淺談數(shù)值模擬技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用

張 偉

（吉安市消防支隊(duì) 江西 吉安 343000）

0 引言

由于火災(zāi)的隨機(jī)性特征以及各種人為因素使得火災(zāi)仍將長(zhǎng)期存在于人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展中，可以預(yù)計(jì)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，火災(zāi)將呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。火災(zāi)事故調(diào)查是探索火災(zāi)規(guī)律的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，是遏制火災(zāi)發(fā)生的有效手段，是消防工作的重要內(nèi)容。當(dāng)前火災(zāi)調(diào)查面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，由于火災(zāi)燃燒過(guò)程的極度復(fù)雜性(涉及高分子燃料、燃燒空間大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜)以及不同燃燒行為會(huì)產(chǎn)生表面上相似的后果等原因，使得這類(lèi)研究變得極為困難。加之火災(zāi)本身的破壞性以及不同火場(chǎng)的特殊性，更加大了火災(zāi)調(diào)查的難度，使火場(chǎng)重構(gòu)無(wú)從實(shí)現(xiàn)。

在我國(guó)，采用火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中的痕跡物證的證明作用，給出鑒定結(jié)論，盡管是許多火災(zāi)調(diào)查專家、學(xué)者及工作者長(zhǎng)期工作的寶貴經(jīng)驗(yàn)和研究成果，但由于缺乏對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其合法性也面臨著巨大挑戰(zhàn)。加強(qiáng)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中痕跡物證的收集和檢測(cè)鑒定以及痕跡物證形成機(jī)理的基礎(chǔ)研究勢(shì)在必行。只有切實(shí)為痕跡物證提供科學(xué)的理論根據(jù)，提高火災(zāi)事故調(diào)查手段的科學(xué)水平，才能保證火災(zāi)調(diào)查向高端發(fā)展?；馂?zāi)科學(xué)的模擬研究是探索火災(zāi)確定性規(guī)律的重要手段，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。

1 火災(zāi)模擬技術(shù)簡(jiǎn)介

近十幾年來(lái)，隨著火災(zāi)科學(xué)研究的逐步深入以及計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬成為火災(zāi)科學(xué)研究中的重要手段之一?；馂?zāi)的實(shí)驗(yàn)研究往往耗費(fèi)資源巨大，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)。而計(jì)算機(jī)模擬能夠很好的解決這一問(wèn)題。通過(guò)對(duì)燃燒和流動(dòng)等過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬來(lái)研究火災(zāi)，大大降低了研究成本，縮短研究周期。計(jì)算機(jī)模擬還能進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的研究?jī)?nèi)容。火災(zāi)過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬具有以上眾多優(yōu)點(diǎn)，在火災(zāi)研究中發(fā)揮著重要作用。[1]

其中FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)開(kāi)發(fā)的一種場(chǎng)模擬程序，它以其開(kāi)放性以及可改造性在火災(zāi)計(jì)算機(jī)模擬中得到廣泛應(yīng)用。它應(yīng)用了兩種類(lèi)型的燃燒模型，既直接數(shù)值計(jì)算(DNS)和大渦模擬計(jì)算(LES)。使用哪種模型取決于基礎(chǔ)網(wǎng)格的選擇。在DNS計(jì)算中，燃料和氧氣的擴(kuò)散可以直接模擬，使用一步有限速度化學(xué)反應(yīng)。但是對(duì)于應(yīng)用LES的計(jì)算，網(wǎng)格的劃分不能很好的解決燃料和氧氣的擴(kuò)散問(wèn)題，這就需要應(yīng)用混合分?jǐn)?shù)燃燒模型。應(yīng)用的模擬近似受到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的影響，是關(guān)于時(shí)間和空間的函數(shù)，同時(shí)受限于對(duì)現(xiàn)有現(xiàn)象的解釋程度。FDS火災(zāi)模擬軟件包含了FDS和SomkeView兩部分。其中FDS是軟件的主體部分，主要完成模擬場(chǎng)景的構(gòu)建和計(jì)算工作，而SomkeView是FDS計(jì)算結(jié)果顯示和后處理程序，它不但能夠處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而且可以顯示出靜態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以二維或三維圖形直觀地顯現(xiàn)出來(lái)。模型的輸入?yún)?shù)包括：空間初始環(huán)境溫度，火源物品的燃燒性質(zhì)，滅火系統(tǒng)的影響，煙氣的組成和性質(zhì)是否考慮障礙物的影響，為收集有用數(shù)據(jù)所需的模擬時(shí)間，網(wǎng)格劃分大小，所需要測(cè)量的數(shù)據(jù)類(lèi)型及探測(cè)點(diǎn)位置，火源種類(lèi)、初始溫度以及熱釋放速率等問(wèn)題。FDS計(jì)算結(jié)果中的二維數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)輸出格式為Office Excel程序格式，可以通過(guò)各種數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理和分析。使用FDS和Smoke view的一般步驟：

