火災(zāi)模擬技術(shù)綜述

齊珈 陳秋蓮

摘要：近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在消防領(lǐng)域的應(yīng)用也到了越來越廣泛的重視?；馂?zāi)現(xiàn)場模擬是其中一個重要應(yīng)用：通過全方位的建模，協(xié)助消防人員掌握火災(zāi)現(xiàn)場，快速做出應(yīng)急預(yù)案，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。本文總結(jié)分析了常見的火災(zāi)模型，介紹了火災(zāi)模擬的常用軟件，為火災(zāi)現(xiàn)場的計算機(jī)模擬中模型和軟件的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：消防；火災(zāi)模型；火災(zāi)模擬軟件；救援

中圖分類號：X913 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）16-0248-03

The Review of Fire Simulation Technology

QI Jia， CHEN Qiu-lian

（School of Computer and Electronic Information， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： In recent years， with the continuous development of computer technology， the application in the field of fire fighting has also been paid more and more attention.Fire scene simulation is one of the important applications： through a full range of modeling to assist firefighters to master the fire scene， and make emergency plans quickly to reduce casualties and property losses. The paper summarizes and analyzes the common fire model， and introduces the frequently used software of fire simulation， and provides reference for the selection of model and software in the computer simulation of fire scene.

Key words：fire fighting； fire model； software of fire simulation； rescue

火災(zāi)是指在時間和空間上失去控制的災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，2017年1月至10月全國火災(zāi)接警數(shù)量為今年1至10月，全國共接報警火災(zāi)21.9萬起，人員傷亡1744人，據(jù)統(tǒng)計直接造成的財產(chǎn)損失高達(dá)26.2億元人民幣。雖然相比16年的災(zāi)情統(tǒng)計有所下降，但是仍是一個相當(dāng)大的數(shù)目，防災(zāi)減災(zāi)刻不容緩。目前的消防系統(tǒng)主要還是靠過去的火警經(jīng)驗，如口述或施工建設(shè)圖紙來進(jìn)行判斷，存在過多的主觀因素。計算機(jī)對火災(zāi)現(xiàn)場模擬可以更加形象客觀的對建筑內(nèi)在布局進(jìn)行掌控?？梢詫馂?zāi)現(xiàn)場煙氣運動進(jìn)行分析，消除消防人員對火災(zāi)現(xiàn)場理解所存在的局限性，協(xié)助了指揮人員的全面協(xié)調(diào)工作?；馂?zāi)現(xiàn)場模擬也可以為未來防火以及消防人員平時訓(xùn)練提供幫助。

跟著我國的綜合國力的不斷提升，計算機(jī)各方面的性能也不斷地提高，在火災(zāi)研究方面，計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)慢慢成為主要的手段。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，涉及的火災(zāi)模型已多達(dá)130多種之多[1]。

1 火災(zāi)模擬的相關(guān)技術(shù)

1.1 理論現(xiàn)狀

70年代，美國哈佛的Emmons在質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，對建筑火災(zāi)的區(qū)域模型進(jìn)行了相關(guān)的研究，標(biāo)志著火災(zāi)科學(xué)研究的開始?；馂?zāi)科學(xué)的正式開端是在1985年舉辦的第一屆國際火災(zāi)科學(xué)大會。同時，Drysdale出版的《火災(zāi)動力學(xué)導(dǎo)論》對之前十年關(guān)于室內(nèi)火災(zāi)的特性相關(guān)的研究成果進(jìn)做了相關(guān)的總結(jié)。

80年代初期，國內(nèi)便開始對火災(zāi)科學(xué)以及建筑火災(zāi)中的煙氣運動等方面開始進(jìn)行了相關(guān)的研究。1989年設(shè)立了火災(zāi)科學(xué)國家實驗室，主要研究的內(nèi)容是火災(zāi)從形成到燃燒的過程，同時也對動力學(xué)演化、火災(zāi)防治方面技術(shù)以及火災(zāi)安全工程理論與方法學(xué)等有一定的研究。1995至2002年間，周允基教授（香港理工大學(xué)）等人，從火災(zāi)的煙氣出發(fā)，對其進(jìn)行了多方面的研究。具體來說，對火災(zāi)的火焰機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)解析，火災(zāi)期間的煙氣填充時間以及煙氣層厚度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，進(jìn)而得出了相應(yīng)的煙氣熱釋放率，同時也對對應(yīng)的火災(zāi)人員疏散與人員逃生進(jìn)行了一定的模型搭建與相關(guān)的研究。

