火灾热流体仿真
理论：室内火灾的增长与上限
概述
我用FDS算了一个房间火灾，怎么确认结果对不对？
基本做法是先用手算公式求出大致数值，比较数量级是否吻合。火灾计算的结果几乎由火源大小的给法决定，常用随时间平方增长的t²火源。房间顶棚附近热烟层温度可用MQH公式估算，升高约500 K时发生轰燃，即整个房间一下子燃烧起来。而且火的大小受从门进入的空气量限制。我们对标准尺寸的房间计算这三项。
t²火源
热释放速率随时间平方增长的火源。系数 $\alpha$ 的取值使达到1 MW的时间分别约为600秒、300秒、150秒和75秒。
热烟层温度（MQH公式）
$A_o\sqrt{H_o}$ 为开口通风因子，$A_T$ 为除开口外的内表面积，$h_k$ 为向墙体散热的难易。墙体为厚材料时 $h_k$ 随时间减小，同样的火热烟层也会越来越热。
通风上限
MQH公式与t²火源
MQH公式是1981年美国国家标准局（现NIST）的麦卡弗里、昆蒂尔和哈克尔罗德汇总大量室内火灾实验得出的，以三人姓氏首字母命名。t²火源的概念也在同一时期作为简单表达火灾增长的方法普及开来。两者都很简单，至今仍是验证FDS等计算结果的尺子。FDS本身也由NIST开发，于2000年发布。
算例：3.6×2.4×2.4 m房间
门宽0.8 m、高2.0 m，墙和顶棚为石膏板（导热系数0.48 W/mK，密度1440 kg/m³，比热840 J/kgK）。除开口外内表面积44.5 m²，通风因子2.26 m^2.5。
到轰燃的时间
| 火灾增长 | 轰燃时刻 | 此时热释放速率 |
|---|---|---|
| 慢速（slow） | 612 秒 | 1.10 MW |
| 中速（medium） | 331 秒 | 1.28 MW |
| 快速（fast） | 178 秒 | 1.49 MW |
| 超快速（ultrafast） | 96 秒 | 1.75 MW |
通风决定的热释放速率上限为3.4 MW，按Thomas公式的轰燃参考值为1.2 MW。
300 kW持续燃烧时的热烟层
| 经过时间 | 热烟层温升 |
|---|---|
| 1 分钟 | 143 K |
| 5 分钟 | 187 K |
| 10 分钟 | 210 K |
| 20 分钟 | 236 K |
快速火不到3分钟就轰燃，而那时火的大小与慢速火差不多。
轰燃所需的火灾规模大致由房间大小和开口决定，在1～2 MW范围内。不同的是到达的时间。快速火遇到的墙体还冷、吸热强，需要稍大的火，但仍不到3分钟。疏散和灭火计划关键在于这段时间有多长，家具和内装的可燃性决定增长速度。用CFD计算时，结果几乎由热释放速率的给法决定，所以务必注明选了哪种t²速度，并与手算值比较数量级。
CFD方法
- 按实验数据或t²火源给定热释放速率，并记录依据。
- 网格相对火源特征直径D*足够细（D*/δx = 4～16为参考）。
- 输入墙体材料和厚度，求解向墙体的散热，这对热烟层温度影响很大。
- 正确给定开口尺寸和外部条件，通风决定火的大小。
- 与MQH公式、羽流公式、顶棚射流公式比较，确认数量级一致。
“窗户破裂后火势变大”
某火灾复原计算中，最初只把门作为开口，火受通风限制，比实际损害所显示的火灾小。现场调查发现，火灾途中窗玻璃受热破裂，大量空气由此进入。加入窗户破裂时刻重新计算后，再现了热释放速率骤增的过程。室内火灾中开口大小中途变化，火的大小也会变化，所以玻璃破损和门的开闭也要作为条件考虑。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 热释放速率无依据 | 结果没有意义 | 按t²或实验给定 |
| 忽略通风上限 | 火过大 | 由开口确认上限 |
| 墙体设为绝热 | 高估热烟层 | 求解墙体导热 |
| 网格粗 | 羽流算错 | 按D*/δx确定 |
| 忽略开口变化 | 误判火灾增长 | 考虑破损与开闭 |
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