火灾模拟技术综述

齐珈 陈秋莲

摘要：近年来，随着计算机技术的不断发展，其在消防领域的应用也到了越来越广泛的重视。火灾现场模拟是其中一个重要应用：通过全方位的建模，协助消防人员掌握火灾现场，快速做出应急预案，减少人员伤亡和财产损失。本文总结分析了常见的火灾模型，介绍了火灾模拟的常用软件，为火灾现场的计算机模拟中模型和软件的选择提供参考。

关键词：消防；火灾模型；火灾模拟软件；救援

中图分类号：X913 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）16-0248-03

The Review of Fire Simulation Technology

QI Jia， CHEN Qiu-lian

（School of Computer and Electronic Information， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： In recent years， with the continuous development of computer technology， the application in the field of fire fighting has also been paid more and more attention.Fire scene simulation is one of the important applications： through a full range of modeling to assist firefighters to master the fire scene， and make emergency plans quickly to reduce casualties and property losses. The paper summarizes and analyzes the common fire model， and introduces the frequently used software of fire simulation， and provides reference for the selection of model and software in the computer simulation of fire scene.

Key words：fire fighting； fire model； software of fire simulation； rescue

火灾是指在时间和空间上失去控制的灾害性燃烧现象。据统计，2017年1月至10月全国火灾接警数量为今年1至10月，全国共接报警火灾21.9万起，人员伤亡1744人，据统计直接造成的财产损失高达26.2亿元人民币。虽然相比16年的灾情统计有所下降，但是仍是一个相当大的数目，防灾减灾刻不容缓。目前的消防系统主要还是靠过去的火警经验，如口述或施工建设图纸来进行判断，存在过多的主观因素。计算机对火灾现场模拟可以更加形象客观的对建筑内在布局进行掌控。可以对火灾现场烟气运动进行分析，消除消防人员对火灾现场理解所存在的局限性，协助了指挥人员的全面协调工作。火灾现场模拟也可以为未来防火以及消防人员平时训练提供帮助。

跟着我国的综合国力的不断提升，计算机各方面的性能也不断地提高，在火灾研究方面，计算机数值模拟技术慢慢成为主要的手段。根据相关统计，涉及的火灾模型已多达130多种之多[1]。

1 火灾模拟的相关技术

1.1 理论现状

70年代，美国哈佛的Emmons在质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理的基础上，对建筑火灾的区域模型进行了相关的研究，标志着火灾科学研究的开始。火灾科学的正式开端是在1985年举办的第一届国际火灾科学大会。同时，Drysdale出版的《火灾动力学导论》对之前十年关于室内火灾的特性相关的研究成果进做了相关的总结。

80年代初期，国內便开始对火灾科学以及建筑火灾中的烟气运动等方面开始进行了相关的研究。1989年设立了火灾科学国家实验室，主要研究的内容是火灾从形成到燃烧的过程，同时也对动力学演化、火灾防治方面技术以及火灾安全工程理论与方法学等有一定的研究。1995至2002年间，周允基教授（香港理工大学）等人，从火灾的烟气出发，对其进行了多方面的研究。具体来说，对火灾的火焰机理进行了详细解析，火灾期间的烟气填充时间以及烟气层厚度进行了详细的分析，进而得出了相应的烟气热释放率，同时也对对应的火灾人员疏散与人员逃生进行了一定的模型搭建与相关的研究。

2001年后，中国各大机构以及研究所，都对建筑防火性能化设计技术导则和高层建筑、大空间建筑、人员密集场所的性能化设计、安全评估技术与应用的研究。建立了多种建筑类型的火灾模拟模型和逃生模型，对具体模型进行了相关的路径分析，制定了适合我国的火灾中人员疏散的标准准则和方法。

2002年，程远平等人，综合对比了国内外的几种主要的火源类型特点等，先进行了一系列的相关总结研究，然后对其各种火源各自的热释放速率进行了具体研究，各种不同的火灾中在烟气消耗的原理下，得出热释放速率的结果，然后再在质量损失速率的基础上，再对热释放速率进行研究。综合实验结果，分别建立了对应的[t2]模型、MRFC应用模型以及FFB应用模型，得出了相关的参数范围。通过对各类火源类型的分别总结性研究，以及实验结果的研究，计算出了部分实验热释放速率，对相关测试方法进行了一定的总结。2003年，程远平等人又对火灾与烟气的发展以地下车库为实例进行了进一步的研究，通过对地下车库的火灾烟气模拟计算，得出了逃生和救援的有利条件。

姚建达等人，对火灾现场模拟中的烟气运动进行了相关探讨研究，通过对实际火灾的研究实验进行了对应的三维数理模型。主要研究了在一种体积守恒情况下，修正压力的场区网数值方法（Field-Zone-Net Modeling）。杨锐等人，通过利用火灾的大祸模拟技术进行相关研究，针对火灾现场模拟的场区模型得出新的模拟方案。Fu等人，在对火灾湍流的数值模拟上，提出了综合RANS和DES的计算方法，这种方法的特点是在确保了DES原本计算的精准度上，又极大地加快了RANS的计算效率。

