趙令煌 林熙

摘 要：計算機技術(shù)的進步，推動著火災(zāi)科學(xué)研究方法的創(chuàng)新，利用計算機技術(shù)，實現(xiàn)火災(zāi)過程的數(shù)字模擬已經(jīng)成為了現(xiàn)代火災(zāi)科學(xué)研究的重要手段。火災(zāi)數(shù)學(xué)模型的建立是實現(xiàn)計算機數(shù)值模型技術(shù)的關(guān)鍵，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查中，可以通過火災(zāi)的數(shù)值模型重建，對火災(zāi)事故進行模擬，較為真實的重現(xiàn)火災(zāi)場景，從而在火災(zāi)調(diào)查過程中發(fā)揮巨大作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬技術(shù) 火災(zāi)調(diào)查 應(yīng)用

中圖分類號：X928.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）009-155-02

火災(zāi)調(diào)查的目的是找出火災(zāi)發(fā)生的原因，核定火災(zāi)損失，查明火災(zāi)事故責(zé)任，找出相關(guān)證據(jù)，研究火災(zāi)發(fā)生規(guī)律，為預(yù)防火災(zāi)及滅火工作提供科學(xué)依據(jù)。然而由于火災(zāi)現(xiàn)場破壞性較強，因果關(guān)系隱蔽性較高，極大地增加了火災(zāi)調(diào)查的難度；在自發(fā)滅火或消防隊滅火過程中，對火災(zāi)事故現(xiàn)場造成嚴(yán)重破壞，讓火災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查更加復(fù)雜。隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，其建筑材料及裝飾多種多樣，火場中可燃燒材料與不可燃燒材料的布局及數(shù)量變化較大，同樣增加了火災(zāi)調(diào)查的難度。在火災(zāi)調(diào)查中，找出火災(zāi)事故的原因難度很大，這就要求提高火災(zāi)調(diào)查的技術(shù)手段。隨著計算機技術(shù)的進步，將計算機數(shù)值模擬火災(zāi)實驗應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查中，通過火災(zāi)數(shù)值模型重建，對火災(zāi)事故進行模擬，從而較為真實的重現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場，推動火災(zāi)調(diào)查工作的發(fā)展。

1 當(dāng)前火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)中火災(zāi)數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀

利用計算機，實現(xiàn)火災(zāi)過程的數(shù)值模擬，建立火災(zāi)數(shù)學(xué)模型，重現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場，從而推動火災(zāi)科學(xué)研究的進步。計算機數(shù)值模型技術(shù)的核心是火災(zāi)數(shù)學(xué)模型，在面對同一火災(zāi)過程進行數(shù)值模擬時，采取不同的火災(zāi)數(shù)學(xué)模型，在其使用范圍內(nèi)計算的結(jié)果是較為合理的。隨著火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了較多的火災(zāi)數(shù)學(xué)模型，其中研究火災(zāi)過程的計算機模擬技術(shù)數(shù)學(xué)模型主要有網(wǎng)格模型、區(qū)域模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ图皥瞿Ｐ汀?/p>

1.1 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格模型將整體建筑物視為一個系統(tǒng)，將建筑物中每個封閉空間作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過各種空氣流通路徑將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相連，并利用能量及質(zhì)量守恒公式對整個建筑物內(nèi)的空氣流動、煙氣傳播、壓力分布等情況進行研究，可應(yīng)用于評價建筑物內(nèi)嚴(yán)控系統(tǒng)效果，并對火災(zāi)安全進行分析。

1.2 區(qū)域模型

區(qū)域模型將所研究的受限空間分為不同的區(qū)域，設(shè)定各個區(qū)域內(nèi)各種物理量參數(shù)一致，只要在區(qū)域與區(qū)域之間、區(qū)域與邊界及火源之間才可以發(fā)生質(zhì)能交換。區(qū)域模型將一個房間的下部分為冷空氣層，上部分為熱煙氣層，屬于一種簡化的物理模型，這種模型不僅可以模擬火災(zāi)發(fā)展過程，還可以研究出火災(zāi)發(fā)生后煙氣發(fā)展蔓延情況，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)危險性分析及消防工程設(shè)計方面。

