（检测技术与自动化装置专业论文）火灾实验室监控系统及热辐射模型建立.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 火灾科学是一门现代新兴的交叉学科，目前关于火灾科学主要有两种研究方法，即 实验研究和数值模拟研究。在学习与参考国内外研究方法与理论的基础上，本文主要完 成了两部分工作：( 1 ) 针对公安部沈阳消防研究所大空间火灾实验室建立了监控系统。 ( 2 ) 参考了国内外的火灾源模型与烟气模型的基础上建立了小空间火灾的热辐射模型。 大空间火灾实验是目前火灾科学研究的一个重要组成部分，本文第一部分针对沈阳 消防研究所的大空间火灾实验室监控要求，提出并实现了利用上位机与p l c 结合的实验 室两级监控系统设计，文中分别针对系统硬件和软件的设计与功能实现做了较详细的描 述，给出了硬件控制电路的结构原理图，讨论了软件系统的功能设计与实现，给出部分 相应的操作画面。监控系统的实际应用表明该监控系统能可靠地对实验数据进行采集与 分析，可方便地对系统的电力参数、自动负载与现场设备进行调整和控制。监控系统达 到了设计要求，为大空间火灾实验室的安全有效运行提供了保证。 本文第二部分的主要内容是在参考国内外火源与烟羽流模型的基础上建立了小空 间火灾的热辐射模型。文中分别介绍和讨论了火源模型，烟羽流模型，以及在火场分析 中常用的蒙特卡洛统计计算法，并通过能束吸收计算，结合火源和热烟气在空间中热辐 射通量叠加技术，建立了简化的小空间火灾热辐射模型。通过晴纶地毯在小空间燃烧的 实验数据一温度验证了模型可以较好地符合实际空间中某一微面温度的变化过程，在一 定程度上说明了该模型能够反映小空间火灾的发展变化规律。最后在模型数据结果的基 础上进行数值拟合得到了实验中一微元面温度随时间变化的曲线，计算了该微元面温度 在火灾增长期开始后到达燃点的时间。 关键词：p l c ；组态；热辐射；蒙特卡洛法 火灾实验室监控系统及热辐射模犁建立 f i r er e s e a r c hl a b o r a t o r ys u p e r v i s i n gs y s t e ma n dt h e r m a lr a d i a t i o n m o d e ld e s i g n a b s t r a c t t h ef i r es c i e n c ei sab r a n c ho fe m e r g i n gs c i e n c ei nm o d e mt i m e s t h e r ea r et w om a j o r r e s e a r c hm e t h o da tp r e s e n t ：，e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y t w op a r t m e n t w o r ka r ec o m p e l e t e di nt h i st h e s i sa tt h eb a s e m e n to fs t u d yc o n t e n ta n dr e s e a r c hm e t h o d h o m ea n da b r o a d o n ei st h ed e s i g no fs u p e r v i s o r ys y s t e mf o rt h eb u l ks p a c el a b o r a t o r yo f f i r er e s e a r c hi n s t i t u t eo f s h e ny a n g ，t h eo t h e ri sm a k i n gt h e r m a lr a d i a t i o nm o d e lo fs m a l l s p a c e sf i r e e x p e r i m e n to fb u u 【s p a c ei s a l l i m p o r t a n tp a r tt o m o d e ms c i e n c eo ff i r e i nt h i s t h e s i s ，d e s i g no fas u p e r v i s o r ys y s t e mt h a tp l ca n du pc o m p m e ru n i t e di so f f e r e da n dc o m e s t u r e ap a r t i c u l a rd e s c r i p t i o na b o u th o wt od e s i g na n dc a r r yo u th a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r e s y s t e mi sg i v e d h a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i td i a g r a m sa n df r a m ew o r ka r g u m e n t a t i o no fs o f t w a r e s y s t e ma r