2001年后，中國各大機(jī)構(gòu)以及研究所，都對建筑防火性能化設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則和高層建筑、大空間建筑、人員密集場所的性能化設(shè)計、安全評估技術(shù)與應(yīng)用的研究。建立了多種建筑類型的火災(zāi)模擬模型和逃生模型，對具體模型進(jìn)行了相關(guān)的路徑分析，制定了適合我國的火災(zāi)中人員疏散的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則和方法。

2002年，程遠(yuǎn)平等人，綜合對比了國內(nèi)外的幾種主要的火源類型特點等，先進(jìn)行了一系列的相關(guān)總結(jié)研究，然后對其各種火源各自的熱釋放速率進(jìn)行了具體研究，各種不同的火災(zāi)中在煙氣消耗的原理下，得出熱釋放速率的結(jié)果，然后再在質(zhì)量損失速率的基礎(chǔ)上，再對熱釋放速率進(jìn)行研究。綜合實驗結(jié)果，分別建立了對應(yīng)的[t2]模型、MRFC應(yīng)用模型以及FFB應(yīng)用模型，得出了相關(guān)的參數(shù)范圍。通過對各類火源類型的分別總結(jié)性研究，以及實驗結(jié)果的研究，計算出了部分實驗熱釋放速率，對相關(guān)測試方法進(jìn)行了一定的總結(jié)。2003年，程遠(yuǎn)平等人又對火災(zāi)與煙氣的發(fā)展以地下車庫為實例進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，通過對地下車庫的火災(zāi)煙氣模擬計算，得出了逃生和救援的有利條件。

姚建達(dá)等人，對火災(zāi)現(xiàn)場模擬中的煙氣運動進(jìn)行了相關(guān)探討研究，通過對實際火災(zāi)的研究實驗進(jìn)行了對應(yīng)的三維數(shù)理模型。主要研究了在一種體積守恒情況下，修正壓力的場區(qū)網(wǎng)數(shù)值方法（Field-Zone-Net Modeling）。楊銳等人，通過利用火災(zāi)的大禍模擬技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，針對火災(zāi)現(xiàn)場模擬的場區(qū)模型得出新的模擬方案。Fu等人，在對火災(zāi)湍流的數(shù)值模擬上，提出了綜合RANS和DES的計算方法，這種方法的特點是在確保了DES原本計算的精準(zhǔn)度上，又極大地加快了RANS的計算效率。

2012年，陳珊珊等人以實際案例為研究對象，運用了大渦模擬方法進(jìn)行通過各大火災(zāi)案例的分析研究。對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行一定的還原，對火災(zāi)的走勢情況進(jìn)行了相關(guān)的預(yù)測，進(jìn)而研究了溫度與有毒氣體對人的危害，并將危害性指數(shù)引入到火災(zāi)現(xiàn)場模擬實驗研究中。徐永莉在對火災(zāi)現(xiàn)場模擬試驗中，使用了PyroSim軟件與Pathfinder軟件對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行了細(xì)致的分析建模。

2017年，張耀偉等人，通過對變換火源的位置與補(bǔ)風(fēng)口位置，設(shè)計了不同的火災(zāi)現(xiàn)場模擬實驗，建立了不同的模型，對補(bǔ)風(fēng)口的位置與煙氣的排放的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，比呢關(guān)切地出了煙氣中CO的濃度變化規(guī)律。

1.2 模擬模型

在對建筑內(nèi)部火災(zāi)進(jìn)行模擬時，其燃燒過程中的煙氣以及熱傳遞進(jìn)行模型建立是重點部分。在火災(zāi)模型中，當(dāng)前國內(nèi)外主要有三種比較成熟的模型，分別是區(qū)域模型（Zone Model）、場模型（Field Model）、網(wǎng)絡(luò)模型（Network Model）。

