流体力学课程报告(共10页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上流体力学在建筑工程中的应用姓名：杜科材 班级： 学号:摘要：简要介绍了流体力学的基本知识，针对计算流体力学计算的特点及模拟的目的, 对当前CFD 在建筑工程方向的研究进展进行了论述, 介绍了CFD的处理过程, 探讨了CFD 技术在建筑工程中的应用前景, 指出将理论分析、实验研究及数值模拟结合起来, 从而推动建筑工程的发展。并结合实际的工程实例论述了计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用。关键词： 流体力学；建筑工程；数值模拟；烟气流场模拟1 流体力学学科的研究方法流体力学是力学的一个重要分支, 是一门重要的技术基础课程.它是研究流体的机械运动规律以及运用这些规律解决实

2、际工程问题的一门学科。流体力学是一门既有较强理论性又有较强工程实际意义的课程, 几乎每本流体力学教科书的绪论中都提到: 流体力学是为解决实际问题而产生的,并随着社会的发展而进步的学科。许多近现代科学的重大成就都源于流体力学的研究, 从上远古时期的治水工程, 到18世纪造船、航海的崛起, 从20 世纪的航空技术的发展, 到现在生物技术、环境科学的飞速进步, 无不渗透着流体力学的相关理论。在整个流体力学课程的学习过程中, 大多数人都被深奥的理论、繁杂的概念和高阶偏微分方程所难倒。这就要求学习者必须有扎实的高等数学知识、灵活的综合分析问题和处理问题能力。特别是在21 世纪, 最激烈的竞争就是高素质人

3、才的竞争。而高校教育的任务就是要为国家培养造就一大批具有宽广、深厚、扎实的基础理论和技术基础理论, 具有创新性和创造性的高级工程技术人才以适应经济时代对人才的要求。因此要求学生在拓宽基础知识面, 打好坚实的理论基础的基础上重点提高综合析和迅速解决问题的能力流体力学作为一门古老的学科, 其生命力在于不断同其它学科领域相结合, 用它自身的学科视角审视其它领域, 解决其中存在的有关问题, 同时其自身在解决各种矛盾问题当中得到不断的发展同。任何一门学科的知识量是无尽的, 不可能通过有限的学时讲授很多内容, 如何运用流体力学基本理论解决实际问题就显得十分重要。那么, 流体力学的学习有什么规律可寻? 怎样

4、才能与实际工程相结合? 这对教与学的双方都提出了更高的要求。概括起来, 流体力学的研究方法大致分为3 类: 实验、理论和数值模拟方法。1.1 实验方法实验方法是通过对具体流动的观察与测量, 来认识流动的规律。理论上的分析结果需要经过实验验证, 实验又需用理论来指导. 流体力学的实验研究, 包括原型观测和模型实验, 而以模型实验为主。1.2 理论方法理论方法是通过对流体物理性质和流动特征的科学抽象, 提出合理的理论模型。根据物质机械运动的普遍规律,建立控制流体运动的闭合方程组, 将实际的流动问题, 转化为数学问题, 在相应的边界条件和初始条件下求解。理论研究方法的关键在于提出理论模型, 并能运用

5、数学方法求出理论结果, 达到揭示运动规律的目的。由此而产生了多相流体力学等。1.3 数值方法数值方法是在计算机应用的基础上, 采用各种离散化方化方法(有限差分法、有限元法等) , 建立各种数值模型, 通过计算机进行数值计算和数值实验, 得到在时间和空间上, 许多数字组成的集合体, 最终获得定量描述流场的数值解。近三四十年来, 这一方法得到很大发展, 已形成一个专门的分支学科计算流体力学。2 计算流体力学在建筑工程中的应用2.1 计算流体力学简介计算流体力学( Computational Fluid Dynamics, 简称CFD) 是基于计算机技术的一种数值计算工具, 用于求解流体的流动和传热

6、问题。它是流体力学的一个分支, 用于求解固定几何形状空间内的流体动量、热量和质量方程以及相关的其他方程, 并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD 最早用于航空航天事业, 用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题,后来不断扩展到海洋 1 、化学 2 、铸造 3 、制冷 4 、城市规划设计 5 、汽车 6 等多个领域。近年来, CFD 也开始越来越多地应用到建筑工程中, 如对于高层建筑风场的模拟。CFD计算相对于实验研究, 具有成本低、速度快、周期短、效率高, 可以模拟真实及理想条件, 后处理技术较完善, 便于分析计算结果等优点。20 世纪60 年代末, CFD 技术已经在流体

