四、烟气流动的计算方法及模型选用原则

　　(一)概述

　　在火灾科学的研究方法中，采用计算机实现火灾过程或某火灾分过程阶段的模拟研究是一个飞跃。它具有信息代价少、模拟工况灵活、可重复性强等优点。随着计算机技术的不断发展，流体数学物理模型进一步完善，将成为未来研究火灾问题的主要手段。火灾的计算机模拟方法的核心是火灾模型，火灾模型是由火灾各分过程子模型在特定的模拟平台上融合而成的。

　　运用数学模型模拟计算防火的发展过程，是认识火灾特点和开展有关消防安全水平评估的重要手段，尤其对建筑物的性能和设计来说尤为重要。经过最近二、三十年的研究，在火灾烟气流动研究领域已经发展出了多种分析火灾的数学模型。据统计，现在有大约60~70种比较完善的火灾模型可供使用。综合实际计算要求和客观条件限制，对火灾过程的同一个分过程进行模拟时，各火灾模型采用的子模型形式往往是不同的。各子模型形式从不同的角度、不同的程度对分过程采用合理的简化形式进行模化。同一分过程采用不同的子模型形式时，其适用范围内的模拟结果可能都是合理的。有的模型适用于模拟计算火灾产生的环境，主要反映出建筑在火灾时室内温度随时间的变化、火灾中烟气的流动、烟气中有毒气体的浓度、火灾中人员的可耐受时间等;有的模型适用于计算建筑、装修材料的耐火性能、火灾探测器和自动灭火设施的响应时间等。

　　火灾过程是可燃物在热作用下发生的复杂物理化学过程，与周围的环境有着密切的相互作用。任何一种火灾模型都是以对实际火灾过程的分析为依据，各种火灾模型的有效性取决于对实际过程分析的合理性。火灾数值研究的困难主要表现在几个方面：第一，火灾事件具有随机性特点，现实生活中可能出现的火灾场景数不胜数;第二，对于大多数火灾过程很难进行深入的机理方面的分析。火灾研究涉及空气动力学、多相流、湍流的混合与燃烧、辐射以及导热等多学科知识，许多相关内容在各个学科领域还都是研究的热点，其中某些现象至今仍无法建立成熟的理论对其进行解释;第三，火灾过程中可能发生燃烧的物质多种多样，因此无法应用单一的数学模型及经验数据描述物质由聚合状态热解为可燃气体并发生燃烧的过程。

　　建筑火灾的计算机模型有随机性模型和确定性模型两类。随机性模型把火灾的发展看成一系列连续的事件或状态，由一个事件转变到另一个事件，如由引燃到稳定燃烧等。而由一种状态转变到另一种状态有一定的概率，在分析有关的实验数据和火灾事故数据的基础上，通过这种事件概率的分析计算，可以得到出现某种结果状态的概率分布，建立概率与时间的函数关系。而确定性模型是以物理和化学定律为基础，如质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等基本物理定律。用相互关联的数学公式来表示建筑物的火灾发展过程。如果给定有关空间的几何尺寸、物性参数、相应的边界条件和初始条件，利用这种模型可以得到相当准确的计算结果。

　　在开展火灾危险性分析时，应当综合考虑火灾发展的确定性和随机性的特点，单纯依据任何一种模型都难以全面反映火灾的真实过程。出于火灾研究的定量分析和定性分析需要，大家更关心的是火灾过程的确定性数学模型。本节主要介绍火灾发展的确定性火灾模型，包括有经验模型、区域模型、场模型和场区混合模型。

　　(二)经验模型

　　多年来，人们在与火灾斗争的过程中收集了很多实际火场的资料，也开展过大量的火灾实验，测得了很多数据，并分析、整理出了不少关于火灾分过程的经验公式。经验模型则是指以实验测定的数据和经验为基础，通过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的数学模型。它是对火灾过程的较浅层次的经验模拟，应用这些经验模型，可以对火灾的主要分过程有较清楚的了解。经验模型不同于其它理论模型能够对火源空间以及关联空间的火灾发展过程进行估计，现有的经验模型通常局限于描述火源空间的一些特征物理参数，如烟气温度、浓度、热流密度等随时间的变化，因此经常被称为“局部模型”，常用的经验模型有美国标准与技术研究院(NIST)开发的FPETOOL模型、计算烟羽流温度的Alpert模型和计算火焰长度的Hasemi模型。

