張 偉

（吉安市消防支隊 江西 吉安 343000）

0 引言

由于火災的隨機性特征以及各種人為因素使得火災仍將長期存在于人類社會的發(fā)展中，可以預計，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，火災將呈現(xiàn)多元化趨勢?；馂氖鹿收{(diào)查是探索火災規(guī)律的一項基礎研究，是遏制火災發(fā)生的有效手段，是消防工作的重要內(nèi)容。當前火災調(diào)查面臨嚴峻挑戰(zhàn)，由于火災燃燒過程的極度復雜性(涉及高分子燃料、燃燒空間大、空間結(jié)構(gòu)復雜)以及不同燃燒行為會產(chǎn)生表面上相似的后果等原因，使得這類研究變得極為困難。加之火災本身的破壞性以及不同火場的特殊性，更加大了火災調(diào)查的難度，使火場重構(gòu)無從實現(xiàn)。

在我國，采用火災現(xiàn)場勘驗中的痕跡物證的證明作用，給出鑒定結(jié)論，盡管是許多火災調(diào)查專家、學者及工作者長期工作的寶貴經(jīng)驗和研究成果，但由于缺乏對應的國家標準，其合法性也面臨著巨大挑戰(zhàn)。加強火災現(xiàn)場中痕跡物證的收集和檢測鑒定以及痕跡物證形成機理的基礎研究勢在必行。只有切實為痕跡物證提供科學的理論根據(jù)，提高火災事故調(diào)查手段的科學水平，才能保證火災調(diào)查向高端發(fā)展?；馂目茖W的模擬研究是探索火災確定性規(guī)律的重要手段，包括實驗模擬和計算機數(shù)值模擬。

1 火災模擬技術簡介

近十幾年來，隨著火災科學研究的逐步深入以及計算機科學的飛速發(fā)展，計算機模擬成為火災科學研究中的重要手段之一。火災的實驗研究往往耗費資源巨大，實驗周期長。而計算機模擬能夠很好的解決這一問題。通過對燃燒和流動等過程進行計算機模擬來研究火災，大大降低了研究成本，縮短研究周期。計算機模擬還能進行一些實驗難以實現(xiàn)的研究內(nèi)容?；馂倪^程計算機模擬具有以上眾多優(yōu)點，在火災研究中發(fā)揮著重要作用。[1]

其中FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準與技術研究所(NIST)開發(fā)的一種場模擬程序，它以其開放性以及可改造性在火災計算機模擬中得到廣泛應用。它應用了兩種類型的燃燒模型，既直接數(shù)值計算(DNS)和大渦模擬計算(LES)。使用哪種模型取決于基礎網(wǎng)格的選擇。在DNS計算中，燃料和氧氣的擴散可以直接模擬，使用一步有限速度化學反應。但是對于應用LES的計算，網(wǎng)格的劃分不能很好的解決燃料和氧氣的擴散問題，這就需要應用混合分數(shù)燃燒模型。應用的模擬近似受到計算機計算能力的影響，是關于時間和空間的函數(shù)，同時受限于對現(xiàn)有現(xiàn)象的解釋程度。FDS火災模擬軟件包含了FDS和SomkeView兩部分。其中FDS是軟件的主體部分，主要完成模擬場景的構(gòu)建和計算工作，而SomkeView是FDS計算結(jié)果顯示和后處理程序，它不但能夠處理動態(tài)數(shù)據(jù)，而且可以顯示出靜態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以二維或三維圖形直觀地顯現(xiàn)出來。模型的輸入?yún)?shù)包括：空間初始環(huán)境溫度，火源物品的燃燒性質(zhì)，滅火系統(tǒng)的影響，煙氣的組成和性質(zhì)是否考慮障礙物的影響，為收集有用數(shù)據(jù)所需的模擬時間，網(wǎng)格劃分大小，所需要測量的數(shù)據(jù)類型及探測點位置，火源種類、初始溫度以及熱釋放速率等問題。FDS計算結(jié)果中的二維數(shù)據(jù)隨時間變化的數(shù)據(jù)輸出格式為Office Excel程序格式，可以通過各種數(shù)據(jù)處理軟件進行處理和分析。使用FDS和Smoke view的一般步驟：

1）建立一個FDS輸入文件。FDS的輸入文件包括以下信息：計算域的大小、數(shù)字網(wǎng)格的大小、計算域內(nèi)物體的幾何形狀、火源的設定、燃料類型、熱時放速率、材料的熱物性、邊界條件等。

2）運行FDS，得到一個或多個輸出文件。FDS的輸出參數(shù)主要是密度、溫度、速度、壓力、熱釋放率、燃燒產(chǎn)物的濃度、能見度以及熱流和輻射對流等。計算中想要得到在什么位置的什么參數(shù)的數(shù)據(jù)，計算前必須在輸入文件中進行提前設定，一旦開始計算就無法中斷計算來修改輸入文件。FDS數(shù)據(jù)的輸出形式主要有以下幾種：

a、以在計算區(qū)域內(nèi)任何位置設置測點，獲得所需參數(shù)在該位置隨時間的變化趨勢。

b、獲得任意位置二維平面各種參數(shù)的變化。

c、得到特定參數(shù)在三維空間內(nèi)的等值面圖。

d、獲得某一特定時間內(nèi)所設定參數(shù)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，可以用二維或三維圖片的形式表示這些數(shù)據(jù)。

