2018年一级消防工程师《技术实务》重点：火灾模拟软件选取

在火灾模拟中，影响模拟结果准确性的因素比较多，如所建模型和实际对象的接近程度、网格的划分方法、网格的数量、网格尺寸、湍流模型的选择、各种计算假设等因素都会对模拟结果产生影响。同时，各个软件都有自己的优缺点和适用范围，对某一工程设计，如性能化设计项目，选择最合适的软件进行火灾模拟是一比较重要的问题。

一、火灾模拟

在火灾模拟中，影响模拟结果准确性的因素比较多，如所建模型和实际对象的接近程度、网格的划分方法、网格的数量、网格尺寸、湍流模型的选择、各种计算假设等因素都会对模拟结果产生影响。

(一)概述

火灾数值模拟是火灾研究的重要内容之一，但由于火灾现象的复杂性，近几十年来才建立起描述火灾现象的实用数学模型。火灾模型主要分为确定性模型和随机性模型。

火灾数值模型主要有老师系统(Expert System)、区域模型(Zone Model)、场模型(Field Model)、网络模型(Network Model)和混合模型(Hybrid Model)。场模型也即CFD模型，主要是利用计算流体动力学(CFD)技术对火灾进行模拟的模型，由于CFD模型可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象，加之高速、大容量计算机的发展，使得CFD模型得到了越来越广泛的应用。

目前用于火灾模拟的CFD模型主要有：FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是专门针对火灾模拟而开发的CFD软件，简单易用。因此，在火灾模拟中应用最为广泛。而PHOENICS和FLUENT是计算流体力学的通用软件，将其用于火灾模拟需要有较强的流体力学背景。因此，应用较少。目前，国内外对FDS的研究比较多，而对于PHOENICS和FLUENT在火灾模拟方面的应用研究则较少，对各个软件的对比研究更少。

在火灾模拟中，影响模拟结果准确性的因素比较多，如所建模型和实际对象的接近程度、网格的划分方法、网格的数量、网格尺寸、湍流模型的选择、各种计算假设等因素都会对模拟结果产生影响，怎样才能使模拟结果更加准确、可信是一个急需解决的问题。同时，各个软件都有自己的优缺点和适用范围，对某一工程设计，如性能化设计项目，选择最合适的软件进行火灾模拟是一比较重要的问题。因此，为了能够更好地利用CFD模型进行火灾模拟，有必要对他们进行系统研究。

验证(veriifcation)与确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段。长期以来，CFD工作者对CFD软件的验证与确认工作一直没有给予足够的重视。因此，对于计算结果的可信度，CFD研究人员并不能给出明确的回答。这使得CFD软件的使用者对CFD也持一种矛盾的心态，既想利用CFD这种快捷经济的设计工具，又对CFD的计算结果心存疑虑。如果有条件，可以结合数值计算和模拟实体火灾的方式，进一步验证模型的可靠性。

(二)选取

从软件易用性来看，火灾专用模拟软件相对简单，在应用中不需要作复杂设置，使用者只需掌握火灾基本知识即可得到合理的结果，而通用CFD软件对使用者要求较高，使用者需要对流体力学有深入了解，才能得到合理结果，因此，一般火灾模拟选择专用软件为宜。

利用火灾模型进行数值分析前，应着重考虑该模型对所模拟问题的适用性及预测能力，一般情况下，需要事先利用相关试验(已有其他人员进行的试验或自己进行相关试验)对模型进行确认研究。

从模拟准确性来看，火灾专用模拟软件由于是专门针对火灾开发，在概念模型层面相对于通用软件更接近于真实模型，其数学模型更能反映火灾过程，因此，一般情况下，建议选择火灾专用软件，除非在专用软件无法模拟的情况下才选择通用软件。

使用火灾专用软件时，应着重考虑网格独立性、边界条件设置对模拟结果的影响，使用通用软件时，还应考虑湍流模型、燃烧模型、辐射模型的选择。

火灾模型的验证和确认应包含其对各类火灾参数的预测能力研究，如火场温度、热辐射通量、反应产物的浓度变化(着重研究CO、CO2、烟密度等)、火场能见度等。

对于通用的CFD软件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其发展比较成熟，其程序一般能够比较准确的反应其所确立的概念模型，因此，对这类模型可以着重于确认研究;对于专用火灾模拟软件，如FDS等，已经进行了较多的确认和验证工作，对于比较常见的火灾场景，如建筑室内火灾等，可以直接用来模拟分析，而对一些特殊的场景，如火灾在狭长双层玻璃幕墙内的蔓延模拟，还需进行进一步确认研究;对于自行编制的火灾模拟程序，模型的验证工作是至关重要的，应确保程序能够准确反映概念模型。

用Steckler房间火试验，对PHONEICS和FLUENT进行了确认研究，就该类实例来说，FLUENT的准确度要高于PHENICS，但就工程应用来说，在选择合理的湍流模型、辐射模型，并经过网格独立性检验后，两者的模拟结果一般可满足工程需要。

