[发明专利]一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑火灾的数值模拟方法，具体地，涉及计算流体力学软件模拟后温度场数据的转化，以及将转化所获得的数据直接导入有限元软件中进行建筑结构的力学性能的耦合分析。

背景技术

近年来，建筑火灾发生频繁，不但造成重大的人员和财产损失，也造成建筑物结构的重大损伤，甚至坍塌。应用数值模拟技术再现建筑火灾过程，并对建筑力学性能与结构特性进行分析，显得尤为重要。

对于建筑火灾的模拟与再现主要的研究方法有实验研究、理论分析与数值计算。其中实验研究最为直接，可信度也最高，但是实验成本过高。一个建筑火灾实验将极大地浪费了人力物力。其次是理论分析，进行理论分析需要求解微分方程，然而建筑火车过程中涉及的燃烧模型，辐射模型，湍流模型，流体力学控制方程绝大多数都是非线性微分方程，无法获得其解析解。

由于上述的原因，也随着计算机软硬件技术的发展，计算流体力学仿真技术的日渐成熟，对于建筑火灾应用数值模拟技术便成为了最有效的手段之一。然而现行的一些软件与方法对火灾的再现过程中的火热耦合以及结构分析中的热力耦合模拟存在着以下的缺陷：

第一、现有的商业软件普遍对固体燃烧的数值模拟不支持或者不友好，模拟过程需要经过多步的相似性转换，过程极为繁琐；

第二、对固体燃烧与建筑火灾火势蔓延支持的比较好的一些软件又对温度场的转换与应力应变的结构热力耦合不够友好。

第三、标准的升温曲线虽然在理论研究中具有普适性，但是在实际火灾案例中，该曲线持续增长不衰减是不符合实际的。以此来模拟温度场意味着火灾模型内每个点的温度在同一时刻都是一样的，这明显与实际不符，也将直接给后续的分析带来不容忽视的误差。

第四、设置恒定的热源或热流与火势的发展不符，故所产生的温度场便会有较大的误差，最后将直接导致进行热流耦合结构分析的结果不具有说服力。

第五、通过一些软件模拟直接获取的温度场数据文件与进行热力耦合分析的有限元软件所需的前处理文件不符，无法直接使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法，本发明所采用的建筑火灾火热力耦合方法，科学、合理、高效，能够广泛应用于建筑火灾再现以及建筑结构火灾后的安全设计的实践中，大大节省建筑火灾再现以及结构安全分析评定的时间和经费。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

1、一种基于多场耦合的建筑火灾温度场数据转化方法，包括以下步骤：

步骤1：火场数据收集；

步骤2：火热耦合数值仿真及分析

在软件中进行建模，输入火源信息，并设置火源燃烧类型，建立模型实体，其尺寸、位置与火灾现场保持一致，划分结构化六面体网格并在每个网格中布置温度测点后进行仿真，仿真结束之后，获取所需的温度场数据；

步骤3：温度场数据处理与转化

对所获取的温度场数据进行处理，使其既能满足有限元软件的输入需要，也能完整地描述火灾发展过程，包括：

根据有限元软件中分析载荷步的数目与划分的网格后的结构节点数目，计算每个载荷步持续时间与温度场中两个温度点的间距；

编写程序，将每个时间步的该温度值作为该载荷步下有限元软件的温度载荷，对每个载荷步进行相同的处理，结果保存在多个数组中，然后再根据不同的有限元软件所需的格式输出，此时，有限元软件即可直接进行读取；

步骤4：有限元软件数值仿真及分析

在结构场仿真中，对建筑物进行热力结构耦合分析，将热分析得到的温度场数据经过处理后，作为边界体载荷施加在建筑结构中，并结合结构分析的其它荷载，得到结构对火灾的反应。

步骤2中，建模并仿真在开源软件FDS中进行。

步骤2中火热耦合仿真使用的湍流模型为大涡模拟：Smagorinshy亚网格湍流模型；火源燃烧类型设置为单一燃料混合分数燃烧模型和多步反应燃烧模型。

步骤2中，离散的非线性温度通过以下公式迭代获取：

式中分别为第m个网格第n个时间步的温度，压强和密度；

Z_α为第α种气体占该网格中所有气体的质量比；

W_α为第α种气体的摩尔质量。

剩余点温度通过插值法获得：

式中T(x,y,z)为离散温度场中任意一点的温度；

Δx为x坐标方向的离散温度点的间距；