建筑消防性能化设计-火灾模拟

建筑消防性能化设计—火灾模拟在火灾模拟中，影响模拟结果准确性的因素比较多，如所建模型和实际对象的接近程度、网格的划分方法、网格的数量、网格尺寸、湍流模型的选择、各种计算假设等因素都会对模拟结果产生影响。（一）概述火灾数值模拟是火灾研究的重要内容之一，但由于火灾现象的复杂性，近几十年来才建立起描述火灾现象的实用数学模型。火灾模型主要分为确定性模型和随机性模型。火灾数值模型主要有专家系统（ExpertSystem）、区域模型（ZoneModel）、场模型（FieldModel）、网络模型（NetworkModel）和混合模型（HybridModel）。场模型也即CFD模型，主要是利用计算流体动力学（CFD）技术对火灾进行模拟的模型，由于CFD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，加之高速、大容量计算机的发展，使得CFD模型得到了越来越广泛的应用。目前用于火灾模拟的CFD模型主要有：FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是专门针对火灾模拟而开发的CFD软件，简单易用。因此，在火灾模拟中应用最为广泛。而PHOENICS和FLUENT是计算流体力学的通用软件，将其用于火灾模拟需要有较强的流体力学背景。因此，应用较少。目前，国内外对FDS的研究比较多，而对于PHOENICS和FLUENT在火灾模拟方面的应用研究则较少，对各个软件的对比研究更少。在火灾模拟中，影响模拟结果准确性的因素比较多，如所建模型和实际对象的接近程度、网格的划分方法、网格的数量、网格尺寸、湍流模型的选择、各种计算假设等因素都会对模拟结果产生影响，怎样才能使模拟结果更加准确、可信是一个急需解决的问题。同时，各个软件都有自己的优缺点和适用范围，对某一工程设计，如性能化设计项目，选择最合适的软件进行火灾模拟是一比较重要的问题。因此，为了能够更好地利用CFD模型进行火灾模拟，有必要对他们进行系统研究。验证(veriifcation)与确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段。长期以来，CFD工作者对CFD软件的验证与确认工作一直没有给予足够的重视。因此，对于计算结果的可信度，CFD研究人员并不能给出明确的回答。这使得CFD软件的使用者对CFD也持一种矛盾的心态，既想利用CFD这种快捷经济的设计工具，又对CFD的计算结果心存疑虑。如果有条件，可以结合数值计算和模拟实体火灾的方式，进一步验证模型的可靠性。（二）选取从软件易用性来看，火灾专用模拟软件相对简单，在应用中不需要作复杂设置，使用者只需掌握火灾基本知识即可得到合理的结果，而通用CFD软件对使用者要求较高，使用者需要对流体力学有深入了解，才能得到合理结果，因此，一般火灾模拟选择专用软件为宜。利用火灾模型进行数值分析前，应着重考虑该模型对所模拟问题的适用性及预测能力，一般情况下，需要事先利用相关试验（已有其他人员进行的试验或自己进行相关试验）对模型进行确认研究。从模拟准确性来看，火灾专用模拟软件由于是专门针对火灾开发，在概念模型层面相对于通用软件更接近于真实模型，其数学模型更能反映火灾过程，因此，一般情况下，建议选择火灾专用软件，除非在专用软件无法模拟的情况下才选择通用软件。使用火灾专用软件时，应着重考虑网格独立性、边界条件设置对模拟结果的影响，使用通用软件时，还应考虑湍流模型、燃烧模型、辐射模型的选择。火灾模型的验证和确认应包含其对各类火灾参数的预测能力研究，如火场温度、热辐射通量、反应产物的浓度变化（着重研究CO、CO2、烟密度等）、火场能见度等。对于通用的CFD软件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其发展比较成熟，其程序一般能够比较准确的反应其所确立的概念模型，因此，对这类模型可以着重于确认研究；对于专用火灾模拟软件，如FDS等，已经进行了较多的确认和验证工作，对于比较常见的火灾场景，如建筑室内火灾等，可以直接用来模拟分析，而对一些特殊的场景，如火灾在狭长双层玻璃幕墙内的蔓延模拟，还需进行进一步确认研究；对于自行编制的火灾模拟程序，模型的验证工作是至关重要的，应确保程序能够准确反映概念模型。用Steckler房间火试验，对PHONEICS和FLUENT进行了确认研究，就该类实例来说，FLUENT的准确度要高于PHENICS，但就工程应用来说，在选择合理的湍流模型、辐射模型，并经过网格独立性检验后，两者的模拟结果一般可满足工程