3）運行Smokeview來查看和分析第2步得到的輸出文件，運行Smokeview時可雙擊文件case-name1smv或直接在命令行輸入Smokeview Case-name1Smoke view。Smokeview也可以用于創(chuàng)建新的障礙物和修改原來障礙物的屬性，這種對障礙物的修改將被保存在一個新的FDS輸入數(shù)據(jù)文件casename1data里。

FDS以網(wǎng)格作為最小計算單位，網(wǎng)格的大小是模型中最重要的數(shù)字參數(shù)，它規(guī)定了模型內(nèi)部偏微分方程在空間和時間上的精度。FDS在每一個離散時間步內(nèi)計算出每一個網(wǎng)格內(nèi)的溫度、密度、壓力、速度和化學成分等因此，良好的網(wǎng)格劃分能得到較精確的計算結(jié)果，而如何實現(xiàn)“好”的劃分則并非易事。理論上講，網(wǎng)格劃分越細，計算結(jié)果越精確，而一個火災場景通常有數(shù)十萬甚至數(shù)百萬的網(wǎng)格，以及成千上萬個時問步。因此，考慮到計算機的性能和對計算時間的控制，這種理論方法實踐起來非常困難。FDS在對空間和時間的預測上具有二階精度，即對網(wǎng)格進行一次二分能降低方程的離散錯誤。但由于方程是非線性的，降低離散錯誤可能不會同等地降低輸出結(jié)果的錯誤。[2]

2 數(shù)值模擬技術在火災調(diào)查中的應用

目前國內(nèi)外對火災事故類型的分析通常由專業(yè)人員采用長期工作積累的經(jīng)驗、或采用半經(jīng)驗的方式，很少有數(shù)值模擬手段應用于火災調(diào)查。Daniel Madrzykowski等人應用FDS火災模擬軟件模擬了美國華盛頓的一起真實的室內(nèi)火災?；馂哪M的資料是根據(jù)火災調(diào)查機構(gòu)提供的真實的火災現(xiàn)場情況為依據(jù)，確定了火災熱釋放速率、特殊部位的溫度、火場中煙氣的流動方向和速度、氧氣濃度、室內(nèi)壓力等相關數(shù)據(jù)。起火建筑為三層，根據(jù)火災調(diào)查報告的認定，發(fā)生火災是由位于地下室天花板內(nèi)的電器設備引起的，開始在地下室內(nèi)蔓延并且在地下室內(nèi)發(fā)生了轟然，從地下室通向樓梯處的門在火災發(fā)生時一直處于開啟狀態(tài)，使一層建筑有了煙氣和熱量的積累。從FDS模擬的結(jié)果來看，火勢是沿著天花板開始蔓延，散落下的火星引燃了室內(nèi)的其他可燃物，直至地下室內(nèi)的氧氣被消耗盡。

通過國內(nèi)外學者、專家以及火災調(diào)查工作者在火災事故調(diào)查工作中對數(shù)值模擬技術的應用證明，F(xiàn)DS能夠很好的重現(xiàn)真實的火災場景。利用火災動力學模擬軟件FDS建立實際火災場景的數(shù)學模型，對真實的火災事故進行計算機數(shù)值模擬對火災事故結(jié)果的準確性是一種很好的研究方法。在建模時需要清晰知道起火建筑物的詳細資料，包括建筑物尺寸及材料、內(nèi)部裝修材料、建筑物的開口大小、當時的通風及天氣狀況、周圍建筑物的布局等，這些資料可通過火災調(diào)查機構(gòu)或部門、氣象部門獲得。通過采用火災動力學模擬軟件（FDS），對可能的起火點、起火原因建立火災場景進行火災動力學模擬，可以計算火災現(xiàn)場關鍵部位的火場溫度、可見度、煙氣層溫度及高度、氧氣和一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)與火災現(xiàn)場勘探的數(shù)據(jù)進行比較，排除不合理的起火點、起火原因及人員死亡原因，為火災調(diào)查人員提供合理的依據(jù)，解決了火災現(xiàn)場看勘察很難確定的問題，進一步完善了火災調(diào)查報告的準確性。對模擬過程中的火災蔓延趨勢的再現(xiàn)，也為采取消防保護措施提供了依據(jù)。為火災調(diào)查逐漸實現(xiàn)定性向定量研究發(fā)展轉(zhuǎn)化，以指導火災調(diào)查工作的進行。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和人們對火災事故調(diào)查的嚴密性，數(shù)值模擬技術將能將廣泛用來輔助火災事故調(diào)查。

3 結(jié)論

綜上所述，火災的數(shù)值模擬重建對我們調(diào)查火災的發(fā)生和蔓延具有重要意義。FDS在對有焰燃燒的火災事故模擬，較真實的重現(xiàn)火災場景，并且已經(jīng)成為火災事故調(diào)查不可或缺的技術手段，能夠很好的輔助火災調(diào)查工作人員進行火災事故調(diào)查，對有異議的火災事故結(jié)論提供更加可信的依據(jù)并將在火災調(diào)查中的發(fā)揮更為巨大的作用。

［1］薛偉,張光俊.FDS火災模擬與應用[J].吉林林業(yè)科技,2006,6(35)：18-19.

［2］房玉東.細水霧與火災煙氣相互作用的模擬研究[D].合肥:中國科技大學,2006：107-108.