eh e r e s e v e r a lm e n u so fm a n i p u l a t i o ni nu pc o m p u t e ra r ea l s og i v e d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h es u p e r v i s o r ys y s t e mi sg o o da tr e g u l a t i n gt h ee l e c t r i cp o w e r p a r a m e t e r s ，t h ea u t o m a t i cf o l l o w sa n ds i t ep l a n t so ft h el a b o r a t o r y p e r f e c ta p p l i c a t i o n 谢t 1 1t h e s u p e r v i s o r ys y s t e mm a k e st h ef i r er e s e a r c hl a b o r a t o r y sf u n c t i o n ss a f e t h es e c o n do fc o n t e n to ft h es e c o n dp a r ti nt h e s i si sm a k i n gat h e r m a lr a d i a t i o nm o d e l o fs m a l l s p a c e s f i r ec o m b u s t i o ns o u r em o d e l sa n df i r e p l u m em o d e l sh o m ea n d a b r o a d s e v e r a lf i r ec o m b u s t i o nm o d e l s ，f i r ep l u m em o d e l sa n dm e n tc a r l om e t h o da r eg i v e d h e r e as i m p l i f i e dt h e r m a lr a d i a t i o nm o d e li sm a d et h e nb yb e a me n e r g ya b s o r b e dc o u n t 、析t 1 1 s u p e r i m p o s i n gc o m b u s t i o ns o u r er a d i a t i o na n df i r ep l u m er a d i a t i o n t h e n ，at e m p e r a t u r es c a l e c o m p a r a t i o nr e s u l tb e t w e e nc a l c u l a t e dv a l u ea n de x p e r i m e n tv a l u ei sg i v e d t h ec o m p a r a t i o n t e s t i f i e dt h em o d e lc a nr e f l e c tt r u el a wo ff i r ei np a r t i nt h ee n do ft h i sp a r t ，ac u l v ea b o u tt i m e a n dt e m p e r a t u r ei sg i v e db a s e do nm o d e ld a t a ，e s t i m a t e dt h et i m ef r o mf i r eg r o w t hp h a s et o b u r i n gp o i n to ft h em i c r o f a c e to nt h es p a c ee n c l o s i n gs t r u c t u r e k e y w o r d s ：p l c ；c o n f i g u r a t i o n ；t h e r m a lr a d i a t i o n ；m o m ec a r l om e t h o d i i 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盗彳己玺三金j i 毖j 睦l 邕杰幺醛刍龟孕 哗 作者签名： 毫笔国一 日期：二墟篮，- 年上l 月2 l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着社会的发展，火灾已成为危害人类最持久、最剧烈的灾害之一。2 0 0 3 年2 月 1 8 日上午韩国一名男子在大邱市地铁一车厢内点燃随身携带易燃容器后引起火灾，造 成1 9 8 人死亡，1 4 6 人受伤，2 8 9 人失踪的惨剧。2 0 0 8 年1 1 月1 4 日上海市商学院女生 宿舍楼内一宿舍因可燃物迅速燃烧，致四名女生从6 楼跳下逃生却不幸全部身亡。在 经济高速发展的现代社会，一系列惨剧告诉我们火灾的科学防治已成为社会安全和人 们日常生活保障的重要组成部分。火灾带来的巨大损失促使人类在追求发展与进步中 不断学习，在学习中努力去发现火灾的发生发展规律。