火灾发展具有确定性和随机性的特点，火灾试验的影响因素较多，在选择确认试验时，应尽量选择可重复性强的试验，并应注重采用不同火灾场景下的火灾试验对其进行确认研究，以便更好地检验模型的可信度。

二、疏散模拟

当前世界上开发的人员疏散软件数目众多，据统计，有文献记载的疏散软件有22个，其他未公开的也不在少数。所以，在选用模型时一定要结合有待解决的实际问题与模型的适用性来进行选择。

(一)概述

建筑防火设计的主要目标之一是确保人身安全。建筑安全疏散的性能化设计，是要求所设计的疏散设施能够保证建筑中的全部人员有足够的时间安全疏散到安全的地方。评价指标包括建筑的安全出口、疏散楼梯的宽度、疏散距离是否满足建筑内使用人员的疏散需要，人员的疏散所需时间是否大于火灾条件下的可用疏散时间。

安全疏散时间判据，主要按照火灾发展与人员疏散时间为同时沿一条不可逆的时间线进行，保证建筑物内人员安全疏散完毕所需时间必须小于火灾发展到危险状态的时间。

火灾中人的疏散过程是在人的意识干预下，感知、认知火灾和环境信息与行为决策以及执行决策的过程，是一种在时间压力下的人体位移。由于人的行为受到年龄、身高、体重、敏捷度、习性、行动能力等心理与生理状态和文化背景与受教育程度的影响，十分复杂，同时人员在建筑内的实际状况以及建筑空间特性，如人员的分布情形、熟悉环境的程度、人数及其组成和楼梯或出口的宽度、照明、走道宽度、数量、建筑高度等都对人员疏散结束所需时间和可用于人员疏散的时间有很大影响。

人员疏散时间为火灾探测报警时间、人员预动时间与人员疏散运动时间之和。在计算疏散运动时间时，通常采用1.5～2的安全系数来考虑设计计算中的不确定性因素。

在人员安全疏散的研究方面，由于对所采取的措施是否能达到性能化设计的预期目标，同时如何对保证人员生命安全的目标进行合理的评价都缺乏科学依据，所以全世界在这方面的研究都处于起步阶段。人员疏散软件方面，有关研究人员在不断加大这方面软件的研究开发力度。国外从20世纪80年代初开始就展开了人员疏散基础数据及疏散模拟软件方面的研究，并把疏散研究的成果及时的应用到了建筑性能化设计中，我国也于近年来展开了这方面的研究。

(二)疏散模型分类

人员疏散计算方法主要有两种：水力模型和人员行为模型。

1.水力疏散模型

最常用的方法是水力疏散模型，它通过将人在疏散通道内的走动模拟为水在管道内的流动来进行计算。这一方法的缺点是它完全忽略掉了人的个体特性，而将人群的疏散作为一种整体运动。水力疏散模型通常对人员疏散过程作如下保守假设：

1)疏散人员具有相同的特征，并且都具有足够的身体条件疏散到安全地点;

2)疏散人员是清醒的，在疏散开始的时刻一起井然有序地进行疏散，且人员在疏散过程中不会中途返回选择其它疏散路径;

3)在疏散过程中，人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，即从某一出口疏散的人数按其宽度占出口总宽度的比例进行分配;

4)人员从各个疏散门扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不变。

2.人员行为模型

人员行为模型模拟人在火灾中的行为，综合考虑了人与人、人与建筑物以及人与环境之间的相互作用。这类模型能够从一定程度上反映火灾时个人的特性对人员疏散的影响，但由于“火灾中人的反应与行为”仍旧是一个较新的领域，对其定性研究较多，而定量的研究成果很少，因此在选用该类模型时要慎重考虑它的适用性，以经过实际疏散实验或演习验证的模型为首选。

当前世界上开发的人员疏散软件数目众多，据统计，有文献记载的疏散软件有22个，其他未公开的也不在少数。所以，在选用模型时一定要结合有待解决的实际问题与模型的适用性来进行选择。下面将通过分析这些人员疏散模型的功能与特点，对这些软件进行适当分类。

1)一般分类

疏散模型在处理疏散的一般问题时，均采用了三种不同基本方法：优化法、模拟法和风险评估法。

优化法假定人员以最有效的方式进行疏散，而不考虑外部环境的影响及非疏散行为。通常，模型认为人员选择的疏散路线是最佳的。这一类模型适用于大量的人群或将所有人员当作一个有共同特性的群体来考虑的情况，而不考虑个体行为。

模拟法试图表现实际的疏散行为与运动，不仅要得到准确的结果，而且要反映疏散时选择的疏散路线及人员所做的决定。由于各个模型在考虑人员行为时的详细程度不同，因此结果的准确度也不相同。