2012年，陳珊珊等人以实际案例为研究对象，运用了大涡模拟方法进行通过各大火灾案例的分析研究。对火灾现场进行一定的还原，对火灾的走势情况进行了相关的预测，进而研究了温度与有毒气体对人的危害，并将危害性指数引入到火灾现场模拟实验研究中。徐永莉在对火灾现场模拟试验中，使用了PyroSim软件与Pathfinder软件对火灾现场进行了细致的分析建模。

2017年，张耀伟等人，通过对变换火源的位置与补风口位置，设计了不同的火灾现场模拟实验，建立了不同的模型，对补风口的位置与烟气的排放的影响进行了相关研究，比呢关切地出了烟气中CO的浓度变化规律。

1.2 模拟模型

在对建筑内部火灾进行模拟时，其燃烧过程中的烟气以及热传递进行模型建立是重点部分。在火灾模型中，当前国内外主要有三种比较成熟的模型，分别是区域模型（Zone Model）、场模型（Field Model）、网络模型（Network Model）。

1.2.1 区域模型

区域模型是根据建筑内发生火灾后，对室内的气体划分成为上下两个区域层，即上层的热烟气区以及下层的冷空气区。在区域模型中，假设烟气浓度、室内压力、空间温度等多个条件是均匀分布，即其各自的参数一定，其次通过质量守恒与能量守恒定理计算出各自的参数变化情况。统计来看，其中有32种模型是比较常用的区域模型，其中哈佛模型为区域模型的一个开端。其中，有18种模型仅模拟单室火灾运动过程，其余则可以对多室情况的火灾运动过程进行模拟[2]。无论是单室火灾模拟还是多室火灾模拟，区域模型主要应用于空间较小的实验，目前最新版本只能计算30个房间的结构形式，并且主要应用于处理轰然火灾类型。但在对轰然火灾的传统区域模型中，存在着机械的应用热烟气层温度或者热辐射强度这一标准的问题，杨立中等人在基于区域模拟的火灾发展模型中，通过对计算可燃物在火灾中接受总辐射能量或表面温度变化情况的判断，克服了这一问题[3]。

总结来说，区域模型的主要特点，在对空间进行处理时，简便快捷，在数值算法处理上相对来说比较容易编写，对实验建模计算上所用时间相对比较短，并且在对其硬件要求上不是很高。不足之处在于较为粗略的空间划分致使精确度不够，在空间内部的运动过程没有进行细致的建模。

1.2.2 网络模型

网络模型的实验原理是，将实验主体建筑看作为一个完整的实验系统，系统中的单独空间是整个系统的每一个单独的网络节点，通过空气流通路径将各个空间连通起来，通过能量守恒定律、质量守恒定律等，可以对实验对象的烟气浓度、以及各个位置的压力分布等相关参数，随着时间的变化而变化进行一系列的研究。日本、美国、荷兰、英国、加拿大等国家在网络模型的研究上有比较多的成果。例如：IRC模型（加拿大）、BRE模型（英国）、TNO模型（荷兰）、CONTAMW模型（美国），其中CONTAMW模型以计算速度和更可靠的结果等优势占主导地位。

网络模型主要应用于连续的空间，游宇航等通过运用网络模型的建模方法，对连续的空间发生的火灾蔓延过程进行了相关模拟，通过实验建模，可预测出火灾蔓延的可能性以及危险性。

网络模型的优点在于对实际连续空间进行了简化的处理，应用于受限空间数目较多的火灾研究。缺点在于，每一个节点必须用一个均匀参数表示，适合于比较均匀的场景进行烟气运动分析，这种模拟方式虽然比较容易，但是实验结果比较粗略，距离真实情况有一定的偏差。同时实验中为了简化计算往往将火源设置为稳态火源，也是导致了计算结果不够真实的原因。

1.2.3 场模型

场模型是根据能量、质量和动量守恒定律及化学反应定律，把火灾现场进行分割，分割为大量的小空间，利用偏微分方程求解来对每个小空间进行相关计算，进而得到整体空间的温度场、流速场及烟气浓度场的实验结果[4]。与网络模型相比，场模型的计算精确度较高，实验结果也相对准确，但是工作量相对较大，对硬件要求相对较高，对实验的边界条件要求也相对严格。

场模型的对比其他模型来说，针对性较强，对火灾现场能够进行细致的变现，实验结果精度较高，可以对火灾现场的烟气运动等物理量进行准确的模拟。但数值算法编写烦琐，计算数据时间较长，对硬件要求较高。目前广泛应用的场模型有CFX、FDS、FLUNET、JASMINE、PHOENICS、STAR-CD[5]。其中，CFX与FDS模型一般应用于室内住宅等建筑物的火灾模型，其中，CFX也可以用于室外火灾；FLUNET由于在计算流体速度以及稳定性与精确性最为突出，则主要用于流场和传热过程；JASMINE主要用于模拟室内室外的烟气运动情况，通常用于室外的隧道等交通火灾现场模拟；PHOENICS主要以低速流输运现象为主要模拟对象，通常用于在航天化工等火灾现场模拟；STAR-CD通常用于比较复杂的燃烧现象。

