2019 Fiscal Year Annual Research Report
Smoke flow prediction based on mass consistent flow model
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18H01593
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
岡 泰資 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (10240764)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松山 賢 東京理科大学, 理工学研究科国際火災科学専攻, 教授 (10307704)
上矢 恭子 公立諏訪東京理科大学, 工学部, 講師 (10803356)
岡 秀行 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (80399518)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 煙流動予測 / 質量保存流速モデル / 火災リスク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
火災リスク評価において煙・燃焼生成ガスの拡散状況の把握は重要である。多数の火災シナリオに応じた事例研究を実施するためのツールには，計算精度と計算コストのバランスが要求される。本研究では，応用気象学分野において用いられている大気風速場予測手法の一つである質量保存流速モデルにもとづく数値予測手法を，建築火災安全工学分野へ導入することで，二層ゾーンモデルよりも詳細情報を与えられ，数値流体力学モデルに基づく数値解析よりも高速で予測値を得られる手法の提案を目指している。
質量保存流速モデルによる速度の推定手順は，対象とする空間への一次推定速度の設定，障害物周りの渦形成を再現するための代数モデルによる一次推定値の修正，さらに最終速度の算出の3つのステップで構成される。第1ステップ及び第2ステップの精度は予測結果に大きな影響を与える。
廊下状空間を対象とし，米国国立標準技術研究所が開発したFire Dynamics Simulator (Ver. 6.5.1)を用いて，断面積を一定とした矩形断面の縦横比を5種類変化させた数値実験を実施した。計算結果をもとに，軸方向に一次元流れの性状を示す領域の垂直速度分布を，天井近傍の上部層，床面近傍の下部層及び中間層の3層に分割し，各層の速度分布を検討した。その結果，上部層及び下部層は，矩形断面形状を考慮した最大速度と各層の厚みを採用したプロファイル法を適用することで，火源からの距離に係わらず一つの分布曲線でそれぞれ記述できることを示した。また中間層については，横長，縦長とその断面形状に応じて分布性状が異なることを示すとともに，予測手法を提案した。また異なる断面アスペクト比を有する模型実験結果との比較から，提案した速度分布式の有効性を検証した。
さらに，空間軸に沿って流れる熱気流の最高温度及び最高速度の減衰予測式を提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
質量保存流速モデルにおける速度の推定手順は，対象とする流れ場の各格子点に一次推定値である速度の設定，障害物周りの渦形成を考慮する代数モデルによる一次推定値の修正，さらに質量保存則を満足するように変分法を用いた最終速度の算出の3つのステップで構成される。本研究は，質量保存流速モデルの建築火災安全工学分野へ導入を目指しており，上記の第1ステップ及び第2ステップの構築が課題である。
昨年度に引き続き，矩形断面を有する廊下状空間を対象とし，火災プルームが天井に衝突後，軸方向に一次元流れの性状を示す領域（常流域）における，天井から床面までの垂直速度分布の予測法に取り組んだ。矩形断面積を一定として，高さと幅の比を5段階変化させた数値流体力学に基づく数値解析コード（Fire Dynamic Simulator）を用いた計算結果をもとに垂直速度分布式を導出し，異なる断面アスペクト比を有する模型実験結果の比較から，その有効性を検証した。提案する無次元速度分布式には，火源から任意の位置における熱気流厚さとその最高速度値および流入する外気流厚さとその最高速度が組み込まれているため，有次元に戻すためにはこれらの値を必要する。気流厚さについては，矩形断面形状を考慮した代表長さを導入した予測式を提案した。熱気流の最高速度については，側壁および天井での熱伝達，常流域の開始点とその位置での温度，矩形断面の縦横比を考慮した変数を組み込んだ温度減衰簡易予測式と各位置のRichardson数を用いた予測手法を提案したが，馬蹄形断面への適用にはさらなる検討が必要である。また，外気流の流入速度は熱気流の流出速度から算出する手法を提案したが，馬蹄形断面への適用にはさらなる検討が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の実験では，横長の矩形断面を有する模型実験しか実施できていないかったことを踏まえ，本年度は，新たに作成した縦長矩形断面および天井面が馬蹄形の2種類の模型を用いた火災実験を実施し，温度分布データを取得した。これらデータと今年度導出した側壁および天井での熱伝達，常流領域の開始点とその位置での温度，矩形断面の縦横比を考慮した変数を組み込んだ温度減衰簡易予測式と比較した結果，馬蹄形断面への適用についての改良が必要であったことから，さらなる検討を実施する。熱気流速度の最高値については，各位置の温度上昇，熱気流の厚みとRichardson数をもとに予測する手法を検討した。断面形状が横長断面での結果としか比較ができていないため，縦長断面および馬蹄形断面での速度計測を実施し予測値と比較する。
横長矩形断面を有する模型を用いて，強制換気時の障害物周りの流れの様子の可視化，速度計測結果および数値解析結果を用いて，前方循環流，伴流等，各領域における渦の発達状況確認し，これら渦の発達状況を物体寸法等の幾何学的情報のみで表現可能な代数モデルを適用可能とするために，既存の代数モデルを修正する。さらに，複数の障害物が存在する状況への拡張を検討する。
火災リスク評価においては，対象とする空間の速度場だけでなく温度場および燃焼生成物の濃度場の予測も重要であることから，エネルギー方程式および化学種保存式を組み込むことで計算コードの拡張を図る。
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Research Products
(4 results)
