数值模拟技术在火灾调查中的应用探讨

赵令煌 林熙

摘 要：计算机技术的进步，推动着火灾科学研究方法的创新，利用计算机技术，实现火灾过程的数字模拟已经成为了现代火灾科学研究的重要手段。火灾数学模型的建立是实现计算机数值模型技术的关键，将数值模拟技术应用于火灾调查中，可以通过火灾的数值模型重建，对火灾事故进行模拟，较为真实的重现火灾场景，从而在火灾调查过程中发挥巨大作用。

关键词：数值模拟技术 火灾调查 应用

中图分类号：X928.7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-155-02

火灾调查的目的是找出火灾发生的原因，核定火灾损失，查明火灾事故责任，找出相关证据，研究火灾发生规律，为预防火灾及灭火工作提供科学依据。然而由于火灾现场破坏性较强，因果关系隐蔽性较高，极大地增加了火灾调查的难度；在自发灭火或消防队灭火过程中，对火灾事故现场造成严重破坏，让火灾现场调查更加复杂。随着现代建筑结构趋于复杂化，其建筑材料及装饰多种多样，火场中可燃烧材料与不可燃烧材料的布局及数量变化较大，同样增加了火灾调查的难度。在火灾调查中，找出火灾事故的原因难度很大，这就要求提高火灾调查的技术手段。随着计算机技术的进步，将计算机数值模拟火灾实验应用于火灾调查中，通过火灾数值模型重建，对火灾事故进行模拟，从而较为真实的重现火灾现场，推动火灾调查工作的发展。

1 当前火灾数值模拟技术中火灾数学模型的研究现状

利用计算机，实现火灾过程的数值模拟，建立火灾数学模型，重现火灾现场，从而推动火灾科学研究的进步。计算机数值模型技术的核心是火灾数学模型，在面对同一火灾过程进行数值模拟时，采取不同的火灾数学模型，在其使用范围内计算的结果是较为合理的。随着火灾数值模拟技术的不断发展，出现了较多的火灾数学模型，其中研究火灾过程的计算机模拟技术数学模型主要有网格模型、区域模型、经验模型及场模型。

1.1 网格模型

网格模型将整体建筑物视为一个系统，将建筑物中每个封闭空间作为网络节点，通过各种空气流通路径将网络节点相连，并利用能量及质量守恒公式对整个建筑物内的空气流动、烟气传播、压力分布等情况进行研究，可应用于评价建筑物内严控系统效果，并对火灾安全进行分析。

1.2 区域模型

区域模型将所研究的受限空间分为不同的区域，设定各个区域内各种物理量参数一致，只要在区域与区域之间、区域与边界及火源之间才可以发生质能交换。区域模型将一个房间的下部分为冷空气层，上部分为热烟气层，属于一种简化的物理模型，这种模型不仅可以模拟火灾发展过程，还可以研究出火灾发生后烟气发展蔓延情况，广泛应用于火灾危险性分析及消防工程设计方面。

1.3 经验模型

经验模型是以实验测试所获取的数据及经验为依据，通过数学方法的简化处理，结合热物性参数所建立的数学模型。随着人们对火灾研究不断加深，积累了较多的火灾数据及经验，依据这些数据及经验建立模型，对火灾发展的过程进行评估。

1.4 场模型

火灾的场模拟研究是通过对状态参数的分布计算来描述火灾发展的数值方法，通过计算机技术，计算出火灾发展过程中各个参数的分布及变化。将复杂变量引入到场模型中，从而精确计算出火灾发展过程中的参数变量。场模型是当前研究受限空间火灾发展过程中，可以精确计算的一种数学模型。

2 火灾数值模拟技术场模型（FDS）研究及实现

随着时代的发展，计算机模拟技术逐渐成为了火灾调查的重要手段之一。进行火灾实验研究，实验周期较长，资源耗费较大，而采取计算机模拟技术，通过对火灾发展过程中的各个参数进行计算，可以有效缩短研究周期，降低研究成本。将计算机数值模拟技术应用于水灾调查中，具备较多优点，在火灾调查中发挥着重要作用。