7、力学各相关行业得到了广泛的应用 7 。这些年来, 随着计算机技术的发展, CFD 应用方面的研究开始活跃起来。CFD 模拟的目的是做出预测和获得信息, 以达到对流体流动的更好控制。建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述。数学模型主要是由一组微分方程组成, 这些方程的解就是CFD 模拟的结果。CFD的基础是动量、能量、质量守恒方程, 在实际的应用中还会综合利用其他方程。CFD 计算的方法主要有三种: 有限差分法、有限体积法、有限元法。计算流体力学是多领域交叉的学科, 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值分析等学科。这些学科的交叉融合, 相互促进和支持, 也推

8、动着这些学科的深入发展。当然数值模拟也有一定的局限性: 1) 要有准确的数学模型,这不是所有问题都能够做到的; 2) 数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的, 对非线性方程则无效; 3) 受到计算机本身条件的限制, 即计算机运行速度和容量的限制, 只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体力学发展新阶段的出现。作为一门发展学科, 必然需要一个逐步成熟、完善的过程。2.2 CFD在建筑工程中的应用风是影响建筑物设计的主要气象因素之一, 兴建一座有足够抗风强度的高层建筑需要考虑到风对结构体的动态载重效

9、应、建筑外墙的风压、建筑物在强风作用下的摆动等结构安全性问题。对于大楼周边风场变化情形研究主要采用风洞物理模拟试验, 但随计算机硬件水平的飞速发展和CFD 技术的不断完善, 出现了与试验相对应的数值模拟方法。建筑工程结构抗风的数值模拟有其自身的特点, 研究的对象多是钝体绕流问题。由于钝体绕流的特殊性, 钝体外流体的数值模拟和流线体相比较存在诸多困难。尤其是湍流模型的选取, 要考虑模型对所求解问题的适用性 8 。比如: 高层建筑的几何模型可以考虑为矩形。一般选用工程中应用广泛的基于雷诺均值的标准模型。流场的控制方程是粘性不可压N-S方程。3.案例介绍及性能化评估内容3.1 案例介绍本案例涉及的建

10、筑是北京市一栋已建成的建筑,由于原设计不能满足我国现行强制性防火规范要求,无法通过消防验收。该建筑的建设单位请北京市消防局和国家建筑设计研究院共同为该建筑进行火灾模拟设计, 确定是否需加设排烟系统。1) 建筑概况。该建筑为现浇钢筋混凝土结构,建筑面积为20 840 m2, 建筑形式可以归类为塔式核心桶式, 建筑层数为19 层( 地上17 层, 地下2 层) , 建筑主体高度( 檐口标高) 为60.6 m, 建筑类别为一类, 耐火等级为一级, 标准层面积约1 200 m2, 为工字形内走道, 南北各设一部疏散楼梯, 北楼梯设疏散楼梯间前室, 南楼梯设合用前室。设有四部电梯, 其中三部为客用电梯,

11、 电梯层门开向内走道( 兼电梯厅) , 一部为消防电梯, 电梯层门开向合用前室。办公区域为大开间设计, 局部角落设领导小开间办公室。该建筑在南北楼梯间和前室都设了消防机械加压设施, 可保证火灾时烟气不轻易侵袭楼梯间和前室, 工字形内走道原设计虽有外窗自然排烟, 但因设计变更, 外窗被堵塞使自然排烟失效, 造成超过20 m 长的内走道不能满足消防设计规范要求。 2)人员情况。该建筑为办公建筑, 人员主要为本单位职工, 相对固定。从火灾场景下人员疏散心理分析, 人员仅需要熟悉所在层建筑布局和首层建筑疏散通道布局, 就能保证满足疏散要求。3)火灾荷载。该建筑的火灾荷载主要分布在办公区, 火灾荷载主要

12、为办公家具、电器设备和办公用纸张、资料等。家具主材为中密度板, 外贴防火板。所以,火灾荷载按中危险级考虑。 4)安全防火措施。该建筑三至十七层每层为一个防火分区, 一、二层各分设三个防火分区, 地下一层、地下二层各为两个防火分区。防火墙采用加气混凝土砌块, 地面铺地砖、墙面刷白、屋顶使用硅钙板吊顶。办公家具外贴防火板。其他材料性能、砌筑构造及面层做法符合防火有关的规范要求。全楼设置消火栓给水系统、自动喷水灭火系统和火灾自动报警控制系统, 以及火灾紧急广播系统、应急照明系统和安全疏散指示灯。5)需要解决的问题。该建筑的工字型内走道,全长44 m, 最大长度26 m, 未设置排烟设施, 不符合高层