今天，火灾科学已成为重多科 学分支中最有生命力的学科之一。 1 1 国外火灾科学研究历史概述 早在1 9 世纪中叶，西方国家的工程师发明了早期的自动喷水灭火装置和火灾自动报 警装置，2 0 世纪中期以后消防技术进入真正的高速发展阶段。同时，数学、物理学、燃 烧学、液体力学、计算机技术等学科领域的进展以及火灾试验手段的提高，又为开展机 理和规律的研究提供了条件。2 0 世纪7 0 年代初，美国哈佛大学的艾蒙斯( h w e m m o n s ) 教授提出了火灾模化理论，为火灾科学的建立奠定了基础。后来，英国爱丁堡大学庄斯 戴尔( d d r y s d a l e ) 出版了专著火灾动力学，对火灾科学的理论体系进行了系统的 阐述。火灾科学的建立和发展，促进了消防新技术、新产品的研究与开发，同时一系列 新产品的开发和应用进一步促进了火灾科学的发展。 1 9 5 6 年，美国马里兰大学设立世界上第一个“消防工程系”( d e p a r t m e n to ff i r e p r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g ) ，消防工程作为- - f q 独立的专业进入了高等学府的知识殿堂。英 国爱丁堡大学于1 9 7 3 年成立了“消防工程系”( d e p a r t m e n t o f f i r es a f e t ye n g i n e e r i n g ) ， 并开设了世界上第一个消防工程专业的硕士研究生课程。进入8 0 年代后，许多国家都 在大学开设“消防工程”专业课程，提供正规的学历教育，可授予学士、硕士、和博士学 位，消防工程专业教育得到了更快的发展。同时，许多国家的消防科学家和工程师成立 了专业性学术机构，进行各种专业学术活动。某些消防专业学术团体已有了相当长的历 史并产生相当大的社会影响，如美国的消防工程师学会( s o c i e t yo ff i r ep r o t e c t i o n e n g i n e e r s ) 、英国消防工程师学会( i n s t i t u t i o no ff i r ee n g i n e e r s ) 和德国消防促进协会 ( v e r e i n i g u n gz u rf o r d e r u n gd e sd e u t s c h e nb r a n d s c h u t z e se v ) 等均有数十年的历史，在 这些国家的工程科学界已占有一席之地。1 9 8 5 年，由英、美、日等国几位著名的消防科 学家发起，成立了国际消防安全科学协会( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o nf o rf i r es a f e t y 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 s c i e n c e ) ( 另译名为“国际火灾学会”) 。该协会自成立以来，不断发展壮大，己成为具 有较大影响的国际专业学术团体，其会员的研究领域包括火灾学、火灾物理、火灾动力 学、火灾探测报警与自动灭火系统、被动防火技术( 建筑结构的防火保护、防火分隔、 防火建筑材料与构件等) 、建筑防火设计、人在火灾中行为、火灾风险评估、火灾调查、 消防安全管理等。 1 2国内火灾科学历史概述 我国的火灾科学与消防工程技术方面起步较晚，随着新中国的成立，1 9 5 6 年初，公 安部在向国务院的报告中正式提出，“为逐步提高我国的消防科学技术水平，依照科学 原理，研究和分析火灾及其发生的原因，使防火和灭火的方法、器材达到更有效、更经 济合理的标准，公安部拟筹建消防科学研究所；1 9 5 9 年，公安部消防局正式设立“消 防科学研究室”，成立后，很快开始了课题研究。1 9 6 3 年，公安部在当时的消防局消防 科研室基础上，成立了公安部消防科学研究所，并于1 9 6 5 年在沈阳、天津和上海分别 成立了公安部消防科研分所。1 9 7 9 年3 月，公安部消防局组织召开了第一次全国消防科 技工作会议，明确了消防工作任务和发展目标。这次会议以后，我国消防科研机构在火 灾理论、建筑防火、火灾报警、自动灭火系统、建筑防火材料、灭火理论与灭火技术、 消防装备、火场防护技术、消防管理等领域，开始了比较系统的研究工作。1 9 9 0 年1 2 月，第二次全国消防科技工作会议在厦门市召开，会议通过了“八五消防科技发展规 划。针对国内高层建筑的发展状况，确定了以“高层”建筑的预防与控制技术为“八五” 期间我国消防科技的重点主攻方向，同时开展了大量的基础研究和应用基础研究。如运 用模拟方法进行了室内家具组件火灾特性和实验技术的研究以及地下民用建筑火灾烟 气流动性特性的研究等。这些基础研究和应用基础研究为我国有关技术法规的制订和实 施，提供了科学依据和技术手段。 “九五 期间，针对地下建筑和大空间建筑的火灾预防与扑救技术，以国家科技攻 关项目为龙头，公安部的4 个专业消防研究所、中国科技大学火灾科学国家重点实验室、 中国建筑科学研究院建筑防火研究所等单位开展了多层次、多学科交叉的联合攻关研 究，在探索地下建筑与大空间建筑的火灾规律、开发高新技术的火灾探测报警、自动灭 火、防排烟设备和消防部队灭火救援装备等方面，取得了一批重要科研成果。