1）建立一個(gè)FDS輸入文件。FDS的輸入文件包括以下信息：計(jì)算域的大小、數(shù)字網(wǎng)格的大小、計(jì)算域內(nèi)物體的幾何形狀、火源的設(shè)定、燃料類(lèi)型、熱時(shí)放速率、材料的熱物性、邊界條件等。

2）運(yùn)行FDS，得到一個(gè)或多個(gè)輸出文件。FDS的輸出參數(shù)主要是密度、溫度、速度、壓力、熱釋放率、燃燒產(chǎn)物的濃度、能見(jiàn)度以及熱流和輻射對(duì)流等。計(jì)算中想要得到在什么位置的什么參數(shù)的數(shù)據(jù)，計(jì)算前必須在輸入文件中進(jìn)行提前設(shè)定，一旦開(kāi)始計(jì)算就無(wú)法中斷計(jì)算來(lái)修改輸入文件。FDS數(shù)據(jù)的輸出形式主要有以下幾種：

a、以在計(jì)算區(qū)域內(nèi)任何位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)，獲得所需參數(shù)在該位置隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

b、獲得任意位置二維平面各種參數(shù)的變化。

c、得到特定參數(shù)在三維空間內(nèi)的等值面圖。

d、獲得某一特定時(shí)間內(nèi)所設(shè)定參數(shù)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，可以用二維或三維圖片的形式表示這些數(shù)據(jù)。

3）運(yùn)行Smokeview來(lái)查看和分析第2步得到的輸出文件，運(yùn)行Smokeview時(shí)可雙擊文件case-name1smv或直接在命令行輸入Smokeview Case-name1Smoke view。Smokeview也可以用于創(chuàng)建新的障礙物和修改原來(lái)障礙物的屬性，這種對(duì)障礙物的修改將被保存在一個(gè)新的FDS輸入數(shù)據(jù)文件casename1data里。

FDS以網(wǎng)格作為最小計(jì)算單位，網(wǎng)格的大小是模型中最重要的數(shù)字參數(shù)，它規(guī)定了模型內(nèi)部偏微分方程在空間和時(shí)間上的精度。FDS在每一個(gè)離散時(shí)間步內(nèi)計(jì)算出每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的溫度、密度、壓力、速度和化學(xué)成分等因此，良好的網(wǎng)格劃分能得到較精確的計(jì)算結(jié)果，而如何實(shí)現(xiàn)“好”的劃分則并非易事。理論上講，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確，而一個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景通常有數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)的網(wǎng)格，以及成千上萬(wàn)個(gè)時(shí)問(wèn)步。因此，考慮到計(jì)算機(jī)的性能和對(duì)計(jì)算時(shí)間的控制，這種理論方法實(shí)踐起來(lái)非常困難。FDS在對(duì)空間和時(shí)間的預(yù)測(cè)上具有二階精度，即對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行一次二分能降低方程的離散錯(cuò)誤。但由于方程是非線性的，降低離散錯(cuò)誤可能不會(huì)同等地降低輸出結(jié)果的錯(cuò)誤。[2]