13、民用建筑设计防火规范有关规定。3.2性能化评估内容中国建筑科学研究院建筑防火研究所依据高层民用建筑设计防火规范, 利用自己积累的经验, 并借鉴国外建筑防火安全性能化评估技术的研究和实践成果, 对工字型内走道的安全疏散性能进行了预测评估,性能化评估内容分以下四个部分:1) 依据该建筑内火灾荷载设计多种火灾可能性, 并确定最危险的一种火灾情况, 通过计算流体力学计算出在这种情况下火灾烟气蔓延并堵塞疏散通道所需的时间ta。2) 通过计算流体力学计算出, 火灾烟气蔓延至消防报警设备并达到其报警阀值的时间tb, 简称“报警时间”。 3) 用模拟手段确定人们从得到火灾信息到顺利疏散到安全地带的时间t c,

14、 简称“疏散时间”。4) 比较上述几个时间, 计算差值t=ta-(tb+tc) 。如果t0, 则表明人员可以在烟气堵塞疏散通道前安全疏散, 该建筑可以不增加排烟设施, 但人们必须在t 的时间内开始疏散, t 即为允许的“疏散开始时间”,其意义是火灾自动报警系统等设备感知火灾的时刻与人员确认火灾发生开始疏散时刻之间的时间差。评估结果证实该建筑在可燃物数量和人员数量一定范围内的情况下, 可以突破规范不增加排烟设施并保证人员的安全。从评估过程看, 这类案例评估的第一、二部分都依赖计算流体力学, 下面讨论计算流体力学在这个案例中的应用。3.3 性能化评估方法高层民用建筑设计防火规范( GB 50045

15、- 95)8.1.3条规定, 一类高层建筑长度超过20 m 的内走道应设排烟设施。该建筑属于一类高层建筑, 其工字型内走道最大长度超过20 m, 按规范要求应设排烟设施。该规范在条文说明中对走道设置排烟设施的理由解释如下: “据火灾实地观测, 人在浓烟中低头掩鼻最大通行的距离为20 m30 m”。根据原苏联的防火设计规定: 内廊式住宅的走廊长度超过15 m 时, 在走廊中间必须设置排烟设备。根据德国的防火设计规定: 高层住宅建筑中的内廊每隔15 m 应用防烟门隔开, 每个分隔段必须有直接通向楼梯间的通道, 并应直接采光和自然通风。该建筑工字型内走道最危险的情况将出现在其中一个安全出口( 即疏散

16、口) 被浓烟封堵不能使用, 使得部分人员不能通过最近的安全出口进行疏散, 而必须选择较远的安全出口进行疏散。在这种最不利的情况下, 当第二个安全出口被浓烟封堵之前, 如果该楼层所有人员能够安全进入疏散楼梯间, 那么可以不设排烟设施。工字型内走道只出现在该建筑三层至十七层, 各层工字型内走道设计相同, 所以选择工作位最多、人员密度最大的标准层作为具体的评估对象, 即选择第四层进行预测评估。3.3.1 ta 的确定对办公室和工字型走道内火灾烟气从发生到扩散至整个空间的全过程进行计算模拟, 解出三维瞬态的烟气运动的浓度场、温度场, 据此可判断出ta 的值。另外, 疏散方案也有赖于模拟结果。模拟工具为

17、商用计算流体力学软件CFX5. 5, 它主要由三个模块组成。日本在建筑物防火安全的性能化设计和评估方面做了大量的研究工作, 其研究表明 3 : 疏散通道安全性能的判定指标主要有两个, 一个是烟气对人的影响, 另一个是热对人的影响。烟气的安全评价标准为烟层不得下降到疏散人员的位置, 其性能指标为烟层高度S应满足( 2) 式:S 1.6+ 0.1( H - h) ( 2)式中: S 烟层分界处距疏散通道地面的高度, m;H 顶棚离火源位置的高度, m;h 疏散通道地面距离火源位置的高度, m。该建筑工字型内走道与西侧疏散楼梯间相连的走道高度为2. 15 m, 与东侧疏散楼梯间相连的走道高度为2.

