烈焰焚城 | 地震次生火灾的精细化和高真实感模拟

2017-08-23 曾翔 许镇等 陆新征课题组 陆新征课题组

Physics-based simulation and high-fidelity visualization of fire following earthquake considering building seismic damage. Journal of Earthquake Engineering, 2017.


1. 地震次生火灾危害

地震会导致电线短路、煤气和燃料泄漏、炉具倾覆等,进而引发次生火灾。地震次生火灾往往会造成巨大的损失和伤亡。20世纪历史震害数据表明,地震次生火灾是造成人员伤亡最严重的次生灾害。

 

图1 全世界范围内,地震造成的人员死亡(1900-1999)
(数据来源:Sathiparan 2015)


例如:1906年美国旧金山地震曾导致大范围次生火灾,大火烧了三天三夜,火灾造成的损失是地震损失的4倍。1923年日本东京关东地震引发的次生火灾,导致数万人被活活烧死。1995年阪神地震同样引发严重次生火灾,是二战后和平地区最大的火灾。

 

(a) 1906年旧金山地震引发的火灾

(b) 1995年日本阪神地震引发的火灾

图2 典型地震次生火灾(图片来源于网络)


我国1976年唐山地震和2008年汶川地震震后的大雨抑制了次生火灾的发生。但是1975年海城地震后就发生了上百起次生火灾。因此地震次生火灾问题有必要进行深入研究。


2. 次生火灾模拟

计算机模拟是研究地震导致的建筑损坏和次生火灾的重要途径。本文作者在现有模型基础上加以改进,提出了新的城市地震次生火灾模拟方法。详情请参考新发表的论文:

Physics-based simulation and high-fidelity visualization of fire following earthquake considering building seismic damage. Journal of Earthquake Engineering, 2017.

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/13632469.2017.1351409

本文提出的城市地震次生火灾模拟主要包括 (1)起火模拟、(2) 火灾蔓延过程模拟(3) 模拟结果可视化,具体内容简介如下:


(1) 起火模拟

起火数量N根据历史火灾数据统计得到。为进一步确定起火位置,根据建筑类型、建筑所含易燃物情况、建筑震害、天气条件等信息,计算每栋建筑的起火风险指数,指定风险最高的N栋建筑为起火建筑。其中,城市建筑震害可以通过本课题组提出的城市抗震弹塑性分析方法计算。

图3 城市抗震弹塑性分析的计算模型


假定某省会城市城区发生一次重现期为475年的地震,根据本文起火模型计算得到起火建筑数量为32栋。建筑起火风险最高的32栋建筑的分布如图4所示。

 

图4 算例中心城区建筑起火指数分布与起火建筑


(2) 蔓延模拟

火灾主要通过热辐射和热羽流两种机制蔓延扩散(图5)。地震导致的围护结构破坏会降低建筑着火的极限热通量,削弱房屋的抗火能力,加剧火灾蔓延。破坏越严重的建筑,更容易被周围起火建筑引燃。因此本文考虑了建筑震害对蔓延的影响。

 

图5 建筑间火灾蔓延的两个主要方式:热辐射、热羽流


本文算例结果表明,考虑建筑震损将导致蔓延区域增大10%,如图6a所示。此外,不同地震动、不同风速对蔓延的影响如图6b, 6c所示。风速增加,燃烧面积将显著增加。

 

(a) 建筑震损的影响

 

(b) 不同地震动的影响

 

(c) 不同风速的影响 (风速单位:m/s)

图6 算例结果:不同因素对火灾蔓延的影响


(3) 模拟结果的可视化

上述图表可以定量表示次生火灾的模拟结果,但不能直观地表明哪些地区的火灾蔓延更严重。为了使结果更加一目了然,我们基于3D图形引擎进行了可视化开发,以不同颜色表示燃烧程度。如图7动画所示:

(动画:火灾蔓延-整体)

(动画:火灾蔓延-局部)

更进一步地,使用计算流体力学(CFD)方法计算烟气粒子的运动轨迹,真实地展示烟气的扩散。图8以清华校园为例,用动画展示了清华校园地震次生火灾模拟的烟气可视化:

(动画:清华火灾烟气-整体)

(动画:清华火灾烟气-局部)


3. 结语

本研究提出的地震次生火灾蔓延模拟方法可以反映建筑破坏及气象条件的影响,给出了地震次生火灾蔓延的时空分布预测结果,并真实感动态可视化蔓延过程,为地震次生火灾的预防和救援提供了科学的决策支持。


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