并且建成 了大空间火灾试验馆、高层建筑火灾试验塔、固定灭火系统综合试验馆等一批具有一定 国际水平的试验装置。 大连理工大学硕士学位论文 消防工程技术与产品的标准化方面，经过十多年的努力，目前，已制订各类消防国 家标准和行业标准2 0 0 多项，如g b1 6 2 8 0 1 9 9 6 线型感温火灾探测器技术要求及实验方 法国家标准【1 1 、g b1 6 2 8 2 1 9 9 61 1 9 火灾报警系统通用技术条件等【2 】，消防工程技术规范的 体系越来越完善。建成了4 个国家级的消防产品质量监督检验中心，建立了一套比较完 整的消防产品质量监督管理制度。作为一门新兴的学科，消防工程的研究领域正在不断 拓展，研究成果不断增加。 1 3 目前国内外火灾科学主要研究机构及发展 ( 1 ) 国外主要研究机构国外的火灾科学研究起步较早，目前国外的主要研究机 构与组织有：美国国家标准技术研究所建筑与火灾研究实验室( t h eb u i l d i n ga n df i r e r e s e a r c hl a b o r a t o r y ( u s a ) ) ，w p i 火灾科学实验室( w p if i r es c i e n c e l a b o r a t o r y ) ， 澳大利亚联邦科学工业研究组织( a u s t r a l i a sc o m m o n w e a l t hs c i e n t i f i ca n d i n d u s t r i a lr e s e a r c h0 r g a n i s a t i o n ) 。格林威治大学火灾安全工程研究组站点( f i r e s a f e t ye n g i n e e r i n gg r o u p ( f s e g ) w e bs i t e o ft h eu n i v e r s i t yo fg r e e n w i c h ) 日 本的国立消防研究所，国际火灾安全科学组织( w e b s i t eo fi n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n f o rf i r es a f e t ys c i e n c e ( i a f s s ) ) ，国际消防培训组织( i n t e r n a t i o n a lf i r es e r v i c e t r a i n i n ga s s o c i a t i o n ( i f s t a ) ) 等。国内外大量资料表明，火灾中导致人员死亡的主 要原因是烟气，2 0 世纪6 0 年代后，人们开始重视火灾烟气控制的研究。美国、英国、 加拿大等国家对火灾烟气模型的研究和开发起步较早，以美国标准技术局n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 为代表机构，早期开发的烟控 模型中以网络模型为主，如加拿国家建筑研究院的i r c 模型，n i s t 建筑火灾研究实验 室b f r l ( b u i l d i n ga n df i r er e s e a r c h i n gl a b o r a t o r y ) 的a s c o s 模型、c o n t a m 模型 等。英国建筑研究部的b r e 模型，荷兰应用物理学院的t n o 模型等【3 l 。 ( 2 ) 国内主要研究机构目前国内火灾科学研究机构有公安部设予天津、沈阳、上 海、四川的四个消防研究所，中国科学与技术大学的火灾科学国家重点实验室等。同时， 许多高校及相关机构也在从事火灾科学的研究。 1 4 火灾科学的主要研究方法和内容 由于火灾现象非常复杂，包含流动、扩散、相变、燃烧、辐射传热等过程，涉 及从微观到宏观各层次的物质结构，影响因素复杂多变。研究的目的不同则相应的研究 方法就不同。相关领域中的专家学者主要使用两种方法，即实验模拟研究和数值理论模 拟研究。 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 1 4 1实验模拟 实验模拟研究分为两种情况，一是根据实体建筑的尺寸，按一定的比例建立起模型 建筑，在模型中进行实验，并将实验结果整理成准则函数关系式，推广应用到原型中去， 也就是所谓缩尺实验。另一种就是采用盐水模拟的方式。所谓盐水模拟就是用湍浮的盐 水在清水中的重力流动来模拟湍浮的烟气在空气中的浮力流动，因为两种流动的驱动现 象相同( 同是由密度差引起的浮力流动) ，当忽略粘性力和传热时两过程相似。盐水模拟 既直观，便于分析，又省钱省力不污染环境，目前在火灾的研究工作中有着极强的生命 力。盐水模拟的基本过程包括：推导合理简化的烟气和盐水流动的数学方程组。选 择适当的无量纲数将两组方程转化为无量纲方程。在缩尺模型中进行盐水实验。 通过对简化方程的分析，将盐水模拟结果转化成实尺烟气流动的结果。它可以模拟大部 分流体的性质，并提供很好的观察、测量环境和视觉效果，更重要的是这种技术提供了 一种对复杂结构进行研究的更为便宜的方法。