场模型，简称FDS，由美国国家标准与技术研究院开发的一种场模拟程序，由于场模型具备良好的可改造性，在火灾计算机模拟中获得广泛应用。场模型通过利用计算机技术，计算出火灾发展过程中如温度、有毒气体浓度等参数的空间分布及变化，在求解过程中，会涉及到流体流动、传热传质、化学反应等，包括能量、质量、化学物质之间的相互作用，体现出较多的流体动力学过程。场模型引入复杂变量，可以精确计算出火灾发展过程中的参数变量。场模型中包括直接数值计算与大涡模拟计算两种燃烧模型。在实际操作中，根据基础网格来选择使用哪一种模型。在使用直接数值计算时，可以实现对氧气及燃料扩散的直接模拟；采取大涡模拟计算时，则不能很好地解决氧气及燃料的扩散模拟问题，需要采取混合分数燃烧模型来解决。

FDS火灾模拟软件是由FDS及somke view两部分组成，其中FDS主要负责模拟场景的构建，并负责计算工作，属于软件主体部分；somke view主要负责处理动态数据，显示静态数据，并将FDS计算出的数据以二维或三维图形进行显示。场模型的输入参数主要包括：火源物品的燃烧性质、初始空间环境温度、灭火系统的影响、网格划分大小、火源种类、初始温度、热释放速率、测量数据类型及探测点位置、烟气组成及性质等。通过各种数据处理软件，对各种参数进行处理与分析。

FDS的实现步骤如下：

（1）建立FDS输入文件，在FDS输入文件中需要包括以下信息：数字网格大小、计算域大小、火源设定、材料热物性、边界条件、热释放速率、计算域内几何形状等。

（2）FDS运行，获取输出文件。FDS输出参数主要包括：压力、温度、密度、速度、燃烧物浓度、能见度、热释放率等。在计算机计算之前，需要确定想要获取的是哪一种数据，并在输入文件夹中提前设定。最终计算结果输出形式可以是多样的，可以获取任意点参数及改位置随时间变化的趋势；可以获取二维平面中任意位置各种参数的变化；可以获取特定参数在三维图形中信息。

（3）通过somke view分析FDS输出文件。通过计算机技术，应用FDS可以对火灾事故进行模拟，计算出火灾发生过程中各种参数，从而较为真实的重现火灾现场。由于受到计算机性能及计算时间的限制，这种技术的实现较为困难。

3 数值模拟技术在火灾调查中的应用分析

在美国，研究者应用FDS数值模拟技术，模拟了一起真实的室内火灾事故。进行火灾模拟的数据资料，采取的是火灾现场数据，确定了氧气浓度、室内压力、特殊部位温度、热释放速率、烟气流动方向与速度等数据。根据火灾调查报告分析，确定火灾是由地下室天花板电气设备所引起，在地下室蔓延。研究者通过FDS数值模拟技术，再现了火灾场景，发现火势是沿着天花板开始蔓延，散落火星引起其他室内可燃物，最终导致火灾发生。通过实践证明，利用计算机数值模拟技术，可以较好的重现真实火灾场景。

应用FDS数值模拟技术建立数学模型，并应用于真实火灾事故调查活动中，可以有效推动火灾事故调查的进步。在建立模型时，需要具备详细的建筑物资料，包括建筑物本身的建筑材料、建筑尺寸、建筑装修材料、火灾时天气状况及通风条件等，这些数据与资料，可以通过火灾调查部门来获得。应用FDS数值模拟，对引起火灾的可能起火点建立火灾场景并进行模拟，计算出火灾现场建筑物关键位置的火场温度、烟气高度、可见度、氧气及一氧化碳浓度等信息，并将计算结果与实际火灾现场数据对比，缩小起火点排查范围，为火灾调查人员调查起火原因提供数据支持，并完善火灾调查报告，推动火灾调查工作的开展。

4 结语

火灾调查的目的是找出火灾发生的起火原因，核定火灾损失，查明火灾事故责任，然而由于火灾现场本身具备较高的因果隐藏性及复杂性，加上其他因素，导致了火灾调查的困难较高。利用计算机技术，通过火灾数值模拟，可以较为真实的重现火灾现场，辅助火灾调查人员找出火灾发生的原因，推动火灾调查工作的进步。

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