2024年4月2日发(作者：)

第40卷第3期

2012年3月

林业机械与木工设备

FORESTRYMACHINERY&WOODWORKINGEQUIPMENT

Vo140No.猿

Mar.2012

试验与研究

基于ANSYS有限元分析软件对森林火灾的模拟分析

赵义袁于文华袁蔡亚光袁宋杨

渊北京林业大学工学院袁北京100083冤

摘要院采用ANSYS有限元分析软件的流体分析模块模拟分析森林火灾中林火周围温度场与气流速度场的

分布情况袁为灭火作业时选择安全的灭火地带及正确实施火攻火战术提供理论参考遥

关键词院有限元分析软件曰森林火灾曰温度场曰气流速度场曰安全灭火地带

中图分类号院

S776.29文献标识码院

Ａ

文章编号院2095-2953渊2012冤03-0025-03

SimulationAnalysisofForestFiresBasedonANSYSFinite

ElementAnalysisSoftware

渊SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China冤

ZHAOYi,YUWen-hua,CAIYa-guang,SONGYang

粤遭泽贼则葬糟贼院ThefluidanalysismoduleofANSYSfiniteelementanalysissoftwareisadoptedtoanalyzethetemperaturearound

.. All Rights Reserved.

forestfiresandthedistributionofflowvelocityfieldstoprovidetheoreticalreferenceforselectingsafefireextinctionbelts

duringfirefightingoperationandcorrectlyimplementingfirefightingstrategies.

运藻赠憎燥则凿泽院finiteelementanalysissoftware;forestfire;temperaturefield;flowvelocityfield;safefirefightingbelt

