火災(zāi)數(shù)值模型的驗(yàn)證和確認(rèn)

智會(huì)強(qiáng)，牛坤，姜明理，黃益良

(公安部天津消防研究所，天津300381)

目前，火災(zāi)模擬已在火災(zāi)科學(xué)研究、性能化防火設(shè)計(jì)、火災(zāi)調(diào)查、消防指揮決策系統(tǒng)等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，其在火災(zāi)科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色?；馂?zāi)數(shù)值模型能否真實(shí)的反映現(xiàn)實(shí)火災(zāi)、模擬精度如何，是需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。尤其是在性能化設(shè)計(jì)中，火災(zāi)模擬的可信度直接關(guān)系到設(shè)計(jì)結(jié)果的可信度。數(shù)值模型的驗(yàn)證和確認(rèn)，簡(jiǎn)稱V＆V，是數(shù)值模擬的一個(gè)重要組成部分，其目的是為了評(píng)估模擬程序和物理模型的可靠性，并量化數(shù)值模擬程序計(jì)算結(jié)果的置信度［1-2］。本文重點(diǎn)介紹數(shù)值模型驗(yàn)證和確認(rèn)的研究現(xiàn)狀及驗(yàn)證和確認(rèn)的基本內(nèi)容和方法，最后舉例說(shuō)明火災(zāi)模型確認(rèn)過(guò)程?；馂?zāi)數(shù)值模型中，場(chǎng)模型也即CFD模型應(yīng)用最為廣泛，因此，本文主要針對(duì)火災(zāi)場(chǎng)模型展開(kāi)論述。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 確認(rèn)和驗(yàn)證

對(duì)于火災(zāi)模型來(lái)說(shuō)，ASTM E1355《確定性火災(zāi)模型預(yù)測(cè)能力評(píng)估指南》和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO16730《消防安全工程-計(jì)算方法的評(píng)估、驗(yàn)證、確認(rèn)》所給出的定義為:驗(yàn)證是確定計(jì)算方法反映概念性模型的準(zhǔn)確程度及求解精確程度的過(guò)程;確認(rèn)是確定計(jì)算方法反映真實(shí)場(chǎng)景的真實(shí)程度的過(guò)程［2-5］。

1.2 CFD模型的驗(yàn)證和確認(rèn)研究

CFD可信度評(píng)價(jià)研究在國(guó)外大多集中于航空航天領(lǐng)域，1998年，美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)發(fā)布了《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)指南》，這是世界上第一個(gè)CFD驗(yàn)證和確認(rèn)、可信度評(píng)價(jià)的指南。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于CFD可信度的研究也正逐步受到重視，相關(guān)單位安排組織了若干氣動(dòng)外形的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比研究，空氣動(dòng)力學(xué)預(yù)研基金也設(shè)立專題開(kāi)展CFD可信度研究［6-7］。

1.3 火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)研究

關(guān)于火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)，國(guó)外也已開(kāi)展了一系列相關(guān)研究，而國(guó)內(nèi)研究則處于起步階段。1997年，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1355《確定性火災(zāi)模型預(yù)測(cè)能力評(píng)估指南》，對(duì)于火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)進(jìn)行了概念性的規(guī)定; 2003年美國(guó)核能管理研究所、電力研究院和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院對(duì)核電站的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究，并發(fā)布了《用于核電站的可選火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)》，在該報(bào)告中，對(duì)FDS、CFAST等火災(zāi)模型應(yīng)用于核電廠的情形進(jìn)行了驗(yàn)證和確認(rèn)研究;美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)在ASTM E1355的基礎(chǔ)上，對(duì)其開(kāi)發(fā)的FDS軟件進(jìn)行了較多的驗(yàn)證和確認(rèn)工作，并出版了專門的技術(shù)文件《FDS技術(shù)指南第二卷驗(yàn)證》和《FDS技術(shù)指南第三卷確認(rèn)》［8-9］。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO16730《火災(zāi)安全工程-計(jì)算方法的評(píng)估、驗(yàn)證、確認(rèn)》中給出了計(jì)算方法(包括火災(zāi)模型)驗(yàn)證和確認(rèn)的一般程序。但國(guó)內(nèi)外對(duì)通用CFD模型PHOENICS、FLUENT等用于火災(zāi)模擬時(shí)的可信度研究則較少。

