消防數(shù)值模擬技能思索

1、消防數(shù)值模擬技能思索本文作者：智會(huì)強(qiáng)牛坤單位：公安部天津消防研究所計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為消防科學(xué)的研究提供了有利手段。在科學(xué)研究方而，數(shù)值模擬的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：研究火災(zāi)機(jī)理：如可以用數(shù)值模擬研究火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和煙氣蔓延機(jī)理，研究轟燃、回燃等現(xiàn)象2-3o可以研究各類火災(zāi)的特點(diǎn)，如建筑火災(zāi)、工業(yè)火災(zāi)、森林火災(zāi)、船舶火災(zāi)等。研究滅火系統(tǒng)的性能：如研究自動(dòng)噴水系統(tǒng)、細(xì)水霧系統(tǒng)的滅火性能4,研究不同熱敏性能的噴頭的啟動(dòng)特性，噴頭布置對(duì)滅火性能的影響等。目前，可用于這方面研究的軟件主要有FDS、FLUENT、PHOENICS等，其中FDS和PHOENICS都有專門的噴淋模型。研究火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的性能

2、：研究火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)的響應(yīng)、火災(zāi)探測(cè)器的布置方法等。目前，火災(zāi)模擬軟件FDS在這方而應(yīng)用較多，該軟件目前可以模擬感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器的啟動(dòng)及探測(cè)性能。研究防排煙系統(tǒng)的性能：如研究防排煙系統(tǒng)的排煙量、排煙口布置方法、排煙系統(tǒng)的最佳啟動(dòng)時(shí)間等。煙氣流動(dòng)是典型的湍流流動(dòng)，因此，一般的CFD軟件均可用于模擬煙氣的流動(dòng)。研究消防產(chǎn)品的性能：如，分析消防水槍、水泡的流場(chǎng)特性，模擬消防泵的工作性能，分析消防防護(hù)服的隔熱性能等7-8。通過數(shù)值模擬，可以對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)構(gòu)對(duì)火的反應(yīng)：主要用來分析鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等在火災(zāi)作用下的應(yīng)力和應(yīng)變等9-10。利用結(jié)構(gòu)分析軟件和CFD軟件相結(jié)合，首先用C

3、FD軟件計(jì)算出火場(chǎng)的溫度等參數(shù)，然后再將其導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件中作為己知邊界條件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱響應(yīng)計(jì)算。目前，己有學(xué)者將火災(zāi)模擬軟件FDS和結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS集成在了一起，方便了使用口。指導(dǎo)和輔助試驗(yàn)研究：試驗(yàn)之前對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬，可以預(yù)測(cè)試驗(yàn)可能出現(xiàn)的現(xiàn)象、試驗(yàn)參數(shù)的大致范圍等，對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，提高試驗(yàn)成功率有較大意義。同時(shí)，對(duì)于投資較大或進(jìn)行試驗(yàn)比較困難的情況，可利用火災(zāi)模擬來代替部分試驗(yàn)，以節(jié)省投資。隨著各種設(shè)計(jì)新穎、造型獨(dú)特的新型、大型建筑出現(xiàn)，單純的“規(guī)格式防火設(shè)計(jì)規(guī)范己經(jīng)不能滿足消防要求。因而，針對(duì)結(jié)構(gòu)和功能較為復(fù)雜的新型、大型建筑使用性能化防火設(shè)計(jì)方法己成為一種發(fā)展趨勢(shì)。性能化防火

4、設(shè)計(jì)方法運(yùn)用消防安全工程學(xué)的原理，采用計(jì)算機(jī)模擬手段，根據(jù)具體建筑的布局、火災(zāi)荷載的分布以及人在火場(chǎng)中的行為特征等，模擬火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展過程、煙氣在建筑內(nèi)的流動(dòng)、人員疏散以及消防系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，判斷消防設(shè)計(jì)是否滿足消防安全的要求。實(shí)現(xiàn)性能化設(shè)計(jì)最重要的基礎(chǔ)就是火災(zāi)過程的計(jì)數(shù)值模擬。性能化設(shè)計(jì)中需要根據(jù)火災(zāi)模擬的結(jié)果來評(píng)估消防設(shè)計(jì)方案是否滿足要求。因此，火災(zāi)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著建筑的消防設(shè)計(jì)是否安全。性能化設(shè)計(jì)方法己在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，在我國(guó)一些重大工程項(xiàng)目中己得到成功應(yīng)用，如：2008年奧運(yùn)會(huì)70%的場(chǎng)館與配套設(shè)施采用了性能化防火設(shè)計(jì)，也就是說這

