[发明专利]一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统

权利要求书

1.一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，其特征在于，包括：

物-热耦合步骤：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；

火-热耦合步骤：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；

物-火耦合步骤：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解；

所述物-热耦合步骤具体包括：

步骤1.1：计算物体下落的位移和速度：

d＝d₀-x

式中：d₀为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；

步骤1.2：计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：

式中，ρ为固体结构的密度，为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度，f为固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；

步骤1.3：计算气体的连续方程：

式中：u_x,u_y,u_z分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；

步骤1.4：计算气体动量方程：

式中：p为流体微元体上的压强，τ_xx,τ_xy,τ_xz,τ_zy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f_x、f_y、f_z是单位质量力，是流体速度；

步骤1.5：计算气体能量方程：

式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h_j为焓，k_eff为热传导系数，J_j为组分扩散通量，S_h为化学反应热及其他体积热源项；

所述火-热耦合步骤包括：

步骤2.1：计算成分密度的运输方程：

式中：D_α为每种成分的扩散率’为蒸发速率，Z_α为混合物中组分α的质量分数，为单位体积内组分α的化学反应生成速率；

步骤2.2：计算蒸发速率方程：

步骤2.3：计算热释放率方程

式中，Δh_f,α为组分α生产焓的变化量；

所述物-火耦合步骤包括：

步骤3.1：计算火源附近单元温度计算方程

式中，是第m个压强单元区的压强，W_α是气体的分子质量，R是理想气体常数，N_s是混合物种组分个数之和，Z_α,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。

2.一种基于结构塌落的火灾动力学建模系统，其特征在于，包括：

物-热耦合模块：通过物体下落动力学方程，建立物体与气体流动的耦合关系，求解气体在物体下落过程的温度变化；

火-热耦合模块：通过边界条件，气体密度和压强等于火源可燃气体密度和压强，求解得到火源可燃气体的成分函数，进而求解火源区域温度；

物-火耦合模块：火源温度通过辐射反作用于下落物体，加快下落物体的分解；

所述物-热耦合模块具体包括：

计算物体下落的位移和速度：

d＝d₀-x

式中：d₀为物体的初始高度，x是物体的位移，d是物体现阶段的高度，m是物体质量，k是经验常数，e是自然常数，t是下落时间；

计算拉格朗日描述下的固体结构的动力公式：

式中，ρ为固体结构的密度，为是对固体的位移二次求导，代表下落物体的加速度， f固体结构的体力矢量，对于下落物体f为重力加速度，σ为柯西应力张量；

计算气体的连续方程：

式中：u_x,u_y,u_z分别为x,y,z,三个方向的速度分量，ρ为密度；

计算气体动量方程：

式中：p为流体微元体上的压强，τ_xx,τ_xy,τ_xz,τ_zy是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力，f_x、f_y、f_z是单位质量力，是流体速度；

计算气体能量方程：

式中：E为微元体的总能，包含内能、动能和势能之和，h_j为焓，k_eff为热传导系数，J_j为组分扩散通量，S_h为化学反应热及其他体积热源项；

所述火-热耦合模块包括：

计算成分密度的运输方程：

式中：D_α为每种成分的扩散率，为蒸发速率，Z_α为混合物中组分α的质量分数，为单位体积内组分α的化学反应生成速率；

计算蒸发速率方程：

计算热释放率方程

式中，Δh_f,α为组分α生产焓的变化量；

所述物-火耦合模块包括：

计算火源附近单元温度方程

式中，是第m个压强单元区的压强，W_α是气体的分子质量，R是理想气体常数，N_s是混合物种组分个数之和，Z_α,ijk是第ijk个网格内组分α的质量分数。