淺談火災(zāi)模擬技術(shù)在消防領(lǐng)域的發(fā)展

彭海峰

【摘 要】運用計算機進行火災(zāi)模擬可以簡化和近似火災(zāi)的機理和規(guī)律，使其更多的被應(yīng)用到火災(zāi)研究工作當(dāng)中。本文介紹火災(zāi)模擬技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用和意義，著重分析幾款常用模擬軟件的作用。

【關(guān)鍵詞】計算機模擬 火災(zāi)模型 模擬軟件 消防

【中圖分類號】 F224-39【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0449-01

一、概述

火災(zāi)模擬是研究火災(zāi)在一定條件下孕育、發(fā)生和發(fā)展的機理和規(guī)律。模擬研究的理論基礎(chǔ)是承認火災(zāi)過程遵循確定性的規(guī)律，這種規(guī)律既可以在模擬實驗中再現(xiàn)，也可以抽象成控制火災(zāi)過程的數(shù)學(xué)表達式。模擬研究的意義是可以通過簡化和近似，逐個研究影響火災(zāi)的各個分過程和各主要因素的作用，逐步解釋火災(zāi)的機理和規(guī)律。

二、火災(zāi)模擬在消防領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）在建筑防火設(shè)計中的應(yīng)用

火災(zāi)模擬技術(shù)為建筑防火設(shè)計和消防安全評估提供了新的科學(xué)工具。建筑設(shè)計人員可以隨設(shè)計項目建立模型，預(yù)測該建筑可能發(fā)生火災(zāi)的情況，或是設(shè)定火災(zāi)場景。根據(jù)計算機模擬得到的數(shù)據(jù)來測算和確定各處建筑構(gòu)件、材料與組件、消防設(shè)備的使用，以體現(xiàn)“性能化”設(shè)計的目的。

（二）在火災(zāi)事故調(diào)查工作中的應(yīng)用

計算機火災(zāi)模型還可以用于火災(zāi)事故調(diào)查。技術(shù)人員運用仿真技術(shù)在計算機上建立建筑模型，模擬火災(zāi)過程，將得出的數(shù)據(jù)和結(jié)果與火災(zāi)現(xiàn)場勘驗的數(shù)據(jù)和目擊者提供的情況進行比較，可以較準確地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的全過程，為火災(zāi)調(diào)查提供科學(xué)依據(jù)。另外，通過調(diào)查火災(zāi)參數(shù)設(shè)置，還可以對已做出的火災(zāi)事故原因進行判斷，以驗證其準確性。

（三）在滅火實戰(zhàn)與訓(xùn)練中的應(yīng)用

消防機構(gòu)可以運用火災(zāi)模擬技術(shù)，建立重點單位或重點部位的模型，通過模擬的方法，制定該單位滅火救援預(yù)案。假如該單位真的發(fā)生火災(zāi)，該系統(tǒng)能夠幫助滅火指揮員在火場作出正確的判斷。此外，隨著計算機?；湍M技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，它還將為消防管理滅火訓(xùn)練人員疏散自救等提供新的手段和工具。

三、火災(zāi)模擬在消防領(lǐng)域的意義

火災(zāi)模擬技術(shù)針對火災(zāi)現(xiàn)場進行的事故分析和災(zāi)情回溯，可以幫助消防人員以及整個社會更加清晰認識、了解火災(zāi)發(fā)生的過程。當(dāng)前，我們對火災(zāi)事故發(fā)生后所能做的工作集中在事故現(xiàn)場清理，現(xiàn)場物證提取，火災(zāi)案情分析等工作，這一類工作也主要用于幫助消防人員來進行火災(zāi)事故責(zé)任指證等案情工作。如果將整個火災(zāi)事故分析結(jié)果進行較真實的三維還原模擬，那么既可以作為案情分析的又一有利工具，也可以將最終定案的結(jié)果作為火災(zāi)預(yù)防的宣傳材料。同時，以虛擬現(xiàn)實和三維仿真為基礎(chǔ)的火災(zāi)模擬可以在分析火災(zāi)案情的過程中快速建立起相關(guān)方案的完整事故模擬流程，用以進行預(yù)測方案的演練和佐證，也可用作火災(zāi)預(yù)防的宣傳和教育，真正的做到“前車之覆，后車之鑒”。

