[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

说明书

本发明提供了一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统，包括：物‑热耦合：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：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：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。本发明充分描述高层建筑火灾中塌落物的运动与火动力学的耦合关系；体现材料非线性、几何非线性和流固耦合边界非线性，提高数值计算精度；并且提高计算效率，缩短计算时间。

技术领域

本发明涉及建筑火灾的数值模拟技术领域，具体地，涉及一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法及系统。

背景技术

近年来，本项目申请人开展了基于数值仿真的火灾事故再现理论研究和应用推广工作。其研究成果分别发表在“Fire Safety Journal”、“Building and Environment”、“Advances in Engineering Software”、“Tunnelling and Underground SpaceTechnology”、“Journal of Donghua University”、“上海交通大学学报”、“系统仿真学报”等国内外一流期刊上，并在上海市消防局应用推广。本项目拟根据高层建筑火灾中“结构塌落”这一重要现象及其对火势的耦合影响，归纳出“基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学”这样一个具有普遍性并且急需解决的科学问题。该问题的难点在于：

第一，完全耦合。基于结构塌落的高层建筑火灾事故的逆向动力学问题是一个非常复杂的气-液-固三相耦合动力学问题。在高层建筑火灾事故逆向动力学的数值计算中，既有静态结构与火的耦合计算，又有动态的塌落物与火的耦合计算。

第二，强非线性。在高层建筑火灾事故的逆向动力学数值计算中，必须考虑材料的本构关系非线性、结构塌落导致的几何非线性、以及气-液-固三相耦合产生的边界非线性。

第三，巨量计算。基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学问题是一个典型的大空间非线性全耦合问题，需采用全三维非线性有限元建模技术，不但计算单元规模会达到百万甚至千万级，而且要进行非线性耦合计算，计算量巨大。

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结构塌落的火灾动力学建模方法及系统。

根据本发明提供的一种基于结构塌落的火灾动力学建模方法，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。

较佳的，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：