0前言

多袁但大多是被浓烟熏呛窒息而死或被火场高温烧伤

致死袁在灭火时正确组织灭火人员在安全地带灭火是

减少伤亡的有效途径遥要在火灾中正确选择安全地

带袁就必须了解森林火灾中气流的分布与温度场的情

况遥目前这方面研究很少袁灭火指挥员主要是靠观察

手的观察进行组织灭火袁而观察手也只是靠长期的经

验来判断灭火的安全地带袁没有理论对照支持袁很难

对变化复杂的火灾作出准确的判断袁对灭火人员的生

命安全造成潜在威胁遥

火攻火战术是在森林火灾扑救中一种比较有效的

法灭火袁火烧法和迎面火法灭火都要求点燃的火逆风

间接灭火方法

咱2暂

遥常见的火攻火战术有火烧法和迎面火

灭火作战是人与自然灾害的斗争袁是一项高危作

业袁稍有不慎就可能造成人员伤亡遥因此袁灭火安全是

世界各国普遍高度关注的问题袁2003年第四次国际野

火大会就把灭火安全作为会议主题进行研究探讨遥据

专业权威机构预测袁根据目前的气象条件袁在未来10~

20年内袁全世界森林火灾将呈高发频发之势袁在现有

灭火条件下袁伤亡的可能性会有所增加袁保护森林资源

安全问题令人堪忧遥如何在保证灭火人员安全的基础

上有效地保护森林资源袁已成为亟待解决的问题遥我

国自1950年以来共发生森林火灾70多万起袁扑火伤

亡人数32443人袁其中死亡4828人遥近10年来袁全国

扑救森林火灾伤亡人数1939人袁仅1999年扑火伤亡

人数就达421人遥1987年大兴安岭野5.6冶特大森林火灾

夺走了213人的生命

咱1暂

遥造成灭火人员伤亡的因素很

收稿日期院圆园11原园9原29

基金项目院北京市教委共建项目野京郊山地条件下森林火

灾扑救装备的研制冶

与保护灭火人员安全的矛盾将更加突出袁扑火人员的

蔓延袁逆风蔓延在很大程度上取决于主火头前方气流

温度场与速度场的情况遥由于现在对这方面还没有规

律性的认识袁因此导致以火灭火的技术应用受到限制袁

成功率不高

咱猿暂

遥对于迎面火的使用尤其如此袁目前还主

要是靠扑火人员的经验袁点燃迎面火还只是少数人的

速度场规律的认识将极大地提高以火灭火技术尤其是

野点火艺术冶袁技术不成熟遥因此袁对于野外火温度场和

圆6

林业机械与木工设备

第40卷

迎面火灭火的成功率遥本文应用ANSYS有限元分析软

件来模拟分析森林火灾发生时燃烧区周围气流速度场

与温度场袁为正确判断安全的灭火地带和正确实施火

攻火战术提供理论参考遥

1模拟过程

火强度是林火行为的重要标志之一袁森林可燃物

燃烧时整个火的热量释放速度称为林火强度遥森林燃

烧时袁火强度变化幅度在20耀100000kW/m之间袁相差

500

时袁

倍

林内所有的生物都将被烧死

遥有些林火专家认为袁当火强度超过

袁只有火强度小于

4000kW/m

和发热强度

4000kW/m时

遥

袁才有生态意义遥林火强度包括火线强度

火线强度I

发热强度I

L

的计算公式为院I

L

杂

的计算公式为院I

S

=m

=m

窑

窑c

c/t

窑

渊

v渊

kJ/m

kJ/m

2

窑

窑

s

s

冤

冤

式中院m为单位面积内的可燃物质量渊kg/m

2

物的平均发热量渊kJ/kg冤曰v为火线前进速度

冤曰c

渊m/s

为可燃

冤曰t为

燃烧持续时间渊s冤遥本模拟模型选用大兴安岭的落叶松

林作为研究对象袁落叶松林有效能量为12363kJ/m

2咱4暂

们选用v=0.09

咱5暂

经计算得I

L

袁取t=15s遥

袁我

火场参数取值如下

=1112.67kJ/m

院平均温度

窑s袁I

S

=824.2kJ/m

2

栽越苑怨猿运曰环境温度

窑s遥

t=

热

293K曰

C

p

风速v=10m/s曰

窑k曰空气热导率

空气质量密度籽越1.10kg/m

3

曰空气比

系数

=1000J/kg

滋=1.8伊10

-5

k=0.03W/m窑k曰空气黏性

在有风情况下火场的形状呈椭圆形

kg/m窑s曰空气对流系数琢越远圆.3W/m

2

袁椭圆长半轴

遥

朝着风速的方向

咱6暂

大量消耗氧气袁我们将火场近似看成为空的椭圆形

袁考虑到森林树木密集袁而且燃烧时

袁椭

圆外围是一正方形袁用此来模拟自然环境下的风场渊近

似无限大冤遥风场模型上下边界设成无滑动边界袁边界

温度与环境温度一致遥火场中温度的传导有热传导尧热

对流尧热辐射三种方式袁由于气体对辐射能的吸收能力

很低袁辐射对火灾周围的温度影响很小袁所以本模拟不

考虑热辐射传热遥在模拟计算时为节省机器的内存与

计算时间袁我们采用ANSYS中的TDMA共轭传热以温

度场的算法来计算遥模拟结果如图1所示袁火场周围的

图1火灾模型图

温度分布如图2所示袁火场周围的气流速度向量图如

图3所示遥

图2火场周围温度分布图

图3火场周围气流速度向量图

2模拟结果分析

火场周围气流分布图如图4所示袁我们把火场周

围的气流空间分成三部分袁第一部分分布在火场已燃

区与火场的尾部区袁在这个地区风速的特点是越接近

火场风速越低袁特别是与风速方向一致的地区袁风速下

降的速度很快袁接近火场尾部的地区风速基本为零袁如

图5所示的AB路径气流速度梯度分布曲线图袁火燃烧

图4火场周围气流分布图

图5AB路径气流速度图6AB路径温度梯度

分布曲线图曲线图

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第3期

赵义袁等院基于ANSYS有限元分析软件对森林火灾的模拟分析

进行扑火很容易被热气流烧伤遥

3结论与建议

圆苑

过的地区氧气密度很小而且会产生大量的有毒气体袁

如悦韵

圆

尧悦韵尧悦

x

H

y

尧SO

2

等

咱7暂

袁如果没有足够的风速补充氧

气并将有毒气体稀释带走袁则这些地区将是非常危险

的袁如果不小心步入袁轻者中毒呼吸困难袁重者昏厥死

亡遥通过分析图6所示的AB路径温度梯度曲线图可

知袁由于这部分风速不大袁除特别接近火场的地方温度

变化不大袁该地区威胁人生命安全的主要是有毒气体袁

前部温度特别高袁如图10所示袁所以在这一地区人员

是火场的两侧袁但应注意这一地带风大袁火苗经常会被

风吹的四处飘散袁很容易引起附近琐碎的易燃枯枝和

渊1冤通过以上模拟袁我们发现最佳的灭火地带应该

在这个地区扑火时应注意周围空气环境袁扑火人员一

但有呼吸不畅或胸闷现象时应赶快撤出遥第二部分分

布在火场两侧袁通过观察图4袁我们发现这个区域风速

较大袁特别是接近火场前部的区域风速达到最大袁由于

这些区域空气流通快袁所以有毒气体的浓度较低袁氧气

密度很充足袁但由于风速大袁火苗很容易被风吹到周围

而引燃身边的易燃物袁把扑火人员困在火场中遥由于这

个区域风速大尧周围空气对流速度快袁所以除十分接近

火场的地区外温度变化也不大袁具体情况如图7和图8

所示遥第三分布区分布在火场前部和火场将要蔓延的

区域袁这一部分的特点是温度变化大袁风速较快遥但通

过分析图4我们发现袁沿着火场前进方向的前方袁有一

部分风速不大袁几乎是全环境风速最低的地方袁如图9

所示的CD路径气流速度分布曲线图遥产生这一情况的

原因大概是由于火燃烧急需要氧气袁而火场上空热气

流又太大袁因此火场只能从其两侧及前方吸收氧气袁这

就产生了火场的卷吸效应遥我们可以利用火场的这一

特点袁在火场的这个特别区域选择火烧隔离带或实施

以火灭火的方法来灭火袁且成功率会很高遥但由于火场

图7EF路径气流速度图8EF路径温度梯度

分布曲线图曲线图

图9CD路径气流速度

图10CD路径温度梯度

分布曲线图曲线图

落叶等燃烧袁将扑火人员困在火场中遥在扑火时应将人

员分配成2耀3人一组袁每组间隔3耀4m袁呈梯形分布袁以

便随时注意周围的情况渊特别是身后冤袁一旦发现有火

苗已吹到附近时要将其及时扑灭袁如果火太大一时扑

灭不了应迅速撤走袁并及时通知周围扑火人员遥

场卷吸效应区

渊2冤实施以火灭火的最佳地区是第三分布区的火

袁第二分布区不适合实施以火灭火的方

法灭火袁风速太大火头不易控制袁灭火成功率低袁一旦

火头失控袁后果会更糟遥

侧进行排查

渊3冤火灭后检查余火时应先沿着火场燃烧过的两

袁不要急于去已燃区袁因为那里有毒气体的

浓度高袁很容易使人中毒遥

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