基于FDS的火灾调查及场景重构研究

■ 邰锋 深圳市消防救援支队

引发火灾的原因有多种，比如人为或自然因素等，而火灾具有不可预测性、多变性、随时性等特点，并且其发生过程是一个非常复杂的物理化学过程。火灾是生活中较常见的安全隐患，不仅会造成一定数量的经济损失，而且会威胁人的生命安全，因此火灾是一个不容忽视的问题[1]。世界各地每年都会发生火灾事故，造成的经济损失比较大，人员伤亡数量也较多，由此可以看出火灾给人类社会带来了不安定因素[2]。为了降低火灾对人类的危害，每次火灾发生后都会由消防安全人员对火灾进行调查，分析火灾发生的原因，并且重构火灾发生的场景，为消防安全人员控制火灾、预防火灾以及制定合理的消防安全措施提供指导。但是，目前现有的火灾调查及场景重构方法在实际应用中重构场景与实际场景存在较大的差距，重构场景与实际场景相关系数较低，为此提出基于FDS的火灾调查及场景重构。

一、FDS概述

FDS是一种数据模拟分析软件，由美国国家标准与技术研究院研发，主要用于火灾场景数值模拟分析。FDS软件将原本的三维空间计算区域划分成多个大小相同的正方体网格，通过三维空间模型搭建分析出火灾发生场景，并依靠计算流体力学技术，对搭建的火灾三维空间场景模型的燃烧、传热以及传质的守恒方程进行计算。由于FDS软件具有计算精度高、效率快等优点，已经被广泛应用于多个领域中，包括用于火灾科学的研究。目前该软件已经更新到IJH61．0+SDV5．6．2版本，在功能上和性能上都优于以前的版本，可以对火灾场景中的通风条件、热源以及建筑物边界条件做出详细的描述。

二、基于FDS的火灾调查及场景重构方法

（一）火灾调查

火灾调查共分为两部分，一是对火灾现场进行勘察，二是利用模型对火灾进行深度调查分析。当火灾发生后，根据现场实际情况进行记录和勘查，其中包括火灾现场的面积、发生时间、起火原因、起火点、现场可燃物体种类及数量等。火灾现场勘查只是获取到一些火灾基础调查信息，根据这些基础信息对火灾进行深入调查[3]。为了提高火灾调查效率以及为后续火灾场景重构提供精度较高的调查数据，本文采用经验模型对火灾进行深入调查，经验模型以现场勘查数据以及经验为基础，将相关数据输入到热物性参数编织成的数学模型中，计算出火灾烟气浓度、温度、热流密度等数据信息[4]。在火灾发生过程中，由于受到空间限制，物体在燃烧过程中会产生一种热气流，热气流会带动物体燃烧产生的烟气做向上运动，当受到物体阻挡后会沿着四周做向下运动，从而在火灾空间形成热烟气层，其用公式表示如下：

公式（1）中，T表示火灾空间顶棚处的烟气温度；H表示火灾现场环境温度；q表示火灾现场热释放速率；r表示地面距烟羽流中心轴的径向距离；L表示火源到火灾空间顶棚的垂直高度。将火灾现场勘查数据带入到上述公式中，利用上述公式可以计算出火灾现场热释放速率，根据该数值再计算出火灾火焰高度，其计算公式如下：

公式（2）中，X表示火灾火焰高度；Y表示无量纲热流密度；D表示火源直径。通过以上计算分析，基本可以了解到火灾数据信息，以此完成火灾调查。

（二）基于FDS的火灾场景重构

在火灾调查的基础上，利用调查信息对火灾场景进行重构，本文考虑到场景重构精度、火源面积以及房间尺寸变化对火灾燃烧模拟的影响，采用FDS软件对火灾场景进行重构，过程如下：

在FDS软件中建立一个直角坐标系，根据火灾现场长、宽、高确定直角坐标系的计算区域。将建立的计算区域进行网格化处理，令计算区域内网格均匀分布，单个网格大小设定为0．5×0．5×0．5，根据火灾现场面积大小确定网格总数量。在该直角坐标系中对计算区域边界与外部空间边界进行自由边界设定，这样可以不会限制火焰动向以及火灾烟气流动。设定完火灾场景重构区域后，在FDS软件中设定火源为油池火反应，也就是燃料先受热蒸发再进入气相反应，这是常见火源反应，也可以根据实际情况对其进行设定。然后在FDS软件中对火灾场景重构参数进行设置，参数设置关系到火灾场景重构精度，需要根据实际情况设置，其中包括火灾现场尺寸、火灾材料热物性等，尤其是火灾材料参数设置，不同火灾材料的热物性是不同的。

将火灾调查数据输入到FDS软件火灾场景中，此时FDS软件会对各类数据进行网格化处理，从而形成一个火灾现场三维空间模型，在该模型中可以了解到所有火灾场景信息，将真实火灾场景进行还原，以此完成火灾场景重构，进而完成了基于DFS的火灾调查及场景重构。

三、实验论证分析

实验以某酒店火灾事故为实验对象，火灾发生原因为人为纵火，火灾发生地点为一座15层高层建筑，楼层高度4．5m，起火楼层位于5楼，单层建筑物面积约1656m2。火灾发生后，酒店工作人员立即向市消防队报警，市消防队接到报警后调集14名消防队员和4辆消防车赶往火灾现场，经过3小时的火灾救援，火灾被扑灭，造成人员伤亡9人，实验利用此次设计方法与传统方法对该火灾进行调查与场景重构。实验调查结果：火灾烧毁面积约566．25m2，主要集中在第5层，包括16间客房。

利用FDS软件对火灾场景进行重构，根据火灾面积将火灾划分成五个场景，表1为该五个火灾场景工况表。

表1 火灾场景工况表

实验利用FDS软件对五个火灾场景进行重构，包括温度、热释放率、时间等，其中五个火灾场景热释放率分别为1520kW、1300kW、1450kW、1650kW、1760kW，将火灾重构场景与实际情况进行对比分析，利用BHJU软件计算出重构场景与实际场景的相关系数，实验将其作为两种方法对比分析指标，实验结果如表2所示。

表2 两种方法相关系数对比

从表2可以看出，应用本文设计方法对火灾重构的场景与实际场景基本相同，相关系数值较大，远高于传统方法，这说明本文设计方法可以真实地反映出火灾当时场景，更适用于火灾调查及场景重构。

四、结语

FDS作为一个精度较高的火灾数值模拟软件，对火灾调查与场景重构具有重要的应用价值，本文结合该软件优点，设计了一套新的火灾调查及场景重构方法，并且利用实验验证了该方法的准确性和适用性，可以为消防安全人员制定消防措施提供数据依据，同时也可以为消防部门确定火灾灭火方案提供基础。