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還原巴黎圣母院火災蔓延過程

添加時間:2019-04-18 10:35:56   瀏覽次數: 次    【 】   打印   關閉窗口

法國當地時間2019年4月15日下午6點50分巴黎圣母院發生火災,這座人類著名歷史建筑被大火嚴重破壞。在扼腕嘆息之余,“學術小鎮”通過計算流體力學CFD模擬手段再現了巴黎圣母院的火災蔓延過程,為火災事故原因調查提供了初步的參考。

 

 

1. 火災蔓延CFD模擬

 

巴黎圣母院主體為砌體拱結構,上部覆蓋木結構屋頂,因此,本次大火的主要蔓延區域是木屋頂部分,如下圖深紅色區域。

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_1

(圖片源自BBC)

 

為模擬這次火災事故,我們在第一時間建立了巴黎圣母院的計算流體力學CFD數值模擬模型,如下圖所示。模擬平臺為美國國家標準與技術研究院NIST研發的軟件FDS(火災動力學模擬器)。圖中綠色部分為巴黎圣母院的木質屋頂,設置成可燃物,其他區域為惰性不可燃物體。

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_2

 

 

精細化的火災CFD模擬耗時巨大,一般需要大型計算機,長達數日才能給出結果。在此次模擬中,我們在材料燃燒性能和燃燒時間方面都進行了簡化和縮放處理,以最快時間給出結果。

 

歷經12小時的資料收集、建模、模擬、討論后,我們給出了巴黎圣母院火災蔓延過程的CFD模擬結果,如下所示:

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_3

巴黎圣母院火災蔓延過程CFD模擬

 

通過上述巴黎圣母院的火災蔓延過程模擬結果,我們可以清楚的看到:火是從中間部分開始蔓延,先向上蔓延,燒毀了高塔Spire,然后向四周蔓延,燒毀了整個十字型木屋頂。

 

2. 與實際過程的對照

 

我們完成模擬后,恰好發現紐約時報梳理了巴黎圣母院火災蔓延過程。我們將模擬結果與紐約時報結果進行了對照,以驗證CFD模擬的合理性。

 

根據紐約時報的梳理,巴黎圣母院的火災過程分為了3個階段:

 

(1)尖塔周邊開始起火

法國當地時間2019年4月15日下午6點50分,巴黎圣母院大教堂尖塔底部冒出火焰和煙霧。紐約時報與本文CFD模擬結果對照過程如下圖所示??梢钥闯?,本文模擬結果清晰地展示了起火區域的火災煙氣。

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_4

 

 (2)火勢蔓延到塔尖

 

當地時間4月15日晚上7時40分,火勢蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖頂上??梢钥闯?,本文CFD結果蔓延范圍與紐約時報整理結果吻合,均為尖塔及尖塔周邊區域。

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_5

 

(3)火勢蔓延到整個木屋頂

后來,火勢逐漸蔓延到整個木屋頂,屋頂逐漸被燃盡。在本模擬結果中可以看出,模擬的蔓延范圍與實際相符,而且還模擬了木屋頂被燃盡的情況。

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_6

 

從以上結果可以看出,本文CFD模擬的火災蔓延過程與巴黎圣母院實際蔓延過程是相符的。因此,火災蔓延CFD模擬結果可以為火災事故調研提供參考。

 

需要說明的是:

(1)實際過程中,Spire尖塔由于底部結構被燒毀,無法承受上部重力,發生了倒塌。但CFD模擬中,無法加載重力并模擬其倒塌過程,這與實際過程所有不同。

 

(2)由于數據有限,本文CFD模擬不能做到很精細,只給出一種基本判斷。如需深入調研事故原因,必須結合現場調查,開展詳細的模擬。

 

3. 火災蔓延原因淺析

 

從各種新聞報道和現場視頻來看,大家不難發現:此次巴黎圣母院火災的火勢比較大(如下圖所示),蔓延速度也比較快。7時40分,火勢蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖頂上;7時59分,巴黎圣母院中部的尖塔坍塌。中間只花了不到20分鐘,木塔就被燒塌了。

 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_7

(圖片源自 NYTimes)

 

這里面原因很多,但是從木屋頂結構而言,其實這種屋頂結構形式類似架篝火,如下圖所示。 

還原巴黎圣母院火災蔓延過程_8

 

這種架篝火形式,上部是木材可燃物,中間空洞部分可以提供空氣,使得燃燒更加充分。這也從某一角度解釋了火勢為什么這么大以及蔓延為什么比較快。

 

盡管巴黎圣母院的木屋頂從建筑學角度是非常美的,但一旦起火,容易充分燃燒,引起大范圍的破壞。

 

4. 結語,但并未結束

 

(1) 巴黎圣母院大火是人類文明的災難,也是防災減災工作者應該高度重視的火災事故。

(2) 本文的CFD模擬還原了巴黎圣母院火災蔓延過程,為火災事故調查提供了一種手段。但是,由于資料有限,此文模擬結果并不精細,有待進一步深入。

(3) 相信法國當局也會深入調查此次巴黎圣母院火災的詳細過程,為以后的文物防火提供重要借鑒,避免類似的悲劇發生。

 最后,感謝我的研究生魏煒以及鄭銘和薛巧蕊在12小時內完成了此次模擬,贊!

 

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