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还原巴黎圣母院火灾蔓延过程

添加时间:2019-04-18 10:35:56   浏览次数: 次    【 】   打印   关闭窗口

法国当地时间2019年4月15日下午6点50分巴黎圣母院发生火灾,这座人类著名历史建筑被大火严重破坏。在扼腕叹息之余,“学术小镇”通过计算流体力学CFD模拟手段再现了巴黎圣母院的火灾蔓延过程,为火灾事故原因调查提供了初步的参考

 

 

1. 火灾蔓延CFD模拟

 

巴黎圣母院主体为砌体拱结构,上部覆盖木结构屋顶,因此,本次大火的主要蔓延区域是木屋顶部分,如下图深红色区域。

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_1

(图片源自BBC)

 

为模拟这次火灾事故,我们在第一时间建立了巴黎圣母院的计算流体力学CFD数值模拟模型,如下图所示。模拟平台为美国国家标准与技术研究院NIST研发的软件FDS(火灾动力学模拟器)。图中绿色部分为巴黎圣母院的木质屋顶,设置成可燃物,其他区域为惰性不可燃物体。

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_2

 

 

精细化的火灾CFD模拟耗时巨大,一般需要大型计算机,长达数日才能给出结果。在此次模拟中,我们在材料燃烧性能和燃烧时间方面都进行了简化和缩放处理,以最快时间给出结果。

 

历经12小时的资料收集、建模、模拟、讨论后,我们给出了巴黎圣母院火灾蔓延过程的CFD模拟结果,如下所示:

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_3

巴黎圣母院火灾蔓延过程CFD模拟

 

通过上述巴黎圣母院的火灾蔓延过程模拟结果,我们可以清楚的看到:火是从中间部分开始蔓延,先向上蔓延,烧毁了高塔Spire,然后向四周蔓延,烧毁了整个十字型木屋顶

 

2. 与实际过程的对照

 

我们完成模拟后,恰好发现纽约时报梳理了巴黎圣母院火灾蔓延过程。我们将模拟结果与纽约时报结果进行了对照,以验证CFD模拟的合理性。

 

根据纽约时报的梳理,巴黎圣母院的火灾过程分为了3个阶段:

 

(1)尖塔周边开始起火

法国当地时间2019年4月15日下午6点50分,巴黎圣母院大教堂尖塔底部冒出火焰和烟雾。纽约时报与本文CFD模拟结果对照过程如下图所示。可以看出,本文模拟结果清晰地展示了起火区域的火灾烟气。

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_4

 

 (2)火势蔓延到塔尖

 

当地时间4月15日晚上7时40分,火势蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖顶上。可以看出,本文CFD结果蔓延范围与纽约时报整理结果吻合,均为尖塔及尖塔周边区域。

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_5

 

(3)火势蔓延到整个木屋顶

后来,火势逐渐蔓延到整个木屋顶,屋顶逐渐被燃尽。在本模拟结果中可以看出,模拟的蔓延范围与实际相符,而且还模拟了木屋顶被燃尽的情况

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_6

 

从以上结果可以看出,本文CFD模拟的火灾蔓延过程与巴黎圣母院实际蔓延过程是相符的。因此,火灾蔓延CFD模拟结果可以为火灾事故调研提供参考

 

需要说明的是:

(1)实际过程中,Spire尖塔由于底部结构被烧毁,无法承受上部重力,发生了倒塌。但CFD模拟中,无法加载重力并模拟其倒塌过程,这与实际过程所有不同。

 

(2)由于数据有限,本文CFD模拟不能做到很精细,只给出一种基本判断。如需深入调研事故原因,必须结合现场调查,开展详细的模拟。

 

3. 火灾蔓延原因浅析

 

从各种新闻报道和现场视频来看,大家不难发现:此次巴黎圣母院火灾的火势比较大(如下图所示),蔓延速度也比较快。7时40分,火势蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖顶上;7时59分,巴黎圣母院中部的尖塔坍塌。中间只花了不到20分钟,木塔就被烧塌了。

 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_7

(图片源自 NYTimes)

 

这里面原因很多,但是从木屋顶结构而言,其实这种屋顶结构形式类似架篝火,如下图所示。 

还原巴黎圣母院火灾蔓延过程_8

 

这种架篝火形式,上部是木材可燃物,中间空洞部分可以提供空气,使得燃烧更加充分。这也从某一角度解释了火势为什么这么大以及蔓延为什么比较快。

 

尽管巴黎圣母院的木屋顶从建筑学角度是非常美的,但一旦起火,容易充分燃烧,引起大范围的破坏。

 

4. 结语,但并未结束

 

(1) 巴黎圣母院大火是人类文明的灾难,也是防灾减灾工作者应该高度重视的火灾事故

(2) 本文的CFD模拟还原了巴黎圣母院火灾蔓延过程,为火灾事故调查提供了一种手段。但是,由于资料有限,此文模拟结果并不精细,有待进一步深入。

(3) 相信法国当局也会深入调查此次巴黎圣母院火灾的详细过程,为以后的文物防火提供重要借鉴,避免类似的悲剧发生

 最后,感谢我的研究生魏炜以及郑铭和薛巧蕊在12小时内完成了此次模拟,赞!

 

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