盐水实验研究始于6 0 年代初期，t h o m a s 等 人曾利用盐水模拟技术揭示大房间顶部和侧面的排烟效 4 1 。t a n g r e n 等人在1 5 的缩尺 模型内研究有一个门或窗的房间内火灾热烟气的密度和位置【5 】。其后b a u m 和r e h m 在 b o u s s i n e s q 假设下，推导出了由弱火源驱动的无粘性绝热气体在受限空间内的无量纲控 制方程，为盐水模拟奠定了理论基础【6 】。但是，盐水模拟的研究方法在定量上还存在较 大的误差，基本理论仍不完善。 1 4 2 数值模拟研究 ( 1 ) 国内外的火灾科学数值模拟研究由于火灾的复杂性和多变性，迄今为止没有 一种通用的模型能够完全客观准确地描述每种不同情况下的火灾。 f r i e d m a n 曾依据研究区域中控制体的不同划分对6 2 种火灾与烟气运动的计算机模 型进行了分类：场模型( f i e l dm o d e l ) 、区域模型( z o n em o d e l ) 、网络模型 ( n e tm o d e l ) t y j0 2 0 0 3 年，美国的燃烧科学与工程c s e ( c o m b u s t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g ) 机构的o l e n i c k 和c a r p e n t e r 完成了对该工作的更新，收集并分类整理的模型包括6 9 种 描述火灾烟气发展过程的模型( 分为5 1 种区域模型、1 8 种场模型) ，2 4 种疏散模型， 3 2 种火灾承受模型，9 种探测器响应模型以及3 2 种其他模型8 】。且该机构在i n t e r n e t 上 建立了公开的火灾烟气模型的资料库，公开所收集到的各数值模型的简介。 建筑大空间往往是人群密集区，由于建筑和环境条件的复杂性，很难进行实验模拟。 国内的不少学者在这大空间建筑火灾这一领域内做了研究和理论的探讨。周允基等在进 行全尺寸实验的实验的基础上对中厅火灾的展过程与特点进行了研究与分析【9 1 。姚建达 大连理工大学硕士学位论文 等开创性的提出了火灾烟气运动计算机数值模拟的区网一复合模型【l 。严治军教授在我 国较早地开始探讨烟气流动的解析方法，系统深入的研究了烟气运动理论，建立了烟气 流动性状的预测方法，同时建立了比较完整的建筑火灾烟流网络模型【l 3 1 。高甫生等对 国内火灾烟气运动的数值模型进行了归纳分类，并阐述了各种模型建立的原理和特点 1 1 4 o 以上所述的国内外各种模型的建立大都基于传热学方程，化学动力方程，质量恒定 律，能量守恒定律，湍流力学等物理或化学方程，不同模型侧重点不同，所联立的方程 组不同。但大都为常微分、偏微分程组。模型的获得需要通过求解微分方程组来得到。 ( 2 ) 数值模型的基本计算方法【1 5 1 6 】流动、传热、燃烧问题有关的数值计算方法 有多种，大体上可分为按宏观连续介质处理的计算方法和针对燃烧问题的微观过程来建 立模型求解的计算方法两大类。前者如：有限差分法、有限容积法、有限元法、边界元法、 有限分析法、微分求积法、谱分析方法、数值积分变换法、无限元法、摄动法等，后者 包括g r i d b o l t z m a n n 方法、m o n t ec a r l o 方法、分子动力学方法等。选择正确的数值计 算方法不仅要考虑其收敛性、稳定性和计算成本，还应当针对具体的物理问题对计算方 法进行优化。建筑火灾数值模拟中常用的是有限差分法和有限容积法，以及常用于辐射 换热过程计算和燃烧模型计算的m o n t ec a r l o 方法。 有限差分方法( f d m ) 有限差分法的主要思想是将时间、空间求解域用网格线 的交点( 节点) 之集合来代替。针对每一个节点，对需要求解的偏微分方程组离散化，也 就是将偏微分方程中的每一个导数项用未知函数在相关网格节点上的值的相应的差分 格式来代替，于是原来的偏微分方程在每一个节点上化为一个代数方程。在适当的定解 条件下联立求解这些代数方程组，就可以求得原偏微分方程中的未知函数在网格节点上 的近似值。从而也就求出了未知函数在时间和空间上的变化规律( 数值解) 。在规则区域 的结构化网格上，有限差分法的长处是容易建立对流扩散方程中的高阶项的差分格式。 有限差分法应用广泛，不仅用于各种力学计算以及多相流、化学反应流、燃烧问题、传 热问题等方面，也应用于计算电磁学、磁流体力学等领域。空气动力学方面，对于非定 常i 口- j 题( 抛物型偏微分方程、双曲型偏微分方程) 发展了时间相关方法；对双曲型偏微分 方程还发展了特征线方法；对于定态问题( 椭圆型偏微分方程) 发展了空间步进方法。近 年来，为了推进有关复杂流场与燃烧过程的计算，各种高分辨率的差分格式已研究得比 较成熟，容易进行稳定性分析和误差分析。有限差分法的不足之处是离散化得到的代数 方程组的守恒特性难以保证。而且对于边界不规则的区域，差分格式适应性较差。 有限容积法( f v m ) 研究火灾中燃烧与流动现象的数值模拟方法绝大多数是基 于有限容积法来求得数值解。有限容积法的基本思想是将计算域分割成许多微元控制容 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 积，用描写燃烧与流动问题的守恒型控制方程对每一个微元控制容积积分。