高地-管理教育创新高地-消防人才培养主要成员，学院教学带头人，学院教学专家组成员，学院优秀教师，学院教书育人十佳标兵，安全技术及工程、消防材料学研究生导师，一次荣立二等功，一次荣立三等功。