2 火災(zāi)模型驗(yàn)證和確認(rèn)的方法

ISO16730中規(guī)定了驗(yàn)證和確認(rèn)的一般程序，見(jiàn)圖1所示。

對(duì)于火災(zāi)模擬來(lái)說(shuō)，在編制計(jì)算軟件之前，首先要將真實(shí)的火災(zāi)過(guò)程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的概念模型，結(jié)合火災(zāi)過(guò)程的特性分析，再將概念模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，主要為描述火災(zāi)過(guò)程的微分方程組，進(jìn)而就可以編制程序，利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。編制的程序能否真實(shí)反應(yīng)火災(zāi)過(guò)程的概念模型，就需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程的目的旨在檢驗(yàn)代碼是否能正確求解數(shù)學(xué)模型所描述的方程組，主要包括:

1)代碼檢驗(yàn):檢驗(yàn)程序代碼是否正確，能否正確地求解描述火災(zāi)的微分方程?？梢岳梅匠痰木_解或構(gòu)造解來(lái)判斷程序代碼是否正確。

2)時(shí)間和空間離散化:離散方法、離散格式能否滿足求解要求。

3)迭代收斂性和相容性檢驗(yàn):檢查所用的求解方法能否滿足數(shù)值穩(wěn)定性，能否使方程快速收斂到正確的節(jié)，收斂準(zhǔn)則是否合適。求解精度一般由簡(jiǎn)單模型問(wèn)題的精確解來(lái)確定，它是計(jì)算機(jī)代碼正確求解概念模型的證實(shí)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)求解過(guò)程是否正確，重點(diǎn)考察計(jì)算模型的誤差，而不是建立概念模型與真實(shí)世界之間的關(guān)系。

圖中1所描述的確認(rèn)過(guò)程主要是將程序的計(jì)算結(jié)果和真實(shí)的火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證計(jì)算程序是否能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)火災(zāi)。確認(rèn)過(guò)程中，求解精度一般由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定，強(qiáng)調(diào)求解問(wèn)題是否正確，考察的是模擬模型的誤差。對(duì)比試驗(yàn)的選取應(yīng)該有代表性，應(yīng)對(duì)各類不同的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，如煙氣流動(dòng)試驗(yàn)、火災(zāi)蔓延試驗(yàn)等確認(rèn)火災(zāi)模型對(duì)各種不同火災(zāi)過(guò)程的適用性。確認(rèn)過(guò)程還應(yīng)選擇不同的火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行研究，如溫度、速度、濃度、熱釋放速率、輻射熱通量等確定其對(duì)不同參數(shù)的預(yù)測(cè)能力。

3 驗(yàn)證和確認(rèn)實(shí)例

在火災(zāi)模擬研究中，主要應(yīng)用成熟的商業(yè)軟件或?qū)Ｓ玫幕馂?zāi)模擬軟件，這些軟件的驗(yàn)證一般在軟件編制和測(cè)試過(guò)程中會(huì)有較多研究，而其確認(rèn)過(guò)程顯得更為重要。因此，所舉實(shí)例為通用軟件Fluent的一個(gè)確認(rèn)研究。主要用Fluent的模擬值和Steckler房間火試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，以考察軟件對(duì)該類火災(zāi)過(guò)程模擬的準(zhǔn)確性。Steckler等人在1982年開(kāi)展了一系列單室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究燃燒導(dǎo)致的流動(dòng)，對(duì)溫度、速度場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已被多種區(qū)域模型或場(chǎng)模型用于模型確認(rèn)研究。

3.1 試驗(yàn)條件

如圖2所示，Steckler房間火試驗(yàn)是在穩(wěn)態(tài)火情況下完成的，試驗(yàn)房間長(zhǎng)2.8 m、寬2.8 m、高2.18 m，房間開(kāi)口(可以為門或窗戶)尺寸、火源位置和熱釋放速率在各試驗(yàn)中有一系列變化，本次試驗(yàn)房間開(kāi)口為窗戶。在窗戶處設(shè)有速度探頭和熱電偶各12只，熱電偶的垂直間距和速度探頭的垂直間距均為0.114 m。在房間的角落處設(shè)置了18只熱電偶，熱電偶垂直間距0.114 m，角落處測(cè)試點(diǎn)距離附近兩側(cè)墻壁各0.305 m。本次模擬的基本實(shí)驗(yàn)條件如下:火源布置在房間的中間位置，火源直徑30 cm，燃燒物質(zhì)為甲烷，熱釋放率為62.9 kW，窗戶寬0.74 m，窗戶高1.38 m，窗檐高1.83 m，室外溫度為26℃。

