消防数值模拟技能思索

本文作者：智会强 牛坤 单位：公安部天津消防研究所

计算机模拟技术为消防科学的研究提供了有利手段。在科学研究方面，数值模拟的应用主要体现在以下几个方面：研究火灾机理：如可以用数值模拟研究火灾的发生、发展和烟气蔓延机理，研究轰燃、回燃等现象[2-3]。可以研究各类火灾的特点，如建筑火灾、工业火灾、森林火灾、船舶火灾等。研究灭火系统的性能：如研究自动喷水系统、细水雾系统的灭火性能[4]，研究不同热敏性能的喷头的启动特性，喷头布置对灭火性能的影响等。目前，可用于这方面研究的软件主要有FDS、FLUENT、PHOENICS等，其中FDS和PHOENICS都有专门的喷淋模型。研究火灾探测系统的性能：研究火灾探测系统对火灾的响应、火灾探测器的布置方法[5]等。目前，火灾模拟软件FDS在这方面应用较多，该软件目前可以模拟感温探测器、感烟探测器的启动及探测性能。研究防排烟系统的性能：如研究防排烟系统的排烟量、排烟口布置方法、排烟系统的最佳启动时间[6]等。烟气流动是典型的湍流流动，因此，一般的CFD软件均可用于模拟烟气的流动。

研究消防产品的性能：如，分析消防水枪、水泡的流场特性，模拟消防泵的工作性能，分析消防防护服的隔热性能等[7-8]。通过数值模拟，可以对产品的性能进行优化。研究结构对火的反应：主要用来分析钢结构、混凝土结构等在火灾作用下的应力和应变等[9-10]。利用结构分析软件和CFD软件相结合，首先用CFD软件计算出火场的温度等参数，然后再将其导入结构分析软件中作为已知边界条件，对结构进行热响应计算。目前，已有学者将火灾模拟软件FDS和结构分析软件ANSYS集成在了一起，方便了使用[11]。指导和辅助试验研究：试验之前对火灾进行模拟，可以预测试验可能出现的现象、试验参数的大致范围等，对改进实验方案，提高试验成功率有较大意义。同时，对于投资较大或进行试验比较困难的情况，可利用火灾模拟来代替部分试验，以节省投资。

随着各种设计新颖、造型独特的新型、大型建筑出现,单纯的“规格式”防火设计规范已经不能满足消防要求。因而，针对结构和功能较为复杂的新型、大型建筑使用性能化防火设计方法已成为一种发展趋势。性能化防火设计方法运用消防安全工程学的原理，采用计算机模拟手段，根据具体建筑的布局、火灾荷载的分布以及人在火场中的行为特征等，模拟火灾的发生和发展过程、烟气在建筑内的流动、人员疏散以及消防系统对火灾发展的影响，通过对计算结果的分析，判断消防设计是否满足消防安全的要求。实现性能化设计最重要的基础就是火灾过程的计数值模拟。性能化设计中需要根据火灾模拟的结果来评估消防设计方案是否满足要求。因此，火灾模拟结果的准确性直接关系着建筑的消防设计是否安全。性能化设计方法已在世界范围内得到了广泛关注和应用，在我国一些重大工程项目中已得到成功应用，如：2008年奥运会70%的场馆与配套设施采用了性能化防火设计，也就是说这些场馆在消防设计中都直接采用了数值模拟技术[12]。

目前，火灾调查工作的地位日益突出，数值模拟作为火灾调查的一个平台也已被提出并正在发展。当前火灾事故调查还处在经验或半经验水平上，火灾调查的一些方法尚缺乏基础理论的支持，还没有达到用数学方法对火灾调查进行直观实际指导的研究水平。虽然获得火灾过程参数的最有效方法是进行实体试验，但进行试验花费大，周期长，难以满足实际需要。与实验相比，数值模拟具有成本低、灵活性高等特点,如：利用数值模拟可以方便的模拟不同工况下，各种因素对火灾的影响及火场各参数的变化，通过模拟结果和火灾实际结果进行对比分析，可以确定或排除某些火灾原因。因此，火灾的数值模拟作为火灾调查的方法之一对于提高火灾调查的研究发展效率以及提供科学依据具有重要的意义。

目前，中国科技大学在这方面研究较多，如李一涵,邱榕[13]等人，利用火灾现场遗留痕迹与火灾温度、燃烧持续时间、起火部位位置存在着对应变化的规律，应用数值模拟，研究了这些图痕的形成规律及其在确认火灾原因中的应用。目前，数值模拟技术已在国内化工厂、歌舞厅、居民楼等火灾原因调查中获得了初步应用[14-16]。值得一提的是美国NIST曾使用他们开发的火灾动力学演化程序FDS，对多起大火（其中包括美国世界贸易中心双塔楼）进行事后计算，通过模拟，获得了火源位置、轰然时刻以及烟气蔓延历程等一些重要信息，对火灾原因鉴定起到了重要作用。

在信息数字化和可视化的基础上，将火灾模拟分析与消防应急指挥有机结合起来，运用GIS技术建立火灾模拟分析与消防应急指挥系统，可以实现复杂条件下大区域火灾蔓延动态模拟，进而提供火灾数据处理、数值模拟分析、消防指挥调度及控制显示等功能[17]。通过两者结合，可提高从接警到灭火、扑救过程的效率，快速确定灭火、援救、疏散方案以及火灾蔓延范围，从而提高消防指挥决策的现代化水平和整体作战能力。

目前，对于该领域的研究尚不深入，无论在理论研究方面还是消防管理模式方面都面临着许多挑战，其实际应用还处于探索阶段。随着研究的深入，系统功能将会进一步得到完善，将来有望在消防部门推广应用。3结语现在，越来越多的安全工程师开始注重运用数值模拟技术来解决实际工程问题，而随着人们对火灾科学认识的不断深化，数值模拟技术在消防工程领域内的研究和实践亦日益得到重视，数值模拟对消防科技的发展和应用必将会起到更大的促进作用。