1.2.1 區(qū)域模型

區(qū)域模型是根據(jù)建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，對室內(nèi)的氣體劃分成為上下兩個區(qū)域?qū)樱瓷蠈拥臒釤煔鈪^(qū)以及下層的冷空氣區(qū)。在區(qū)域模型中，假設(shè)煙氣濃度、室內(nèi)壓力、空間溫度等多個條件是均勻分布，即其各自的參數(shù)一定，其次通過質(zhì)量守恒與能量守恒定理計算出各自的參數(shù)變化情況。統(tǒng)計來看，其中有32種模型是比較常用的區(qū)域模型，其中哈佛模型為區(qū)域模型的一個開端。其中，有18種模型僅模擬單室火災(zāi)運動過程，其余則可以對多室情況的火災(zāi)運動過程進(jìn)行模擬[2]。無論是單室火災(zāi)模擬還是多室火災(zāi)模擬，區(qū)域模型主要應(yīng)用于空間較小的實驗，目前最新版本只能計算30個房間的結(jié)構(gòu)形式，并且主要應(yīng)用于處理轟然火災(zāi)類型。但在對轟然火災(zāi)的傳統(tǒng)區(qū)域模型中，存在著機(jī)械的應(yīng)用熱煙氣層溫度或者熱輻射強(qiáng)度這一標(biāo)準(zhǔn)的問題，楊立中等人在基于區(qū)域模擬的火災(zāi)發(fā)展模型中，通過對計算可燃物在火災(zāi)中接受總輻射能量或表面溫度變化情況的判斷，克服了這一問題[3]。

總結(jié)來說，區(qū)域模型的主要特點，在對空間進(jìn)行處理時，簡便快捷，在數(shù)值算法處理上相對來說比較容易編寫，對實驗建模計算上所用時間相對比較短，并且在對其硬件要求上不是很高。不足之處在于較為粗略的空間劃分致使精確度不夠，在空間內(nèi)部的運動過程沒有進(jìn)行細(xì)致的建模。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型的實驗原理是，將實驗主體建筑看作為一個完整的實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)中的單獨空間是整個系統(tǒng)的每一個單獨的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過空氣流通路徑將各個空間連通起來，通過能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律等，可以對實驗對象的煙氣濃度、以及各個位置的壓力分布等相關(guān)參數(shù)，隨著時間的變化而變化進(jìn)行一系列的研究。日本、美國、荷蘭、英國、加拿大等國家在網(wǎng)絡(luò)模型的研究上有比較多的成果。例如：IRC模型（加拿大）、BRE模型（英國）、TNO模型（荷蘭）、CONTAMW模型（美國），其中CONTAMW模型以計算速度和更可靠的結(jié)果等優(yōu)勢占主導(dǎo)地位。

網(wǎng)絡(luò)模型主要應(yīng)用于連續(xù)的空間，游宇航等通過運用網(wǎng)絡(luò)模型的建模方法，對連續(xù)的空間發(fā)生的火災(zāi)蔓延過程進(jìn)行了相關(guān)模擬，通過實驗建模，可預(yù)測出火災(zāi)蔓延的可能性以及危險性。

網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)點在于對實際連續(xù)空間進(jìn)行了簡化的處理，應(yīng)用于受限空間數(shù)目較多的火災(zāi)研究。缺點在于，每一個節(jié)點必須用一個均勻參數(shù)表示，適合于比較均勻的場景進(jìn)行煙氣運動分析，這種模擬方式雖然比較容易，但是實驗結(jié)果比較粗略，距離真實情況有一定的偏差。同時實驗中為了簡化計算往往將火源設(shè)置為穩(wěn)態(tài)火源，也是導(dǎo)致了計算結(jié)果不夠真實的原因。

