数值模拟技术在消防工程中的应用吕金涛

数值模拟技术在消防工程中的应用吕金涛

吕金涛孔庆仪

北京政法职业学院北京102628

摘要：在当前建筑工程建设过程中，建筑防火工程属于十分重要的内容及组成部分，可使建筑工程防火安全得到较好保证，使其发挥更理想作用。在当前建筑防火工程中，很多现代化技术均得到十分广泛的应用，而模拟技术就是比较重要的一种，可使建筑防火工程作用得以更好发挥。所以，在当前建筑防火工程建设及应用中，应当合理应用模拟技术，从而使工程功能得以更好实现，促进其更好发展。

关键词：数值模拟技术；性能化防火设计；应用

1前言

随着计算机技术的发展和数值模拟技术的发展，数值模拟技术已广泛应用于消防工程的各种实践中，已经成为了现代消防工程研究的重要课题。通过数值模拟技术采集和建立火灾各种情况下的数学模型，通过数学模型分析火灾中的数值变化和有可能突发的情况，做到更好的现场预测和安全防护。通过数值模拟技术的建立，可大幅度减少对模拟火灾过程中各种人力、物力、财力的投入，只需要掌握数据模型就可以做到比实际模拟更高效和安全的采集。当前，数值模拟已经在消防指挥、防火调查和防火设计等过程中得到了广泛的应用。

2数值模拟技术应用的意义及现状

通过数值模拟技术，结合优化的设备及可视化数字信息技术，在消防指挥中可以起关键性的作用。当火灾发生时，模拟技术可以通过事先和实时采集的现场数据，接入消防指挥车，对现场的火势情况、火势走向、烟量大小和分布以及人员分布，消防安全出口等一系列的数据模型，模拟出最佳灭火方案；还可以通过数据模型对现场可能的突发情况作出预判，在救火之前做到合理的处置。例如在预防爆炸事故发生的过程中，如果通过模拟技术提前评估危险化学品可能造成的伤害，就可以将事故伤害控制在最小的范围内，有效地做出消防安全判断。目前，国内数值模拟在消防工程上的应用还不够成熟，研究不够成熟，现阶段的探索非常有限，模拟技术在消防指挥的应用上仍然任重而道远。

3火灾的数值模拟方法介绍

根据所模拟现象、研究层次和方法的不同，可将火灾模拟方法分为以下五种：（1）专家系统：专家系统是将实验研究的一些经验性模型或是将一些经过简化处理的半经验模型加上重要的热物性数据编制成软件，以供从事消防事业的非研究人员使用。（2）区域模拟：区域模型通常把房间分为两个控制体，即上部热烟气层与下部冷空气层。当烟气分层现象明显时，区域模拟可给出比较真实的结果。（3）网络模拟：网络模型把系统中的每个特殊区域（例如房间）作为一个节点处理，在每个节点上，特征参数的值相同。这种模型的最大优点是它可以考虑多个房间，但其结果比较粗糙。（4）场模拟：场模型是建立在CFD数值模拟基础之上的一种模型,可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象。随着计算机技术的快速发展，场模拟已成为火灾模拟的主要方法。（5）混合模拟:将上面所述的两种或两种以上的模型结合起来使用便得到混合模拟模型，如，场-区-网模型等。

4数值模拟技术在火灾模拟上的应用

4.1数值模拟

首先是专家系统，是通过数值模拟建立分析模型和操作模型，通过对大数据采集和分析，使非专业人士通过专家系统来操作和使用。其次通过区域模拟在房间烟层和冷空气层建立的模拟数据来得出区域的实际处理结果。还可以通过网络模拟搭建网络模型，将系统中的任意特殊区域作为一个节点进行分析，在任意节点上，可以得到相同的特征参数值。该模型的最大特点是它可以同时运用到多个节点，但其缺点是模拟结果相对模糊。最后，场模拟是建立在CFD数值模拟基础之上的一种模型,可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象。随着模拟技术的快速发展，场模拟已成为火灾模拟的主要方法。

4.2消防基础研究

计算机模拟技术为消防科学的研究提供了有利手段。在科学研究方面，数值模拟的应用主要体现在以下几个方面：（1）研究火灾机理：如可以用数值模拟研究火灾的发生、发展和烟气蔓延机理，研究轰燃、回燃等现象。可以研究各类火灾的特点，如建筑火灾、工业火灾、森林火灾、船舶火灾等。（2）研究灭火系统的性能：如研究自动喷水系统、细水雾系统的灭火性能，研究不同热敏性能的喷头的启动特性，喷头布置对灭火性能的影响等。目前，可用于这方面研究的软件主要有FDS、FLUENTPHOENICS等，其中FDS和PHOENICS都有专门的喷淋模型。（3）研究火灾探测系统的性能：研究火灾探测系统对火灾的响应、火灾探测器的布置方法等。目前，火灾模拟软件FDS在这方面应用较多，该软件目前可以模拟感温探测器、感烟探测器的启动及探测性能。（4）研究防排烟系统的性能：如研究防排烟系统的排烟量、排烟口布置方法、排烟系统的最佳启动时间等。烟气流动是典型的湍流流动，因此，一般的CFD软件均可用于模拟烟气的流动。（5）研究消防产品的性能：如，分析消防水枪、水泡的流场特性，模拟消防泵的工作性能，分析消防防护服的隔热性能等。通过数值模拟，可以对产品的性能进行优化。(6)研究结构对火的反应：主要用来分析钢结构、混凝土结构等在火灾作用下的应力和应变等。利用结构分析软件和CFD软件相结合，首先用CFD软件计算出火场的温度等参数，然后再将其导入结构分析软件中作为已知边界条件，对结构进行热响应计算。目前，已有学者将火灾模拟软件FDS和结构分析软件ANSYS集成在了一起，方便了使用。

4.3性能化防火设计

随着各种设计新颖、造型独特的新型、大型建筑出现,单纯的“规格式”防火设计规范已经不能满足消防要求。因而，针对结构和功能较为复杂的新型、大型建筑使用性能化防火设计方法已成为一种发展趋势。性能化防火设计方法运用消防安全工程学的原理，采用计算机模拟手段，根据具体建筑的布局、火灾荷载的分布以及人在火场中的行为特征等，模拟火灾的发生和发展过程、烟气在建筑内的流动、人员疏散以及消防系统对火灾发展的影响，通过对计算结果的分析，判断消防设计是否满足消防安全的要求。实现性能化设计最重要的基础就是火灾过程的计数值模拟。性能化设计中需要根据火灾模拟的结果来评估消防设计方案是否满足要求。因此，火灾模拟结果的准确性直接关系着建筑的消防设计是否安全。

5结束语

随着现代建筑工程建设不断发展，建筑防火工程在整个建筑工程中也逐渐占据越来越重要的地位，因而保证建筑防火工程功能及作用发挥也就十分必要。在当前建筑防火工程建设及实际运行过程中，可对模拟技术进行合理应用，从而更好发挥其防火工作。相关工作人员应当对模拟技术及其应用加强认识，并且进一步加强其应用，使其在建筑防火工作中实现更大价值，促进建筑防火工程建设及应用的进一步发展。

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