18、3 m, 取h= 0, 则S 的临界值分别为1. 815 m 和1. 83 m。为安全起见, 先取S = 2. 0 m 进行试算。对疏散人员的热作用, 主要考虑来自烟气层或其他方面辐射热的影响。保证人在热辐射作用下不受伤害, 其性能指标计算式为:式中: r 为烟层的辐射热, kW / m2; t e 为停留时间, s。用( 3) 式判断的辐射热如果在2 kW/ m2 以下, 则对疏散毫无影响 3 。在火灾发展的初期阶段, 工字型走道墙壁的温度要比烟层的温度低很多, 所以忽略墙壁热辐射对人的作用, 而烟气层的辐射热强度可用( 4) 式计算 3 :式中: E 为热辐射强度, kW/ m2 ; T

19、为烟气层的温度, K 。设E = 2 kW/ m2 , 可以计算出T = 433 K, 也就是说当烟层温度小于160 , 热辐射强度小于2 kW/ m2时, 满足人在热辐射作用下不受伤害的评判标准。由上述分析可知, 在疏散过程中, 如果疏散通道中的烟气层高度大于2 m, 并且烟层温度不超过160 ,则疏散人员是安全的, 如果不同时满足这两个性能指标, 则认为疏散人员是不安全的, 此时为危险来临时刻。解出三维瞬态的烟气运动的浓度场、温度场, 即可计算出火灾烟气蔓延并堵塞疏散通道的时间。3.3.2 的确定疏散是否成功, 要看建筑中的所有人员是否能够在危险到来之前转移到安全的地点。这样疏散逃生时间就

20、成为判定人们能否安全疏散的主要参数。疏散逃生时间由两部分组成, 即疏散开始时间tb 和疏散行动时间tc, 也就是火灾烟气致使火灾报警设备联动报警的时间tb 和人员疏散时间t c。疏散开始时间在理想情况下, 应为火灾烟气蔓延至影响消防报警设备并达到其报警阀值的时间tb , 此时消防报警设备受烟气影响报警, 人员开始疏散。依据火灾报警探测器的安装位置, 一般在距吊顶或顶板下方5 cm20 cm, 选20 cm 试算, 具体计算方法与计算ta 的方法基本相同, 只是输入边界条件变为S = 2. 10m。通过计算表明: 因东、西侧走道高度不一致, 时间可能不完全一样, 当燃烧开始5 s 时( 不考虑阴

21、燃时间) ,烟层厚度已超过20 cm, 范围超过单个感烟探测器的保护面积, 因此报警时间可按5 s 计算 3 。3.3.3 的确定逃生时间从人员得到火灾警报通知开始到疏散至安全出口为止, 选择最不利的情况, 也就是在最大一层平面( 四层平面) 的最不利点来考虑, 同时考虑这个最不利点的近端疏散安全出口受到烟气影响, 而人员不得不向另一个安全出口疏散的可能。通过模拟计算可求出在各种情况下人员疏散所需最长时间, 这就是我们想求解的“人们从得到火灾信息到顺利疏散到安全地带的时间tc”。其模拟计算工具采用“九五”科技攻关课题地下大空间建筑火灾防排烟与疏散救生新技术研究开发的人员疏散计算机模拟分析软件。

22、该软件基于日本木村幸一郎对建筑物人群流动状态进行的观察与研究结果, 疏散空间的模化采用网络型控制方法,将各个房间、通道、楼梯前厅、楼梯间、防烟楼梯间分别作为网络的节点, 它们之间的联系为连接途径。t c 按( 4) 式计算:tc= f ( m, v, n, w ) ( 4)式中: m 为人流密度; v 为人流速度; n 为开口流出系数; w 为节点出口宽度。当逃生方向相同时, 人流密度将逐渐增加, 人流速度将逐渐减慢, 而开口流出系数和节点出口宽度也因网络节点而异, 故实际计算中m、v、n和w 都为变量。3.4 火灾场景设定和初始计算条件该建筑第四层的建筑面积为804. 8 m2 , 东、西两

23、侧大办公区面积分别为205 m2 和202 m2。根据前面对评估对象和内容的分析, 最不利的火灾场景有两个。一是西侧办公室临近北出口的办公区着火, 所有外窗关闭, 通向工字型走道的门开启, 火灾烟气流入工字型内走道, 导致北侧安全出口被烟气封堵; 二是东侧办公室临近南出口的办公区着火, 所有外窗关闭, 通向工字型走道的门开启, 火灾烟气流入工字型内走道, 导致南侧安全出口被烟气封堵。本文主要讨论假定西侧办公室临近北出口的办公区着火情况。3.4.1火灾规模的设定建筑物内可能发生火灾的释热速率是决定火灾发展及火灾危害的主要参数。但是, 建筑火灾中往往是一件物品先着火, 再引燃周围的其他物品, 然后

