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火灾模拟:浅谈火灾模拟技术在消防领域的发展

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来源:36safety  作者:  时间:2016/9/5 9:41:19

一、概述

  火灾模拟是研究火灾在一定条件下孕育、发生和发展的机理和规律。模拟研究的理论基础是承认火灾过程遵循确定性的规律,这种规律既可以在模拟实验中再现,也可以抽象成控制火灾过程的数学表达式。模拟研究的意义是可以通过简化和近似,逐个研究影响火灾的各个分过程和各主要因素的作用,逐步解释火灾的机理和规律。

  二、火灾模拟在消防领域的应用

  (一)在建筑防火设计中的应用

  火灾模拟技术为建筑防火设计和消防安全评估提供了新的科学工具。建筑设计人员可以随设计项目建立模型,预测该建筑可能发生火灾的情况,或是设定火灾场景。根据计算机模拟得到的数据来测算和确定各处建筑构件、材料与组件、消防设备的使用,以体现“性能化”设计的目的。

  (二)在火灾事故调查工作中的应用

  计算机火灾模型还可以用于火灾事故调查。技术人员运用仿真技术在计算机上建立建筑模型,模拟火灾过程,将得出的数据和结果与火灾现场勘验的数据和目击者提供的情况进行比较,可以较准确地发现火灾发生和发展的全过程,为火灾调查提供科学依据。另外,通过调查火灾参数设置,还可以对已做出的火灾事故原因进行判断,以验证其准确性。

  (三)在灭火实战与训练中的应用

  消防机构可以运用火灾模拟技术,建立重点单位或重点部位的模型,通过模拟的方法,制定该单位灭火救援预案。假如该单位真的发生火灾,该系统能够帮助灭火指挥员在火场作出正确的判断。此外,随着计算机模化和模拟技术不断发展和成熟,它还将为消防管理灭火训练人员疏散自救等提供新的手段和工具。

  三、火灾模拟在消防领域的意义

  火灾模拟技术针对火灾现场进行的事故分析和灾情回溯,可以帮助消防人员以及整个社会更加清晰认识、了解火灾发生的过程。当前,我们对火灾事故发生后所能做的工作集中在事故现场清理,现场物证提取,火灾案情分析等工作,这一类工作也主要用于帮助消防人员来进行火灾事故责任指证等案情工作。如果将整个火灾事故分析结果进行较真实的三维还原模拟,那么既可以作为案情分析的又一有利工具,也可以将最终定案的结果作为火灾预防的宣传材料。同时,以虚拟现实和三维仿真为基础的火灾模拟可以在分析火灾案情的过程中快速建立起相关方案的完整事故模拟流程,用以进行预测方案的演练和佐证,也可用作火灾预防的宣传和教育,真正的做到“前车之覆,后车之鉴”。

  四、常用的火灾模拟软件

  当前主发的火灾模拟软件包括:设计火灾场景的时候计算火灾功率用的DETAT-QS、ARGOS等,计算火灾烟气用的FDS、FLUENT、CFAST、PHOENICS等,计算人员疏散的有EVACANET、BUILDING EXODUS、SIMULEX、STEPS等。这里主要介绍以下几款软件:

  (一)CFAST

  CFAST可以用来预测用户设定火源条件下建筑内的火灾环境,用户需要输入建筑内多个房间的几何尺寸和连接各房间的门窗等开口情况、壁面结构的热物性参数、火源的热释放速率或质量燃烧速率以及燃烧产物的生成速率。该模型可以预测各个房间内上部烟气层和下部空气层的温度、烟气层界面位置以及典型的气体体积分数随时间的变化,同时还可以计算房间壁面的温度、通过壁面的传热以及通过开口的质量流率。CFAST还能处理机械通风和存在多个火源的情况。

  (二)FDS

  FDS软件是由NIST开发的一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程,重点计算火灾中的烟气和热传递过程。FDS提供了两种数值模拟方法:直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)。

  (三)FLUENT

  FLUENT是世界领先的CFD软件,在流体建模中被广泛应用。该软件采用有限体积方法,提供3种数值算法,即Segregated Solver、Coupled Explicit Solver和Coupled Implicit Solver,而其他商用CFD软件仅能提供1种。FLUENT的网格生成器(GAMBIT)具备突出的非结构化的网格生成能力,被公认为目前商用CFD软件最优秀的前置处理器。

  FLUENT软件提供了丰富的物理模型,包括理想气体模型、真实气体模型、多种燃烧模型、各种物性参数,以及旋转系统模型、传热模型、针对外流场与内流的特定的边界条件等。另外,软件包含8种工程上常用的湍流模型,而每一种模型又有若干子模型。其他任何软件都不能像FLUENT这样提供如此丰富的物理模型。

  FLUENT具有强大的后置处理功能,能够完成CFD计算所要求的功能,包括速度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图,并具有积分功能,可以求得力、力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。对于用户关心的参数和计算的误差,此软件可以随时进行动态跟踪显示。另外,该软件一直以界面友好而著称,所以对初学者来说非常容易上手。

  (四)Building EXODUS

  Building EXODUS是英国格林威治大学开发的一种疏散模拟软件,与其他疏散软件最大不同之处在于:EXODUS考虑了疏散人员之间、疏散人员与火灾之间以及疏散人员与建筑之间的相互作用,将社会因结合到人的行为和运动中,因此能够在更短的时间内测试更多设计方案的疏散性能,从而找到最优的解决方法,摆脱了用人做实验所带来的高成本及潜在危险性。它也能够运用输入的CAD制图作为数据,用于计算,并显示建筑物在人员疏散时的“瓶颈”,能够方便地评价不同设计,以确定一个最优解决方案,这为设计者提供了更大的设计弹性,提高了安全水平。

  Building EXODS适用于超市、医院、工业建筑、火车站、机场、体育馆、电影院、购物中心、高层建筑等。无论是单一模拟还是众多模拟,运用Building EXODUS均可以产生大量数据,电子表格软件可以对这些数据进行较好的分析。Building EXODUS能够检查大量不同因素对特定场景的影响,通过改变具体参数而检查影响(行为、程序、环境和构造)产生的结果。此外,

  Building EXODUS能够演示图表模拟的结果,允许更多直接的平均值解释模拟的结果。

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