1.3 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪且詫嶒灉y試所獲取的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗為依據(jù)，通過數(shù)學(xué)方法的簡化處理，結(jié)合熱物性參數(shù)所建立的數(shù)學(xué)模型。隨著人們對火災(zāi)研究不斷加深，積累了較多的火災(zāi)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，依據(jù)這些數(shù)據(jù)及經(jīng)驗建立模型，對火災(zāi)發(fā)展的過程進行評估。

1.4 場模型

火災(zāi)的場模擬研究是通過對狀態(tài)參數(shù)的分布計算來描述火災(zāi)發(fā)展的數(shù)值方法，通過計算機技術(shù)，計算出火災(zāi)發(fā)展過程中各個參數(shù)的分布及變化。將復(fù)雜變量引入到場模型中，從而精確計算出火災(zāi)發(fā)展過程中的參數(shù)變量。場模型是當(dāng)前研究受限空間火災(zāi)發(fā)展過程中，可以精確計算的一種數(shù)學(xué)模型。

2 火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)場模型（FDS）研究及實現(xiàn)

隨著時代的發(fā)展，計算機模擬技術(shù)逐漸成為了火災(zāi)調(diào)查的重要手段之一。進行火災(zāi)實驗研究，實驗周期較長，資源耗費較大，而采取計算機模擬技術(shù)，通過對火災(zāi)發(fā)展過程中的各個參數(shù)進行計算，可以有效縮短研究周期，降低研究成本。將計算機數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于水災(zāi)調(diào)查中，具備較多優(yōu)點，在火災(zāi)調(diào)查中發(fā)揮著重要作用。

場模型，簡稱FDS，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)的一種場模擬程序，由于場模型具備良好的可改造性，在火災(zāi)計算機模擬中獲得廣泛應(yīng)用。場模型通過利用計算機技術(shù)，計算出火災(zāi)發(fā)展過程中如溫度、有毒氣體濃度等參數(shù)的空間分布及變化，在求解過程中，會涉及到流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等，包括能量、質(zhì)量、化學(xué)物質(zhì)之間的相互作用，體現(xiàn)出較多的流體動力學(xué)過程。場模型引入復(fù)雜變量，可以精確計算出火災(zāi)發(fā)展過程中的參數(shù)變量。場模型中包括直接數(shù)值計算與大渦模擬計算兩種燃燒模型。在實際操作中，根據(jù)基礎(chǔ)網(wǎng)格來選擇使用哪一種模型。在使用直接數(shù)值計算時，可以實現(xiàn)對氧氣及燃料擴散的直接模擬；采取大渦模擬計算時，則不能很好地解決氧氣及燃料的擴散模擬問題，需要采取混合分?jǐn)?shù)燃燒模型來解決。

FDS火災(zāi)模擬軟件是由FDS及somke view兩部分組成，其中FDS主要負責(zé)模擬場景的構(gòu)建，并負責(zé)計算工作，屬于軟件主體部分；somke view主要負責(zé)處理動態(tài)數(shù)據(jù)，顯示靜態(tài)數(shù)據(jù)，并將FDS計算出的數(shù)據(jù)以二維或三維圖形進行顯示。場模型的輸入?yún)?shù)主要包括：火源物品的燃燒性質(zhì)、初始空間環(huán)境溫度、滅火系統(tǒng)的影響、網(wǎng)格劃分大小、火源種類、初始溫度、熱釋放速率、測量數(shù)據(jù)類型及探測點位置、煙氣組成及性質(zhì)等。通過各種數(shù)據(jù)處理軟件，對各種參數(shù)進行處理與分析。