2 火灾模拟软件

应用于火灾模拟的软件很多，对火灾现场各项数据计算分析的软件有FDS、Pathfinder、CFX、FLUENT等专业软件，可以模拟现场的烟气弥漫情况、人员疏散逃生、火势扩散情况、流体速度等。在对建筑火灾现场进行模拟时，也需要其他软件进行辅助，使火灾现场模拟的实验结果更加的客观与详细具体，如相关的定位系统与3D场景渲染模拟。其中常用的定位系统有GIS、GPS、GLONASS等；常用的3D场景模拟有3DSMAX、MAYA、MAX、Unity3d等。下面将针对部分常用软件的功能、特点和应用等方面进行说明。

2.1 FDS

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准研究所（NIST）的建筑与火灾研究实验室（Building and Fire Research Laboratory）共同开发的一款基于场模型的用于计算流体动力学的软件[33]。采用混合分数燃烧模式针对火灾中烟气运动的每一个过程进行实验设计。FDS在火灾模拟软件中得到了大量的利用，经过大量的实验验证与完善，可以快速模拟出比较复杂的环境以及火灾现场的信息。

FDS軟件包含FDS和Smoke View两部分，FDS首先通过直接数值模拟或者大涡模拟的数值模拟方法，对被划分的每个小空间进行偏微分方程组的求解，然后通过Smoke View输出FDS的计算数据，以二维或者三维呈现[6]。为了能够更加直观的研究输出数据，Smoke View还提供了截面文件、等值面、热电偶和边界文件输出模式。目前该软件已经发行第六版，更新速度相对较快。

其FDS的工作流程如图1所示：

2.2 Pathfinder

在火灾现场人员的疏散问题上，主要是运用Pathfinder软件进行实验模型[7]。Pathfinder最初是美国的Thunderhead Engineering公司研发的一款比较简单直观的三维可视化分析工具，该软件主要模拟人流在某环境中的动态变化过程，应用于火灾现场模拟中的人员逃生情况模拟。通过此模拟器就能够将人流的运动过程，通过三维可视化的分析方式来模拟出来，得出相关的数据模型结果。可以对火灾现场进行人员疏散的演练工作，继而得到更适合的逃生路线与相应的逃生疏散用时。在使用该软件时，可将FDS模型导入其中，既可以通过FDS对火灾现场进行模拟，同时也可以对火灾发生过程中的人员逃生疏散进行模拟，以及计算相关的撤离数据。提高了实验的直观性，同时也提高了数据的可靠性，使得计算的实验结果更加的真实，可以更确切的计算出人员疏散的最佳时间，减少人身财产的损失。

在Pathfinder软件的使用中，在对人员运动过程建模的模式下，包含了SFPE和steering两种模拟模式。SFPE模式模拟的行为为人员运动过程的最低标准行为，SFPE模式是人员的流量为基础，则即实验中的人员可以自动向距离出口最近的地方进行移动。实验中的人员之间不受彼此之间的干扰，其中实验人员的列队排列也属于SFPE模式，此模式是根据人类的行为规律，利用空间密度进而来进算出逃生的运动速度。steering模式模拟则是运用了一定的路径规划，将路径规划中的人员指导与逃生人员之间的相互碰撞影响因素加入其中，从而相互结合，对人员疏散进行相关的指导。在阀值一定的情况下，若实验人员间的距离和距离最近点的路径过大，大于了此值，则对路径进行新一轮的规划[8]。

3 小结

本文简要介绍了目前火灾现场模拟中主要运用的区域模型、场模型、网络模型，可针对不同的火灾类型可以选择适合的建模方法。其中场模型的精确性比较高。在场模型中，通过FDS软件对火灾现场的烟气、火灾扩散情况等信息进行模拟，再通过建筑模拟疏散软件Pathfinder分析火灾事故中影响人员逃生的因素，制定最佳逃生方案，将财产损失与人员伤亡降到最低。

参考文献：

[1] 马骏驰. 火灾中人群疏散的仿真研究[D].同济大学，2007.

[2] 杨立中，郭再富，季经纬，等. 基于区域模拟的火灾发展模型[J]. 科学通报，2005（12）：1272-1277.

[3] 谢元一，王厚华. 建筑物走廊型通道中火灾烟气流动特性的研究[J]. 中国安全科学学报，2006（1）：88-92.

[4] 章涛林，方廷勇，张启良，等. 火灾模拟有限元软件综述[J]. 中国公共安全（学术版），2009（Z1）：90-96.

[5] 朱中杰. 地铁车辆火灾热释放速率计算方法研究[D].西南交通大学，2016.

[6] 张刚，杨昕，汤国安. GIS软件的空间分析功能比较[J]. 南京师范大学学报（工程技术版），2013，13（2）：41-47.

[7] 王静，王伟，等.基于Pathfinder的某高校图书馆人员疏散模拟研究[J].安防科技，2011（6）：3-7.

[8] 金润国，毛龙，乐增.FDS与Pathfinder 在建筑火灾与人员疏散中的应用[J].工业安全与环保， 2009， 36（8）： 44-45.