淺談火災模擬技術在消防領域的發展

彭海峰

【摘 要】運用計算機進行火災模擬可以簡化和近似火災的機理和規律，使其更多的被應用到火災研究工作當中。本文介紹火災模擬技術在消防領域的應用和意義，著重分析幾款常用模擬軟件的作用。

【關鍵詞】計算機模擬 火災模型 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

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

二、火災模擬在消防領域的應用

（一）在建筑防火設計中的應用

火災模擬技術為建筑防火設計和消防安全評估提供了新的科學工具。建筑設計人員可以隨設計項目建立模型，預測該建筑可能發生火災的情況，或是設定火災場景。根據計算機模擬得到的數據來測算和確定各處建筑構件、材料與組件、消防設備的使用，以體現“性能化”設計的目的。

（二）在火災事故調查工作中的應用

計算機火災模型還可以用于火災事故調查。技術人員運用仿真技術在計算機上建立建筑模型，模擬火災過程，將得出的數據和結果與火災現場勘驗的數據和目擊者提供的情況進行比較，可以較準確地發現火災發生和發展的全過程，為火災調查提供科學依據。另外，通過調查火災參數設置，還可以對已做出的火災事故原因進行判斷，以驗證其準確性。

（三）在滅火實戰與訓練中的應用

消防機構可以運用火災模擬技術，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案。假如該單位真的發生火災，該系統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技術不斷發展和成熟，它還將為消防管理滅火訓練人員疏散自救等提供新的手段和工具。

三、火災模擬在消防領域的意義

火災模擬技術針對火災現場進行的事故分析和災情回溯，可以幫助消防人員以及整個社會更加清晰認識、了解火災發生的過程。當前，我們對火災事故發生后所能做的工作集中在事故現場清理，現場物證提取，火災案情分析等工作，這一類工作也主要用于幫助消防人員來進行火災事故責任指證等案情工作。如果將整個火災事故分析結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果作為火災預防的宣傳材料。同時，以虛擬現實和三維仿真為基礎的火災模擬可以在分析火災案情的過程中快速建立起相關方案的完整事故模擬流程，用以進行預測方案的演練和佐證，也可用作火災預防的宣傳和教育，真正的做到“前車之覆，后車之鑒”。

四、常用的火災模擬軟件

當前主發的火災模擬軟件包括：設計火災場景的時候計算火災功率用的DETAT-QS、ARGOS等，計算火災煙氣用的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可以用來預測用戶設定火源條件下建筑內的火災環境，用戶需要輸入建筑內多個房間的幾何尺寸和連接各房間的門窗等開口情況、壁面結構的熱物性參數、火源的熱釋放速率或質量燃燒速率以及燃燒產物的生成速率。該模型可以預測各個房間內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量流率。CFA S T 還能處理機械通風和存在多個火源的情況。

（二）FDS

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

（三）FLUENT

FLUENT是世界領先的CFD軟件，在流體建模中被廣泛應用。 該軟件采用有限體積方法， 提供3種數值算法，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的網格生成器（GAMBIT）具備突出的非結構化的網格生成能力， 被公認為目前商用CFD軟件最優秀的前置處理器。

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，以及旋轉系統模型、傳熱模型、針對外流場與內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、力矩及其對應的力和力矩系數、流量等。對于用戶關心的參數和計算的誤差， 此軟件可以隨時進行動態跟蹤顯示。另外，該軟件一直以界面友好而著稱， 所以對初學者來說非常容易上手。

（四）Building EXODUS

Building EXODUS是英國格林威治大學開發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、疏散人員與火災之間以及疏散人員與建筑之間的相互作用，將社會因結合到人的行為和運動中， 因此能夠在更短的時間內測試更多設計方案的疏散性能， 從而找到最優的解決方法， 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 制圖作為數據， 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計， 以確定一個最優解決方案， 這為設計者提供了更大的設計彈性， 提高了安全水平。

Bu ilding EXOD S 適用于超市、醫院、工業建筑、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均可以產生大量數據，電子表格軟件可以對這些數據進行較好的分析。Building EXODUS 能夠檢查大量不同因素對特定場景的影響， 通過改變具體參數而檢查影響（行為、程序、環境和構造）產生的結果。此外，Building EXODUS能夠演示圖表模擬的結果，允許更多直接的平均值解釋模擬的結果。

參考文獻

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