一級(jí)消防工程師綜合能力考點(diǎn)：火災(zāi)模擬軟件選取

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火災(zāi)模擬軟件選取

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實(shí)際對(duì)象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計(jì)算假設(shè)等因素都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，各個(gè)軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對(duì)某一工程設(shè)計(jì)，如性能化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選擇最合適的軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬是一比較重要的問題。

一、火災(zāi)模擬

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實(shí)際對(duì)象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計(jì)算假設(shè)等因素都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。

（一）概述

火災(zāi)數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的重要內(nèi)容之一，但由于火災(zāi)現(xiàn)象的復(fù)雜性，近幾十年來才建立起描述火災(zāi)現(xiàn)象的實(shí)用數(shù)學(xué)模型?；馂?zāi)模型主要分為確定性模型和隨機(jī)性模型。

火災(zāi)數(shù)值模型主要有專家系統(tǒng)（Expert System）、區(qū)域模型（Zone Model）、場模型（Field Model）、網(wǎng)絡(luò)模型（Network Model）和混合模型（Hybrid Model）。場模型也即CFD模型，主要是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細(xì)的物理量的時(shí)空分布，能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得CFD模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

目前用于火災(zāi)模擬的CFD模型主要有：FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專門針對(duì)火災(zāi)模擬而開發(fā)的CFD軟件，簡單易用。因此，在火災(zāi)模擬中應(yīng)用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計(jì)算流體力學(xué)的通用軟件，將其用于火災(zāi)模擬需要有較強(qiáng)的流體力學(xué)背景。因此，應(yīng)用較少。目前，國內(nèi)外對(duì)FDS的研究比較多，而對(duì)于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究則較少，對(duì)各個(gè)軟件的對(duì)比研究更少。

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實(shí)際對(duì)象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計(jì)算假設(shè)等因素都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，怎樣才能使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可信是一個(gè)急需解決的問題。同時(shí)，各個(gè)軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對(duì)某一工程設(shè)計(jì)，如性能化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選擇最合適的軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬是一比較重要的問題。因此，為了能夠更好地利用CFD模型進(jìn)行火災(zāi)模擬，有必要對(duì)他們進(jìn)行系統(tǒng)研究。

驗(yàn)證（veriifcation）與確認(rèn)（validation）是評(píng)價(jià)數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對(duì)CFD軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對(duì)于計(jì)算結(jié)果的可信度，CFD研究人員并不能給出明確的回答。這使得CFD軟件的使用者對(duì)CFD也持一種矛盾的心態(tài)，既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)工具，又對(duì)CFD的計(jì)算結(jié)果心存疑慮。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計(jì)算和模擬實(shí)體火災(zāi)的方式，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

（二）選取

從軟件易用性來看，火災(zāi)專用模擬軟件相對(duì)簡單，在應(yīng)用中不需要作復(fù)雜設(shè)置，使用者只需掌握火災(zāi)基本知識(shí)即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對(duì)使用者要求較高，使用者需要對(duì)流體力學(xué)有深入了解，才能得到合理結(jié)果，因此，一般火災(zāi)模擬選擇專用軟件為宜。

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)所模擬問題的適用性及預(yù)測能力，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。

從模擬準(zhǔn)確性來看，火災(zāi)專用模擬軟件由于是專門針對(duì)火災(zāi)開發(fā)，在概念模型層面相對(duì)于通用軟件更接近于真實(shí)模型，其數(shù)學(xué)模型更能反映火災(zāi)過程，因此，一般情況下，建議選擇火災(zāi)專用軟件，除非在專用軟件無法模擬的情況下才選擇通用軟件。

使用火災(zāi)專用軟件時(shí)，應(yīng)著重考慮網(wǎng)格獨(dú)立性、邊界條件設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時(shí)，還應(yīng)考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

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)測能力研究，如火場溫度、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）、火場能見度等。

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)于比較常見的火災(zāi)場景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來模擬分析，而對(duì)一些特殊的場景，如火災(zāi)在狹長雙層玻璃幕墻內(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)模擬程序，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。

用Steckler房間火試驗(yàn)，對(duì)PHONEICS和FLUENT進(jìn)行了確認(rèn)研究，就該類實(shí)例來說，F(xiàn)LUENT的準(zhǔn)確度要高于PHENICS，但就工程應(yīng)用來說，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，兩者的模擬結(jié)果一般可滿足工程需要。

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)場景下的火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)研究，以便更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚哦取?