2 數(shù)值模擬技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)火災(zāi)事故類(lèi)型的分析通常由專業(yè)人員采用長(zhǎng)期工作積累的經(jīng)驗(yàn)、或采用半經(jīng)驗(yàn)的方式，很少有數(shù)值模擬手段應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查。Daniel Madrzykowski等人應(yīng)用FDS火災(zāi)模擬軟件模擬了美國(guó)華盛頓的一起真實(shí)的室內(nèi)火災(zāi)?；馂?zāi)模擬的資料是根據(jù)火災(zāi)調(diào)查機(jī)構(gòu)提供的真實(shí)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況為依據(jù)，確定了火災(zāi)熱釋放速率、特殊部位的溫度、火場(chǎng)中煙氣的流動(dòng)方向和速度、氧氣濃度、室內(nèi)壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)。起火建筑為三層，根據(jù)火災(zāi)調(diào)查報(bào)告的認(rèn)定，發(fā)生火災(zāi)是由位于地下室天花板內(nèi)的電器設(shè)備引起的，開(kāi)始在地下室內(nèi)蔓延并且在地下室內(nèi)發(fā)生了轟然，從地下室通向樓梯處的門(mén)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，使一層建筑有了煙氣和熱量的積累。從FDS模擬的結(jié)果來(lái)看，火勢(shì)是沿著天花板開(kāi)始蔓延，散落下的火星引燃了室內(nèi)的其他可燃物，直至地下室內(nèi)的氧氣被消耗盡。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家以及火災(zāi)調(diào)查工作者在火災(zāi)事故調(diào)查工作中對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用證明，F(xiàn)DS能夠很好的重現(xiàn)真實(shí)的火災(zāi)場(chǎng)景。利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS建立實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模型，對(duì)真實(shí)的火災(zāi)事故進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)火災(zāi)事故結(jié)果的準(zhǔn)確性是一種很好的研究方法。在建模時(shí)需要清晰知道起火建筑物的詳細(xì)資料，包括建筑物尺寸及材料、內(nèi)部裝修材料、建筑物的開(kāi)口大小、當(dāng)時(shí)的通風(fēng)及天氣狀況、周?chē)ㄖ锏牟季值龋@些資料可通過(guò)火災(zāi)調(diào)查機(jī)構(gòu)或部門(mén)、氣象部門(mén)獲得。通過(guò)采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件（FDS），對(duì)可能的起火點(diǎn)、起火原因建立火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬，可以計(jì)算火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵部位的火場(chǎng)溫度、可見(jiàn)度、煙氣層溫度及高度、氧氣和一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘探的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，排除不合理的起火點(diǎn)、起火原因及人員死亡原因，為火災(zāi)調(diào)查人員提供合理的依據(jù)，解決了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)看勘察很難確定的問(wèn)題，進(jìn)一步完善了火災(zāi)調(diào)查報(bào)告的準(zhǔn)確性。對(duì)模擬過(guò)程中的火災(zāi)蔓延趨勢(shì)的再現(xiàn)，也為采取消防保護(hù)措施提供了依據(jù)。為火災(zāi)調(diào)查逐漸實(shí)現(xiàn)定性向定量研究發(fā)展轉(zhuǎn)化，以指導(dǎo)火災(zāi)調(diào)查工作的進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對(duì)火災(zāi)事故調(diào)查的嚴(yán)密性，數(shù)值模擬技術(shù)將能將廣泛用來(lái)輔助火災(zāi)事故調(diào)查。

3 結(jié)論

綜上所述，火災(zāi)的數(shù)值模擬重建對(duì)我們調(diào)查火災(zāi)的發(fā)生和蔓延具有重要意義。FDS在對(duì)有焰燃燒的火災(zāi)事故模擬，較真實(shí)的重現(xiàn)火災(zāi)場(chǎng)景，并且已經(jīng)成為火災(zāi)事故調(diào)查不可或缺的技術(shù)手段，能夠很好的輔助火災(zāi)調(diào)查工作人員進(jìn)行火災(zāi)事故調(diào)查，對(duì)有異議的火災(zāi)事故結(jié)論提供更加可信的依據(jù)并將在火災(zāi)調(diào)查中的發(fā)揮更為巨大的作用。

［1］薛偉,張光俊.FDS火災(zāi)模擬與應(yīng)用[J].吉林林業(yè)科技,2006,6(35)：18-19.

［2］房玉東.細(xì)水霧與火災(zāi)煙氣相互作用的模擬研究[D].合肥:中國(guó)科技大學(xué),2006：107-108.