积分过程必 须先假定未知函数在网格点之间的变化规律，即对未知函数及其导数的构成方式( 插值 函数) 作出假定，从而将原来的偏微分方程离散化为与每一个节点相对应的代数方程组。 在一定的定解条件下联立求解这些代数方程组，就可以求得未知函数数值解。只要界面 上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的，就可以保持未知函数在计算域内的 连续性，也就可以保证导出的离散方程组具有与原偏微分方程相同的守恒性。因此可以 在任意调节控制容积大小( 网格划分) 的同时保持物理真实性。有限容积法实际上是从加 权余量法中的子区域法演变出来的。当插值函数采用具有二阶精度的线性插值公式时， 用有限容积法得到的离散方程与采用有限差分法得到的形式上相似。 显然，有限容积法对不规则区域的适应性比有限差分法好基于这种方法并引用交错网格 技术，发展出了一系列著名的算法，例如：s i m p l e ，s i v t l e r , s i m p l e s t 等算法。近年来， 又开发了采用非交错网格的高精度算法。被广泛应用于各种介质中的传热与流动数值计 算。 m o n t ec a r l o ( 蒙特卡洛) 方法( m c m ) m o n t ec a r l o 方法起源于研制核武器过程中 的中子扩散问题求解，其基本思想是利用概率模型来求解目标问题。关键是正确地描述 和模拟问题所对应的概率过程。对于本来不是随机性质的问题，比如计算定积分、求解 偏微分方程边值问题等，需要首先构造出一个人为的概率过程并且使得此概率过程的某 种参量正好是目标问题的解。接下来就需要进行概率模拟实验，利用计算机产生的伪 随机数来实现对概率模型函数分布的随机抽样。然后对概率模拟实验的结果进行计算处 理，计算出所需的参量。一般是采用无偏估计量或者渐进有偏估计量。m o n t ec a r l o 方法 的适用范围是只有当目标问题的尺度与随机行走的幅度可以相比较时，随机模拟实验的 结果才是可靠的。对于复杂的大系统，由于不同层次具有不同的标度律，m c m 的计算 结果往往偏低。因此，m o n t ec a r l o 方法在模拟真实气体的动力学行为、计算辐射通量、 研究宏观层次与微观层次中的各种输运过程等方面取得了很大的成功。 随着超级计算机的发展，大规模科学与工程计算通常采用并行计算技术和并行算 法，例如：多重网格方法、区域分解算法。适用于发展基于分布式计算环境或者是超级计 算机计算环境的多尺度祸合计算。这些先进的计算资源和计算方法将会在火灾数值模 拟、传热与流动的数值仿真等领域取得更加广泛的应用。 需要指出的是室内火灾辐射换热是传统火灾数值模型的薄弱环节【1 7 锄】，尤其是火焰 区域和火场有关的辐射换热过程。在研究火灾控制中火区蔓延是的一个重要问题，辐射 换热是火区蔓延的主要传热方式，它涉及材料的预热与热解、蒸发、点火，解决辐射问题 一6 一 大连理t 大学硕士学位论文 是一个复杂的过程，通常难以精确计算。火灾辐射传热过程数值模拟的基本方法有如下几 种1 2 心2 1 ：热通量法( h f m ) 、区域法( h m ) 、离散传播法( d e m ) 。 1 5 本文讨论的主要内容 ( 1 ) 为配合火灾发生、发展的实验研究，针对沈阳消防研究所的大空间火灾实验 室特点和火灾实验时的功能要求，描述大空间火灾实验室监控系统的设计原则及设计实 现的过程和方法。 ( 2 ) 针对小空间火灾的特点和火灾模拟的特点进行了描述，在火灾从发展到稳态 时，采用火源简化模型，同时在热烟气层采用蒙特卡洛法离散化处理的基础上讨论了对 火区蔓延起重要作用的辐射传热问题，建立了简化模型。 ( 3 ) 描述了小空间燃烧实验平台上进行的晴纶地毯燃烧实验，对比辐射模型和实 验数据进行对比，验证模型的合理性。 ( 4 ) 总结辐射模型和实验数据对比结果中的问题，对产生由模型得到的数据和实 验数据不同的可能原因进行归纳分析。 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 2 实体火灾实验室简介 2 1大空间火灾实验室简介 公安部沈阳消防研究所大空间实体火灾实验室于2 0 0 7 年1 2 月建成，实体火灾实验 室是目前国内唯一的用于火灾调查技术与方法研究，具有全尺寸火灾实验能力的实验 室，本着消防科研为消防队伍服务的宗旨，实验室建成后将陆续对全国各省市消防队伍 开放，为火灾调查水平的提高做出贡献。实体火灾实验室主要由大空间燃烧室、监控中 心、环境模拟室、前期准备室、配电室及负载室组成。 大空间实验室长1 3 米，宽1 2 米，高1 2 米，内墙壁均采用耐高温防火材料，可承 担1 0 0 0 摄氏度以下电气、易燃液体、遗留火种、违章作业、自燃等多种引火源以及室 内、室外各种火灾负荷情况下的全尺寸实体火灾模拟实验。与监控中心相配合，可实现 火灾过程的全角度显示，重点部位温度、气压、湿度、燃烧气体产物等火灾特征参数的 全过程监测。 2 2 相关国内外火灾实验室监控系统概述 随着社会的发展，高层大空间建筑在人类的日常生活中越来越普遍，针对大空间火 灾的研究也随之产生。