3.2 模擬參數(shù)設(shè)置

湍流模型采用大渦模擬模型，輻射模型采用離散坐標(biāo)(Discrete Ordinates，DO)輻射模型，燃燒模擬采用體積熱源法，網(wǎng)格大小為:0.05 m×0.05 m×0.05 m，環(huán)境初始溫度為26℃。

3.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果及模擬結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4所示。從速度曲線來(lái)看，兩個(gè)曲線比較吻合，窗口處速度為零的位置即為中性面的位置，從圖3可以看到，試驗(yàn)測(cè)得的中性面高度為1.045 m，模擬所得的中性面高度為1.00 m，可見(jiàn)，模擬結(jié)果是比較精確的。圖4和圖5為溫度實(shí)驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比圖，可以看到在高度低于1.0 m時(shí)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值比較吻合，相對(duì)誤差在6%以內(nèi)，當(dāng)高度大于1 m時(shí)，模擬值偏離試驗(yàn)值較大，但最大相對(duì)誤差不超過(guò)14%。從溫度值可以看出，F(xiàn)LUENT對(duì)于高溫?zé)煔獾臏囟饶M值高于試驗(yàn)值，模擬結(jié)果比較保守，對(duì)于溫度值來(lái)說(shuō)，模擬結(jié)果高于實(shí)驗(yàn)值，在工程分析中有利于保證結(jié)果的安全性。本文所采用的火災(zāi)模型為體積熱源模型，當(dāng)采用燃燒模型時(shí)，誤差應(yīng)該會(huì)相對(duì)較小。本例僅對(duì)較小空間內(nèi)的溫度、速度和中性面高度等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，只能說(shuō)明該軟件在同類場(chǎng)景下能夠基本反映現(xiàn)實(shí)火災(zāi)的發(fā)展情況。對(duì)于其他的不同場(chǎng)景，還需進(jìn)行更廣泛的確認(rèn)研究。

4 結(jié)論

1)利用火災(zāi)模型進(jìn)行數(shù)值分析前，應(yīng)著重考慮該模型對(duì)所模擬問(wèn)題的適用性及預(yù)測(cè)能力，一般情況下，需要事先利用相關(guān)試驗(yàn)(已有其他人員進(jìn)行的試驗(yàn)或自己進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn))對(duì)模型進(jìn)行確認(rèn)研究。

2)火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)應(yīng)包含其對(duì)各類火災(zāi)參數(shù)的預(yù)測(cè)能力研究，如火場(chǎng)溫度、熱輻射通量、反應(yīng)產(chǎn)物的濃度變化(著重研究CO、CO2、煙密度等)、火場(chǎng)能見(jiàn)度等。

3)對(duì)于通用的CFD軟件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其發(fā)展比較成熟，其程序一般能夠比較準(zhǔn)確的反應(yīng)其所確立的概念模型，因此，對(duì)這類模型可以著重于確認(rèn)研究;對(duì)于專用火災(zāi)模擬軟件，如FDS等，已經(jīng)進(jìn)行了較多的確認(rèn)和驗(yàn)證工作，對(duì)于比較常見(jiàn)的火災(zāi)場(chǎng)景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來(lái)模擬分析，而對(duì)一些特殊的場(chǎng)景，如火災(zāi)在狹長(zhǎng)雙層玻璃幕墻內(nèi)的蔓延模擬，還需進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)研究;對(duì)于自行編制的火災(zāi)模型，模型的驗(yàn)證工作是至關(guān)重要的，應(yīng)確保程序能夠準(zhǔn)確反映概念模型。

4)火災(zāi)發(fā)展具有確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，火災(zāi)試驗(yàn)的影響因素較多，在選擇確認(rèn)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇可重復(fù)性強(qiáng)的試驗(yàn)，并應(yīng)注重采用不同火災(zāi)場(chǎng)景下的火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)研究，以便于更好的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚哦取?/p>

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