5、些場(chǎng)館在消防設(shè)計(jì)中都直接采用了數(shù)值模擬技術(shù)12o目前，火災(zāi)調(diào)查工作的地位日益突出，數(shù)值模擬作為火災(zāi)調(diào)查的一個(gè)平臺(tái)也己被提出并正在發(fā)展。當(dāng)前火災(zāi)事故調(diào)查還處在經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)水平上，火災(zāi)調(diào)查的一些方法尚缺乏基礎(chǔ)理論的支持，還沒有達(dá)到用數(shù)學(xué)方法對(duì)火災(zāi)調(diào)查進(jìn)行直觀實(shí)際指導(dǎo)的研究水平。雖然獲得火災(zāi)過程參數(shù)的最有效方法是進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)，但進(jìn)行試驗(yàn)花費(fèi)大，周期長(zhǎng)，難以滿足實(shí)際需要。與實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有成本低、靈活性高等特點(diǎn)，如：利用數(shù)值模擬可以方便的模擬不同工況下，各種因素對(duì)火災(zāi)的影響及火場(chǎng)各參數(shù)的變化，通過模擬結(jié)果和火災(zāi)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以確定或排除某些火災(zāi)原因。因此，火災(zāi)的數(shù)值模擬作為火災(zāi)調(diào)查的方

6、法之一對(duì)于提高火災(zāi)調(diào)查的研究發(fā)展效率以及提供科學(xué)依據(jù)具有重要的意義。目前，中國(guó)科技大學(xué)在這方面研究較多，如李一涵，邱榕13等人，利用火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)遺留痕跡與火災(zāi)溫度、燃燒持續(xù)時(shí)間、起火部位位置存在著對(duì)應(yīng)變化的規(guī)律，應(yīng)用數(shù)值模擬，研究了這些圖痕的形成規(guī)律及其在確認(rèn)火災(zāi)原因中的應(yīng)用。目前，數(shù)值模擬技術(shù)已在國(guó)內(nèi)化工廠、歌舞廳、居民樓等火災(zāi)原因調(diào)查中獲得了初步應(yīng)用14-16o值得一提的是美國(guó)NIST曾使用他們開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)演化程序FDS,對(duì)多起大火（其中包括美國(guó)世界貿(mào)易中心雙塔樓）進(jìn)行事后計(jì)算，通過模擬,獲得了火源位置、轟然時(shí)刻以及煙氣蔓延歷程等一些重要信息，對(duì)火災(zāi)原因鑒定起到了重要作用。在信息數(shù)字化和可視化的基礎(chǔ)上，將火災(zāi)模擬分析與消防應(yīng)急指揮有機(jī)結(jié)合起來，運(yùn)用GIS技術(shù)建立火災(zāi)模擬分析與消防應(yīng)急指揮系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)朵條件下大區(qū)域火災(zāi)蔓延動(dòng)態(tài)模擬，進(jìn)而提供火災(zāi)數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬分析、消防指揮調(diào)度及控制顯示等功能1刀。通過兩者結(jié)合,可提高從接警到滅火、撲救過程的效率，快速確定滅火、援救、疏散方案以及火災(zāi)蔓延范圍，從而提高消防指揮決策的現(xiàn)代化水平和整體作戰(zhàn)能力。目前，對(duì)于該領(lǐng)域的研究尚不深入，無論在理論研究方而還是消防管理模式方而都面臨著許多挑戰(zhàn)，其實(shí)際應(yīng)用還處于探索階段。隨著研究的深入，系統(tǒng)功能將會(huì)進(jìn)一步得到完善，將來有望在消防部門推廣應(yīng)用。3結(jié)語