1.2.3 場模型

場模型是根據(jù)能量、質(zhì)量和動量守恒定律及化學(xué)反應(yīng)定律，把火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行分割，分割為大量的小空間，利用偏微分方程求解來對每個小空間進(jìn)行相關(guān)計算，進(jìn)而得到整體空間的溫度場、流速場及煙氣濃度場的實驗結(jié)果[4]。與網(wǎng)絡(luò)模型相比，場模型的計算精確度較高，實驗結(jié)果也相對準(zhǔn)確，但是工作量相對較大，對硬件要求相對較高，對實驗的邊界條件要求也相對嚴(yán)格。

場模型的對比其他模型來說，針對性較強(qiáng)，對火災(zāi)現(xiàn)場能夠進(jìn)行細(xì)致的變現(xiàn)，實驗結(jié)果精度較高，可以對火災(zāi)現(xiàn)場的煙氣運動等物理量進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。但數(shù)值算法編寫煩瑣，計算數(shù)據(jù)時間較長，對硬件要求較高。目前廣泛應(yīng)用的場模型有CFX、FDS、FLUNET、JASMINE、PHOENICS、STAR-CD[5]。其中，CFX與FDS模型一般應(yīng)用于室內(nèi)住宅等建筑物的火災(zāi)模型，其中，CFX也可以用于室外火災(zāi)；FLUNET由于在計算流體速度以及穩(wěn)定性與精確性最為突出，則主要用于流場和傳熱過程；JASMINE主要用于模擬室內(nèi)室外的煙氣運動情況，通常用于室外的隧道等交通火災(zāi)現(xiàn)場模擬；PHOENICS主要以低速流輸運現(xiàn)象為主要模擬對象，通常用于在航天化工等火災(zāi)現(xiàn)場模擬；STAR-CD通常用于比較復(fù)雜的燃燒現(xiàn)象。

2 火災(zāi)模擬軟件

應(yīng)用于火災(zāi)模擬的軟件很多，對火災(zāi)現(xiàn)場各項數(shù)據(jù)計算分析的軟件有FDS、Pathfinder、CFX、FLUENT等專業(yè)軟件，可以模擬現(xiàn)場的煙氣彌漫情況、人員疏散逃生、火勢擴(kuò)散情況、流體速度等。在對建筑火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行模擬時，也需要其他軟件進(jìn)行輔助，使火災(zāi)現(xiàn)場模擬的實驗結(jié)果更加的客觀與詳細(xì)具體，如相關(guān)的定位系統(tǒng)與3D場景渲染模擬。其中常用的定位系統(tǒng)有GIS、GPS、GLONASS等；常用的3D場景模擬有3DSMAX、MAYA、MAX、Unity3d等。下面將針對部分常用軟件的功能、特點和應(yīng)用等方面進(jìn)行說明。

2.1 FDS

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST）的建筑與火災(zāi)研究實驗室（Building and Fire Research Laboratory）共同開發(fā)的一款基于場模型的用于計算流體動力學(xué)的軟件[33]。采用混合分?jǐn)?shù)燃燒模式針對火災(zāi)中煙氣運動的每一個過程進(jìn)行實驗設(shè)計。FDS在火災(zāi)模擬軟件中得到了大量的利用，經(jīng)過大量的實驗驗證與完善，可以快速模擬出比較復(fù)雜的環(huán)境以及火災(zāi)現(xiàn)場的信息。

FDS軟件包含F(xiàn)DS和Smoke View兩部分，F(xiàn)DS首先通過直接數(shù)值模擬或者大渦模擬的數(shù)值模擬方法，對被劃分的每個小空間進(jìn)行偏微分方程組的求解，然后通過Smoke View輸出FDS的計算數(shù)據(jù)，以二維或者三維呈現(xiàn)[6]。為了能夠更加直觀的研究輸出數(shù)據(jù)，Smoke View還提供了截面文件、等值面、熱電偶和邊界文件輸出模式。目前該軟件已經(jīng)發(fā)行第六版，更新速度相對較快。