在大空间火灾实验研究方面，由于实验复杂性和相关技术的限制， 目前，许多国家并未建设实体大空间火灾实验室，相关研究人员还无法进行实体实验。 大空间火灾实验室监控系统的设计也不并十分完善。八十年代初加拿大国家研究院建造 了世界上首座高层建筑火灾试验塔，其监控系统主要是在对火灾烟气进行探测的基础上 进行机械防排烟进行控制。美国海军实验室( n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 的监控系统对 湿度的检测及细水雾灭火的控制在走在世界的前列，并曾对单流低压系( s i n g l e f l u i d l o w p r e s s u r es y s t e m s ) 、单流高压系统( s i n g l e f l u i dh i g h p r e s s u r es y s t e m s ) 、双流系 统( t w i n f l u i ds y s t e m s ) 三种细水雾灭火系统的效果进行了一系列实验。西班牙的塞卡 特公司在保护、测量、计量和无功补偿等方面的电气设备设计方面的基础上提供实验室 监控方案。国内四川消防研究所在承担“九盘”攻关项目中建成实体高层火灾实验塔，其 相关的监控系统操作率先在机械防排烟研究方面在展开了应用。中国科学技术大学近年 来建成了的大空间火灾综合实验平台，其监控系统在温度、热辐射等相关实验参数的测 量与分析方面有着良好的设计，为大空间火灾的相关实验研究提供了良好的支持。 2 3 火灾实验室监控系统建立的主要目标 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 监控系统要为大空间实验室的整体良好运行提供可靠的保障，建立监控系统的主要 目标包括：实时采集火灾实验过程中所需要的现场实验数据，例如空间各点的温度、 气压、风速、温度等。按照实验过程中的要求调节现场设备或仪器的参数。实现 1 3 个负载的自动调节。能够全面测量、线性调节实验室电力系统参数，包括直流电 源的电压、电流的测量与显示，交流配电系统的线电压、相电压、电流的测量与显示， 调压器的控制等。 2 4 系统的整体功能设计 根据系统设计的要求和特点，系统整体设计采用上位机与下位机( p l c ) 相结合的 两级监控结构，如图2 1 。其中下位机主要实现现场级参数的采集、设备仪器的通信与 控制。上位机主要实现人机的友好交互，所需参数的存储、处理运算和系统画面的处理。 系统的设计可分为硬件电路设计和软件系统设计。硬件电路的设计主要包括系统控制柜 的结构设计、控制面板的结构设计、控制柜背板设计、硬件控制电路的设计等。软件系 统设计分为上位机软件系统设计和下位机软件系统设计。下位机软件系统主要包括下位 机与仪器设备的通信设计，电机、风机、天花板、负载的控制设计等。上位机软件的设 计主要包括下位机与上位机的通信控制设计，上位机控制系统画面的设计，系统数据的 存储等。 图2 1 系统设计结构图 f i g 2 1s y s t e md e s i g nm a p 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 3 监控系统硬件控制的电路设计 3 1设计原则 ( 1 ) 所选仪器必须能够满足室温环境下控制指标的要求和精度要求，测试前应对设 备、仪表进行校对、校正。 ( 2 ) 必须保证自动控制系统在工作条件下的可靠性。 ( 3 ) 控制系统要考虑避免电磁干扰问题。 ( 4 ) 遵循供配电系统的设计规范。 ( 5 ) 设计电路图应尽量占用少是面板空间，结构安排紧凑，容易扩展与维护。 ( 6 ) 监控系统要考虑系统设计时的经济性。 3 2 下位机型号的选取与简介 系统中各仪器设备与负载控制信号的来源为下位机，它既是现场级别与上位机系统 的过渡，也是现场设备安全良好运行的保障。p l c 是现代工业设备控制过程中最常采用 的控制器，理论与实践证明，其高可靠性、可稳定性为现代工业的过程控制提供了坚实 的基础。基于监控系统的实现要求与大空间实体火灾实验室的特点，设计采用p l c 作为 监控系统的下位机。参考系统中控制的点数、当前主流可编程控制器的型号以及系统的 经济性和可扩展性，本系统采用西门子公司s 7 3 0 0 中的一款作为下位机实现监控系统 的设计。 3 2 1可编程控制器$ 7 - 3 0 0 简介 s 7 3 0 0 是一种通用型的p l c ，能适合自动化工程中的各种应用场合，具有模块化、 无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，s 7 3 0 0 在实施各种控制任务 时是一种既经济又切合实际的解决方案。$ 7 - 3 0 0 由多种模块部件组成，各种模块能以不 同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。各模块安 装在d i n 标准导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。 背板总线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，在一个机架上最多可并， 排安装8 个模块。