24、逐渐扩大火势, 其典型燃烧过程如图1 中曲线1 所示 4 。可以看到, 火灾的发展一般经过了起始阶段、增长阶段、稳定燃烧阶段和衰减阶段。由于室内可燃物的种类和分布复杂多样, 而且进行现场实际的火灾试验也不现实, 所以考虑对火灾的释热速率取平均值进行分析计算, 也就是假设火灾从燃烧开始就是一个稳定的燃烧过程,如图1 曲线2。由于没有考虑火灾的起始酝酿阶段, 所以对于报警时间的计算采用烟层厚度超过20 cm 的判定方法。依据该建筑筹建处提供的火灾荷载分布资料,主要可燃物为中密度板制作的办公家具, 最大可能燃烧面积18 m2。根据中密度板燃烧性能测试报告, 充分燃烧时的热释放速率为102. 2 kW

25、/ m2。计算得到最大可能热释放速率为Qm= 1. 84 MW。实际上, 由于使用了自动喷水灭火系统, 燃烧强度不可能达到这个数值,这里选择平均热释放速率为喷头动作时的值。考虑标称动作温度为68 的喷头当温度达到90 时开始动作, 喷头按间距4 m 布置, 火从地面燃起, 根据判定条件 3 , 燃烧可以达到的最大热释放速率为481 kW, 按发烟量公式 5 m= 0.007Q1/3z5/ 3计算判定单位时间产生的烟气量约为1. 2 kg, 即烟气生成率为1. 2 kg/ s。3.4.2初始条件的设定设室内平均风速为0, 室内相对压力为0, 出口相对压力为0( 设当地大气压P = 101 325

26、 Pa) , 室内平均温度为27 , 室内空气密度为1. 2 kg/ m3, 人的平均步行速度为1.0 m/ s, 人群流动系数为1.5 人/ m。3.5 人员疏散的模拟计算设定的疏散方案见图4。因西办公区北侧起火, 西办公区北侧门1 和安全出口1 很快被烟封堵, 除少数很快经门1 和安全出口1 疏散的人员, 其他人员只能通过西办公区南侧门2 和安全出口2 疏散, 疏散完成所需时间由表2 所示。3.6 模拟结果分析从上述计算结果可知, t a= 121 s, tb= 5 s, tc= 46 s,所以t= 70 s 0, 也就是说假设烟气开始威胁安全出口2 时, 恰好整个疏散结束, 则可以逆向计

27、算出允许的“疏散开始时间t”应大于70 s。可以判定在上述假设前提下, 当人们在确认报警信号70 s 内开始疏散是安全的。类似的方法可求出假设场景二情况下东侧办公室临近南出口的办公区着火时的t= 110 s 0, 即当人们在确认报警信号110 s 内开始疏散, 疏散是安全的。4 结束语实际工程中的问题千差万别, 层出不穷, 这就需要流体力学工作者不断地发现问题, 运用所学知识解决问题, 强大的使命感使流体力学教师在教学中具有严谨的学风和强烈的责任心。流体力学是和我们的国家的建设以及日常生活息息相关的. 设计中的一点疏忽就可能给人民生命财产造成重大的损失。所以, 在流体力学学习过程中, 应注重运

28、用流体力学基本原理解释实际工程中的具体问题, 特别是分析问题的方法和思路。这对流体力学课程的学习具有一定的指导意义,对于调动学生学习的自觉性、主动性和积极性很有益处, 使学生的知识丰富, 分析问题的能力得到提高。参考文献1刘鹤年.流体力学.北京: 中国建筑工业出版社, 2001.2严宗毅, 郑桂珍在流体力学教学中通过重大事件实例教书育人.力学与实践, 2002,24(2):61-64.3李建强.流体力学在工程建设中的应用.华东交通大学学报,2001,18 (3 ): 66-67.4石油部海洋石油勘探局忽略安全工作、违章指挥蛮干,造成渤海二号钻井船翻沉重大事故.人民日报, 1980年7月2日,第1版.流体力学课程专题报告 题 目 流体力学 在建筑工程中的应用 专 业 土木工程 学 号 学 生 杜科材 教 师 刘老师 日 期 2012-11-24 专心-专注-专业