二、疏散模擬

當(dāng)前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個(gè)，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時(shí)一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問題與模型的適用性來進(jìn)行選擇。

（一）概述

建筑防火設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設(shè)計(jì)，是要求所設(shè)計(jì)的疏散設(shè)施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時(shí)間安全疏散到安全的地方。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括建筑的安全出口、疏散樓梯的寬度、疏散距離是否滿足建筑內(nèi)使用人員的疏散需要，人員的疏散所需時(shí)間是否大于火災(zāi)條件下的可用疏散時(shí)間。

安全疏散時(shí)間判據(jù)，主要按照火災(zāi)發(fā)展與人員疏散時(shí)間為同時(shí)沿一條不可逆的時(shí)間線進(jìn)行，保證建筑物內(nèi)人員安全疏散完畢所需時(shí)間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間。

火災(zāi)中人的疏散過程是在人的意識(shí)干預(yù)下，感知、認(rèn)知火災(zāi)和環(huán)境信息與行為決策以及執(zhí)行決策的過程，是一種在時(shí)間壓力下的人體位移。由于人的行為受到年齡、身高、體重、敏捷度、習(xí)性、行動(dòng)能力等心理與生理狀態(tài)和文化背景與受教育程度的影響，十分復(fù)雜，同時(shí)人員在建筑內(nèi)的實(shí)際狀況以及建筑空間特性，如人員的分布情形、熟悉環(huán)境的程度、人數(shù)及其組成和樓梯或出口的寬度、照明、走道寬度、數(shù)量、建筑高度等都對(duì)人員疏散結(jié)束所需時(shí)間和可用于人員疏散的時(shí)間有很大影響。

人員疏散時(shí)間為火災(zāi)探測報(bào)警時(shí)間、人員預(yù)動(dòng)時(shí)間與人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間之和。在計(jì)算疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來考慮設(shè)計(jì)計(jì)算中的不確定性因素。

在人員安全疏散的研究方面，由于對(duì)所采取的措施是否能達(dá)到性能化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)如何對(duì)保證人員生命安全的目標(biāo)進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)都缺乏科學(xué)依據(jù)，所以全世界在這方面的研究都處于起步階段。人員疏散軟件方面，有關(guān)研究人員在不斷加大這方面軟件的研究開發(fā)力度。國外從20世紀(jì)80年代初開始就展開了人員疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及疏散模擬軟件方面的研究，并把疏散研究的成果及時(shí)的應(yīng)用到了建筑性能化設(shè)計(jì)中，我國也于近年來展開了這方面的研究。

（二）疏散模型分類

人員疏散計(jì)算方法主要有兩種：水力模型和人員行為模型。

1.水力疏散模型

最常用的方法是水力疏散模型，它通過將人在疏散通道內(nèi)的走動(dòng)模擬為水在管道內(nèi)的流動(dòng)來進(jìn)行計(jì)算。這一方法的缺點(diǎn)是它完全忽略掉了人的個(gè)體特性，而將人群的疏散作為一種整體運(yùn)動(dòng)。水力疏散模型通常對(duì)人員疏散過程作如下保守假設(shè)：

1）疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點(diǎn)；

2）疏散人員是清醒的，在疏散開始的時(shí)刻一起井然有序地進(jìn)行疏散，且人員在疏散過程中不會(huì)中途返回選擇其它疏散路徑；

3）在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進(jìn)行分配；

4）人員從各個(gè)疏散門扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

2.人員行為模型

人員行為模型模擬人在火災(zāi)中的行為，綜合考慮了人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用。這類模型能夠從一定程度上反映火災(zāi)時(shí)個(gè)人的特性對(duì)人員疏散的影響，但由于“火災(zāi)中人的反應(yīng)與行為”仍舊是一個(gè)較新的領(lǐng)域，對(duì)其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類模型時(shí)要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過實(shí)際疏散實(shí)驗(yàn)或演習(xí)驗(yàn)證的模型為首選。

當(dāng)前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個(gè)，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時(shí)一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問題與模型的適用性來進(jìn)行選擇。下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點(diǎn)，對(duì)這些軟件進(jìn)行適當(dāng)分類。

1）一般分類

疏散模型在處理疏散的一般問題時(shí)，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法。

優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進(jìn)行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認(rèn)為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類模型適用于大量的人群或?qū)⑺腥藛T當(dāng)作一個(gè)有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個(gè)體行為。

模擬法試圖表現(xiàn)實(shí)際的疏散行為與運(yùn)動(dòng)，不僅要得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而且要反映疏散時(shí)選擇的疏散路線及人員所做的決定。由于各個(gè)模型在考慮人員行為時(shí)的詳細(xì)程度不同，因此結(jié)果的準(zhǔn)確度也不相同。