$ 7 - 3 0 0 有各种不同性能档次的c p u 模块可供使用，标准c p u 提供范围 广泛的基本功能，如指令执行、i o 读写、通过m p i 和c p 模块的通讯，紧凑型c p u 本机 集成i o ，并带有高速计数、频率测量、定位和p i d 调节等技术功能。s 7 3 0 0 的指令集 包含3 5 0 多条指令，包括了位指令、比较指令、计数指令、整数和浮点数运算指令等。 大连理工大学硕士学位论文 c p u 的集成系统功能提供了中断处理和诊断信息等功能，由于它们是集成在c p u 的操作 系统中，因此也省了很多r a m 空间。 3 3 主要设备控制电路设计 系统中主要的控制设备主要包括天花板、水喷淋、电磁阀、风机、调压器、自动负 载、温度巡检仪等，本部分描述几个相关设备控制设计的原理图。 ( 1 ) 风机启停控制电路设计风机在大空间火灾实验室中主要的作用为调节气压、 通风、及排烟的功能。为配合实验的实时性与控制室中控制柜的安全性，设计由按钮 控制端送入一开关量信号后，下位机控程序控制继电器实现风机启停的动作，为保证 继电器的寿命和质量，设计选用欧姆龙两开两断继电器，其中一路常开点控制指示灯 实现指示，另一路实现对接触器的控制。其结构原理如图3 1 所示。 图3 1 风机控制 f i g 3 1 b l o w e rc o n t r o l ( 2 ) 天花板升降控制电路设计对为火焰的控制可通过对天花板的升降控制来实 现，由拨动按钮的点动控制可实现天花板线性升降控制。设计选用两个施奈德接触器实 现对三相电机换相，由两个两开两断的继电器实现对两个接触器通断控制。为在监控室 火灾实验宝监控系统及热辐射模型建立 内的上位机上得到天花板高度的直观显示，将升降信号通过以开关量信号送到下位机， 并由下位机送到上位机中得到升降高度的直观显示。设计结构原理如图3 2 所示。 图3 2 天花板控制 f i g 3 2c e i l i n gc o n t r o l ( 3 ) 电磁阀启停控制电路设计为保证水泵的安全，逻辑设计应为当电磁阀打开后 水泵才能工作。将带由按钮控制的启停信号以开关量送入下位机后由下位机程序判断电 磁阀与水泵的动作顺序，然后由下位机控制继电器的动作，保证系统的安全运行。其系 统结构原理如图3 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图3 3 电磁阀控制 f i g 3 3m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l ( 4 ) 水喷淋启停控制电路设计实验过程中要求开机运行时水喷淋一直有状态显 示，无动作时停止按钮指示灯亮，动作时启动按钮灯亮。设计将停止按钮的指示灯串联 入继电器的常闭点中，启动按钮串联入继电器的常开点中。开关量启停动作信号送入下 位机后，由下位机控制继电器实现指示的显示和水泵的启停。其结构原理如图3 4 所示。 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 图3 4 水泵控制 f i g 3 4 w a t e rp u m pc o n t r o l ( 5 ) 调压器升降控制电路设计调压器是大空间火灾实验室的动力调节装置。由 手动调节或交流电机的正反转动可实现电压的调节。为保证系统的安全与电机的可靠有 效，设计将调压器的限位开关串联入控制电机的控制回路中，并将开关的升降信号送 入下位机以得到上位机中调压器工作的直观显示。其回路控制结构原理如图3 5 所示。 大连理t 大学硕士学位论文 图3 5 调压器控制 f i g 3 5 b o o s t e rc o n t r o l ( 6 ) 自动负载启停控制电路设计自动负载为实验系统中的调节工具。由于距离 上操作的不便性，监控系统设计要求上位机可实现自动负载的启停与大小的选择，监 控系统开启时负载控制室内可实现自动负载的启停。其结构设计原理如图3 6 所示。 图3 6 自动负载控制 f i g 3 6 a u t o m a t i cl o a dc o n t r o l 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立 4 下位机软件与上位机系统设计 软件系统是监控系统的重要组成部分，监控系统为两级控制结构，软件系统设计分 为上位机系统设计和下位机系统设计。下位机系统主要实现现场信号的采集、记录、运 算，上位机系统要求实现系统过程画面的显示、现场设备参数与电力系统参数的控制。 本系统设计采用西门子的s 7 3 0 0 作为控制系统的下位机，为方便系统程序的设计，编 程软件选用西门子公司的s t e p 7 ，上位机控制系统的设计选用西门子公司的w i n c c 6 0 实现。 4 1 下位机软件程序设计 4 1 1s t e p 7 简介 s t e p 7 功能完善，灵活方便，它用于s i m a t i cs 7 、m 7 、c 7 和基于p c 的w i n a c ，是供 它们编程、监控和参数设置的标准工具。s t e p 7 具有以下功能1 ) 硬件配置和参数设置： 2 ) 通信组态；3 ) 编程、测试、启动和维护；4 ) 文件建档；5 ) 运行和诊断功能等。s t e p 7 中以上各功能均