四、常用的火災(zāi)模擬軟件

當(dāng)前主發(fā)的火災(zāi)模擬軟件包括：設(shè)計火災(zāi)場景的時候計算火災(zāi)功率用的DETAT-QS、ARGOS等，計算火災(zāi)煙氣用的FDS、FLUENT、C F A S T、P H O E N I C S等，計算人員疏散的有E V A C N E T、BUILDINGEXODUS、SIMULEX、STEPS等。這里主要介紹以下幾款軟件：

（一）CFAST

CFAST可以用來預(yù)測用戶設(shè)定火源條件下建筑內(nèi)的火災(zāi)環(huán)境，用戶需要輸入建筑內(nèi)多個房間的幾何尺寸和連接各房間的門窗等開口情況、壁面結(jié)構(gòu)的熱物性參數(shù)、火源的熱釋放速率或質(zhì)量燃燒速率以及燃燒產(chǎn)物的生成速率。該模型可以預(yù)測各個房間內(nèi)上部煙氣層和下部空氣層的溫度、煙氣層界面位置以及典型的氣體體積分數(shù)隨時間的變化， 同時還可以計算房間壁面的溫度、通過壁面的傳熱以及通過開口的質(zhì)量流率。CFA S T 還能處理機械通風(fēng)和存在多個火源的情況。

（二）FDS

FDS軟件是由NIST開發(fā)的一種以火災(zāi)中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學(xué)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的 N-S方程，重點計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程。FDS提供了兩種數(shù)值模擬方法：直接數(shù)值模擬（D N S）和大渦模擬（LES）。

（三）FLUENT

FLUENT是世界領(lǐng)先的CFD軟件，在流體建模中被廣泛應(yīng)用。 該軟件采用有限體積方法， 提供3種數(shù)值算法，即S e g regated Solver、Coupled Explicit Solver 和Coupled Implicit Solver ，而其他商用CFD 軟件僅能提供1 種。 FLUENT的網(wǎng)格生成器（GAMBIT）具備突出的非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格生成能力， 被公認為目前商用CFD軟件最優(yōu)秀的前置處理器。

FLUENT軟件提供了豐富的物理模型，包括理想氣體模型、真實氣體模型、多種燃燒模型、各種物性參數(shù)，以及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)模型、傳熱模型、針對外流場與內(nèi)流的特定的邊界條件等。另外，軟件包含8種工程上常用的湍流模型， 而每一種模型又有若干子模型。 其他任何軟件都不能像 F LU EN T 這樣提供如此豐富的物理模型。

FLUENT具有強大的后置處理功能，能夠完成CFD計算所要求的功能，包括速度矢量圖、等值線圖、等值面圖、流動軌跡圖，并具有積分功能，可以求得力、力矩及其對應(yīng)的力和力矩系數(shù)、流量等。對于用戶關(guān)心的參數(shù)和計算的誤差， 此軟件可以隨時進行動態(tài)跟蹤顯示。另外，該軟件一直以界面友好而著稱， 所以對初學(xué)者來說非常容易上手。

（四）Building EXODUS

Building EXODUS是英國格林威治大學(xué)開發(fā)的一種疏散模擬軟件，與其他疏散軟件最大不同之處在于： EXODUS考慮了疏散人員之間、疏散人員與火災(zāi)之間以及疏散人員與建筑之間的相互作用，將社會因結(jié)合到人的行為和運動中， 因此能夠在更短的時間內(nèi)測試更多設(shè)計方案的疏散性能， 從而找到最優(yōu)的解決方法， 擺脫了用人做實驗所帶來的高成本及潛在危險性。它也能夠運用輸入的 CA D 制圖作為數(shù)據(jù)， 用于計算，并顯示建筑物在人員疏散時的“瓶頸”，能夠方便地評價不同設(shè)計， 以確定一個最優(yōu)解決方案， 這為設(shè)計者提供了更大的設(shè)計彈性， 提高了安全水平。

Bu ilding EXOD S 適用于超市、醫(yī)院、工業(yè)建筑、火車站、機場、體育館、電影院、購物中心、高層建筑等。無 論是單一模擬還是眾多模擬，運用Building EXODUS均可以產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，電子表格軟件可以對這些數(shù)據(jù)進行較好的分析。Building EXODUS 能夠檢查大量不同因素對特定場景的影響， 通過改變具體參數(shù)而檢查影響（行為、程序、環(huán)境和構(gòu)造）產(chǎn)生的結(jié)果。此外，Building EXODUS能夠演示圖表模擬的結(jié)果，允許更多直接的平均值解釋模擬的結(jié)果。

參考文獻

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