2015年一級消防工程師消防安全技術(shù)綜合能力輔導(dǎo)分析（5）

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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，如所建模型和實際對象的接近程度、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、各種計算假設(shè)等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。同時，各個軟件都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，對某一工程設(shè)計，如性能化設(shè)計項目，選擇最合適的軟件進行火災(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，如所建模型和實際對象的接近程度、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、各種計算假設(shè)等因素都會對模擬結(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)象的實用數(shù)學(xué)模型?；馂?zāi)模型主要分為確定性模型和隨機性模型。

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，主要是利用計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)對火災(zāi)進行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細的物理量的時空分布，能精細地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計算機的發(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)模擬需要有較強的流體力學(xué)背景。因此，應(yīng)用較少。目前，國內(nèi)外對FDS的研究比較多，而對于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究則較少，對各個軟件的對比研究更少。

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、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、各種計算假設(shè)等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，怎樣才能使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可信是一個急需解決的問題。同時，各個軟件都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，對某一工程設(shè)計，如性能化設(shè)計項目，選擇最合適的軟件進行火災(zāi)模擬是一比較重要的問題。因此，為了能夠更好地利用CFD模型進行火災(zāi)模擬，有必要對他們進行系統(tǒng)研究。

驗證(veriifcation)與確認(rèn)(validation)是評價數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對CFD軟件的驗證與確認(rèn)工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對于計算結(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CFD也持一種矛盾的心態(tài)，既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟的設(shè)計工具，又對CFD的計算結(jié)果心存疑慮。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計算和模擬實體火災(zāi)的方式，進一步驗證模型的可靠性。

(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)基本知識即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對使用者要求較高，使用者需要對流體力學(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)模型進行數(shù)值分析前，應(yīng)著重考慮該模型對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(已有其他人員進行的試驗或自己進行相關(guān)試驗)對模型進行確認(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火災(zāi)開發(fā)，在概念模型層面相對于通用軟件更接近于真實模型，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，應(yīng)著重考慮網(wǎng)格獨立性、邊界條件設(shè)置對模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時，還應(yīng)考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

火災(zāi)模型的驗證和確認(rèn)應(yīng)包含其對各類火災(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，對這類模型可以著重于確認(rèn)研究;對于專用火災(zāi)模擬軟件，如FDS等，已經(jīng)進行了較多的確認(rèn)和驗證工作，對于比較常見的火災(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，還需進行進一步確認(rèn)研究;對于自行編制的火災(zāi)模擬程序，模型的驗證工作是至關(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，對PHONEICS和FLUENT進行了確認(rèn)研究，就該類實例來說，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)格獨立性檢驗后，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性的特點，火災(zāi)試驗的影響因素較多，在選擇確認(rèn)試驗時，應(yīng)盡量選擇可重復(fù)性強的試驗，并應(yīng)注重采用不同火災(zāi)場景下的火災(zāi)試驗對其進行確認(rèn)研究，以便更好地檢驗?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，有文獻記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來進行選擇。

(一)概述

建筑防火設(shè)計的主要目標(biāo)之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設(shè)計，是要求所設(shè)計的疏散設(shè)施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時間安全疏散到安全的地方。評價指標(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，人員的疏散所需時間是否大于火災(zāi)條件下的可用疏散時間。

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

火災(zāi)中人的疏散過程是在人的意識干預(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，同時人員在建筑內(nèi)的實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、建筑高度等都對人員疏散結(jié)束所需時間和可用于人員疏散的時間有很大影響。

人員疏散時間為火災(zāi)探測報警時間、人員預(yù)動時間與人員疏散運動時間之和。在計算疏散運動時間時，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來考慮設(shè)計計算中的不確定性因素。

在人員安全疏散的研究方面，由于對所采取的措施是否能達到性能化設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)，同時如何對保證人員生命安全的目標(biāo)進行合理的評價都缺乏科學(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的應(yīng)用到了建筑性能化設(shè)計中，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)的走動模擬為水在管道內(nèi)的流動來進行計算。這一方法的缺點是它完全忽略掉了人的個體特性，而將人群的疏散作為一種整體運動。水力疏散模型通常對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;

2)疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻一起井然有序地進行疏散，且人員在疏散過程中不會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行分配;

4)人員從各個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)時個人的特性對人員疏散的影響，但由于“火災(zāi)中人的反應(yīng)與行為”仍舊是一個較新的領(lǐng)域，對其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類模型時要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過實際疏散實驗或演習(xí)驗證的模型為首選。

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，有文獻記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來進行選擇。下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點，對這些軟件進行適當(dāng)分類。

1)一般分類

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

優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進行疏散，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)作一個有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個體行為。

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