高层建筑楼梯井内烟气温度分布与流动规律模拟研究

作     者：戴淑灵 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁瑞

授予年度：2022年

学科分类：03[法学] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 0838[工学-公安技术] 0306[法学-公安学] 

主      题：高层建筑 楼梯井 火灾安全隐患 数值模型 量纲分析 GA-BP神经网络 

摘      要：在过去的十年中,中国的城镇化率已经从2011年底的51.3%上升到2021年底的64.72%,正在经历世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程。这种大规模、高速度的城镇化在为经济社会发展注入强大动力的同时,城市用地资源减少和城市人口数量增加的矛盾日益凸显,城市中高层建筑已成主流,从而也带来了比以往更多的火灾安全隐患。发生火灾时,由于烟囱效应的影响,火灾烟气将迅速在高层建筑内竖向蔓延,楼梯井便是烟气蔓延的通道之一,而楼梯井又是建筑物发生火灾时人员疏散的最主要路径,尤其需要受到重视,所以深入研究高层建筑楼梯井内烟气流动变化规律对于火灾时人员疏散具有重要现实意义。前人在楼梯井内烟气流动特性的研究中,大多采用全尺寸实验、缩尺比例实验以及数值模拟研究,耗费大量的人力物力,但得到的实验数据仍然有限。本文在前人研究的基础上,利用不同方法研究楼梯井烟气流动特性,通过改变工况内参数即可求出相关实验数据,为后续高层建筑内烟气流动特性研究提供了更多研究数据。论文的具体工作如下:研究烟气温度的影响因素,结合量纲分析,利用无因次变量得到楼梯井内烟气无量纲温度T’、无量纲火源功率Q’以及楼梯井无量纲排烟口面积’A的定量关系式,再通过实验数据建立数值模型,在同等工况下对数值模型的合理性进行了分析验证。后利用在不同工况下数值模型中整理出的多组实验数据,根据多元线性回归拟合出烟气温度T、火源功率Q以及排烟口面积A三组参数之间的无量纲公式,求出楼梯井内温度的理论值,验证了拟合公式的可靠性。后人可根据无量纲关系式以及拟合公式,通过输入不同工况下已知基本物理量,求得烟气羽流温度分布。通过对模拟结果的分析和研究表明,在同一楼梯井内的不同火源功率和排烟口面积条件下,根据楼梯井内的温度分布,利用流体静力学方程、热质量守恒方程、理想气体状态方程,通过计算不同火源功率下楼梯井中性面位置与开口内外压力强度的差值,将计算结果与模拟结果进行比较,验证计算的可行性。结果表明,在相同开口下,火源功率对中性面位置的影响较小。随着火源功率的增加,中性面发生小范围下移,而楼梯井顶部与底部内外压差越来越大,烟囱效应也随之加强。而在功率不变的情况下,随着排烟口面积的增大,中性面大幅上移,底部开口到中性面的压差逐渐增大,顶部开口到中性面压差减小,两开口的总体压差增加,烟囱效应增强。利用模拟得到的多组数据,基于MATLAB软件平台,利用遗传算法对传统的BP神经网络模型进行了优化,优化了网络的连接权值和阈值,并编写了相应的神经网络模型训练和预测程序。对比量纲分析法,分别计算了相对实测样本值的误差,得出量纲分析法与GA-BP神经网络均能可靠地预测火灾烟气参数,其中GA-BP神经网络计算迅速,研究潜力更大但应用门槛较高,量纲分析法计算相对复杂但易于普及。