FDS的實現(xiàn)步驟如下：

（1）建立FDS輸入文件，在FDS輸入文件中需要包括以下信息：數(shù)字網(wǎng)格大小、計算域大小、火源設(shè)定、材料熱物性、邊界條件、熱釋放速率、計算域內(nèi)幾何形狀等。

（2）FDS運行，獲取輸出文件。FDS輸出參數(shù)主要包括：壓力、溫度、密度、速度、燃燒物濃度、能見度、熱釋放率等。在計算機計算之前，需要確定想要獲取的是哪一種數(shù)據(jù)，并在輸入文件夾中提前設(shè)定。最終計算結(jié)果輸出形式可以是多樣的，可以獲取任意點參數(shù)及改位置隨時間變化的趨勢；可以獲取二維平面中任意位置各種參數(shù)的變化；可以獲取特定參數(shù)在三維圖形中信息。

（3）通過somke view分析FDS輸出文件。通過計算機技術(shù)，應(yīng)用FDS可以對火災(zāi)事故進行模擬，計算出火災(zāi)發(fā)生過程中各種參數(shù)，從而較為真實的重現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場。由于受到計算機性能及計算時間的限制，這種技術(shù)的實現(xiàn)較為困難。

3 數(shù)值模擬技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用分析

在美國，研究者應(yīng)用FDS數(shù)值模擬技術(shù)，模擬了一起真實的室內(nèi)火災(zāi)事故。進行火災(zāi)模擬的數(shù)據(jù)資料，采取的是火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定了氧氣濃度、室內(nèi)壓力、特殊部位溫度、熱釋放速率、煙氣流動方向與速度等數(shù)據(jù)。根據(jù)火災(zāi)調(diào)查報告分析，確定火災(zāi)是由地下室天花板電氣設(shè)備所引起，在地下室蔓延。研究者通過FDS數(shù)值模擬技術(shù)，再現(xiàn)了火災(zāi)場景，發(fā)現(xiàn)火勢是沿著天花板開始蔓延，散落火星引起其他室內(nèi)可燃物，最終導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。通過實踐證明，利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)，可以較好的重現(xiàn)真實火災(zāi)場景。

應(yīng)用FDS數(shù)值模擬技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于真實火災(zāi)事故調(diào)查活動中，可以有效推動火災(zāi)事故調(diào)查的進步。在建立模型時，需要具備詳細的建筑物資料，包括建筑物本身的建筑材料、建筑尺寸、建筑裝修材料、火災(zāi)時天氣狀況及通風(fēng)條件等，這些數(shù)據(jù)與資料，可以通過火災(zāi)調(diào)查部門來獲得。應(yīng)用FDS數(shù)值模擬，對引起火災(zāi)的可能起火點建立火災(zāi)場景并進行模擬，計算出火災(zāi)現(xiàn)場建筑物關(guān)鍵位置的火場溫度、煙氣高度、可見度、氧氣及一氧化碳濃度等信息，并將計算結(jié)果與實際火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比，縮小起火點排查范圍，為火災(zāi)調(diào)查人員調(diào)查起火原因提供數(shù)據(jù)支持，并完善火災(zāi)調(diào)查報告，推動火災(zāi)調(diào)查工作的開展。

4 結(jié)語

火災(zāi)調(diào)查的目的是找出火災(zāi)發(fā)生的起火原因，核定火災(zāi)損失，查明火災(zāi)事故責(zé)任，然而由于火災(zāi)現(xiàn)場本身具備較高的因果隱藏性及復(fù)雜性，加上其他因素，導(dǎo)致了火災(zāi)調(diào)查的困難較高。利用計算機技術(shù)，通過火災(zāi)數(shù)值模擬，可以較為真實的重現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場，輔助火災(zāi)調(diào)查人員找出火災(zāi)發(fā)生的原因，推動火災(zāi)調(diào)查工作的進步。

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