其FDS的工作流程如圖1所示：

2.2 Pathfinder

在火災(zāi)現(xiàn)場人員的疏散問題上，主要是運用Pathfinder軟件進(jìn)行實驗?zāi)Ｐ蚚7]。Pathfinder最初是美國的Thunderhead Engineering公司研發(fā)的一款比較簡單直觀的三維可視化分析工具，該軟件主要模擬人流在某環(huán)境中的動態(tài)變化過程，應(yīng)用于火災(zāi)現(xiàn)場模擬中的人員逃生情況模擬。通過此模擬器就能夠?qū)⑷肆鞯倪\動過程，通過三維可視化的分析方式來模擬出來，得出相關(guān)的數(shù)據(jù)模型結(jié)果?？梢詫馂?zāi)現(xiàn)場進(jìn)行人員疏散的演練工作，繼而得到更適合的逃生路線與相應(yīng)的逃生疏散用時。在使用該軟件時，可將FDS模型導(dǎo)入其中，既可以通過FDS對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行模擬，同時也可以對火災(zāi)發(fā)生過程中的人員逃生疏散進(jìn)行模擬，以及計算相關(guān)的撤離數(shù)據(jù)。提高了實驗的直觀性，同時也提高了數(shù)據(jù)的可靠性，使得計算的實驗結(jié)果更加的真實，可以更確切的計算出人員疏散的最佳時間，減少人身財產(chǎn)的損失。

在Pathfinder軟件的使用中，在對人員運動過程建模的模式下，包含了SFPE和steering兩種模擬模式。SFPE模式模擬的行為為人員運動過程的最低標(biāo)準(zhǔn)行為，SFPE模式是人員的流量為基礎(chǔ)，則即實驗中的人員可以自動向距離出口最近的地方進(jìn)行移動。實驗中的人員之間不受彼此之間的干擾，其中實驗人員的列隊排列也屬于SFPE模式，此模式是根據(jù)人類的行為規(guī)律，利用空間密度進(jìn)而來進(jìn)算出逃生的運動速度。steering模式模擬則是運用了一定的路徑規(guī)劃，將路徑規(guī)劃中的人員指導(dǎo)與逃生人員之間的相互碰撞影響因素加入其中，從而相互結(jié)合，對人員疏散進(jìn)行相關(guān)的指導(dǎo)。在閥值一定的情況下，若實驗人員間的距離和距離最近點的路徑過大，大于了此值，則對路徑進(jìn)行新一輪的規(guī)劃[8]。

3 小結(jié)

本文簡要介紹了目前火災(zāi)現(xiàn)場模擬中主要運用的區(qū)域模型、場模型、網(wǎng)絡(luò)模型，可針對不同的火災(zāi)類型可以選擇適合的建模方法。其中場模型的精確性比較高。在場模型中，通過FDS軟件對火災(zāi)現(xiàn)場的煙氣、火災(zāi)擴(kuò)散情況等信息進(jìn)行模擬，再通過建筑模擬疏散軟件Pathfinder分析火災(zāi)事故中影響人員逃生的因素，制定最佳逃生方案，將財產(chǎn)損失與人員傷亡降到最低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬駿馳. 火災(zāi)中人群疏散的仿真研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.

[2] 楊立中，郭再富，季經(jīng)緯，等. 基于區(qū)域模擬的火災(zāi)發(fā)展模型[J]. 科學(xué)通報，2005（12）：1272-1277.

[3] 謝元一，王厚華. 建筑物走廊型通道中火災(zāi)煙氣流動特性的研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2006（1）：88-92.

[4] 章濤林，方廷勇，張啟良，等. 火災(zāi)模擬有限元軟件綜述[J]. 中國公共安全（學(xué)術(shù)版），2009（Z1）：90-96.

[5] 朱中杰. 地鐵車輛火災(zāi)熱釋放速率計算方法研究[D].西南交通大學(xué)，2016.

[6] 張剛，楊昕，湯國安. GIS軟件的空間分析功能比較[J]. 南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2013，13（2）：41-47.

[7] 王靜，王偉，等.基于Pathfinder的某高校圖書館人員疏散模擬研究[J].安防科技，2011（6）：3-7.

[8] 金潤國，毛龍，樂增.FDS與Pathfinder 在建筑火災(zāi)與人員疏散中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保， 2009， 36（8）： 44-45.