　　(三)区域模型

　　20世纪70年代，美国哈佛大学的Emmons教授提出了区域模拟思想：把所研究的受限空间划分为不同的区域，并假设每个区域内的状态参数是均匀一致的，而质量、能量的交换只发生在区域与区域之间、区域与边界之间以及它们与火源之间。从这一思想出发，根据质量、能量守恒原理可以推导出一组常微分方程;而区域、边界及火源之间的质量、能量交换则是通过方程中所出现的各源项体现出来。区域模型一般还有如下的假设：

　　①各个控制体内的气体被认为是理想气体，并且气体的相对分子质量与比热视为常数;

　　②受限空间内部压力均匀分布;

　　③不同控制体之间的质量交换主要由羽流传递作用与出口处卷吸作用造成;

　　④能量传递除部分由质量交换造成外，还包括辐射与导热;

　　⑤受限空间内部物质的质量与热容相对墙壁、顶棚与地板可以忽略;

　　⑥忽略烟气运动的时间，认为一切运动过程在瞬间完成;

　　⑦忽略壁面对流体运动的摩擦阻碍作用。

　　区域模型通常把房间分为两个控制体，如图5-4-11所示，即上部热烟气层与下部冷空气层。人们普遍认为区域模型模拟给出的近似与相当接近。区域模拟是一种半物理模拟，在一定程度上兼顾了计算机模拟的可靠性和经济性，在消防工程界具有广泛的应用。应用区域模型既可以在一定程度上了解火灾的成长过程，也可以分析火灾烟气的扩散过程。目前，区域模型在建筑室内火灾的计算机模拟中具有重要地位。如果无需了解各种物理量在空间上的详细分布以及随时间的演化过程，模型中的假设十分趋近于火灾过程的实际情况，可以满足工程需要。但是区域模拟忽略了区域内部的运动过程，不能反映湍流等输运过程以及流场参数的变化，只抓住了火灾的宏观特征，因而其近似结果也是较粗糙的。

　　目前，世界各国的研究者建立了许多室内火灾区域模拟的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4以及中国科学技术大学的FAC3等为典型代表。常用的区域模型有ASET和ASET-B、HARVARD-V和FIRST、CFAST和HAZARD 1模型。

　　(四)场模型

　　火灾的场模拟研究是利用计算机求解火灾过程中各参数(如速度、温度、组分浓度等)的空间分布及其随时间的变化，是一种物理模拟。场是多种状态参数(如速度、温度与组份浓度)的空间分布，是通过计算这些状态参数的空间分布随着时间的变化来描述火灾发展过程的数学方程集合。随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术的不断成熟以及计算机性能的提升，场模型越来越广泛地应用到火灾研究领域。火灾的孕育、发生、发展和蔓延过程包含了流体流动、传热传质、化学反应和相变，涉及质量、动量、能量和化学成分在复杂多变的环境条件下相互作用，其形式是三维、多相、多尺度、非定常、非线性、非稳态的动力学过程。场模型由于引入的简化条件少，因而是目前为止可获取更高精确度的受限空间火灾数学模型。计算所得数据较细致，可以详细了解空间中温度场、速度场、组分浓度场等数据分布情况及其随时间变化的详细信息。但实际计算结果的正确与否还取决于适当的输入假设。

　　自从1983年Kumar首先建立火灾场模型以来，出现了许多场模拟的大型通用商业软件和火灾专用软件。通用商业软件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等为代表，都具有非常友好的用户界面形式和方便的前后处理系统。用于火灾数值模拟的专用软件有瑞典Lund大学的SOFIE、美国NIST开发的FDS和英国的JASMINE等，它们的特点是针对性较强。场模拟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。

　　但由于场模型是通过把一个房间划分为几千甚至上万个控制体，计算得出室内各局部空间的有关参数的变化。计算时通常所使用的场模拟方法有有限差分法、有限元法、边界元法等。导致这种模型的计算量很大，当用三维不定常方式计算多室火灾时，需要占用很长的机时，一般只在需要了解某些参数的详细分布时才使用这种模型。

　　(五)场区混合模型

　　对于复杂多室建筑的火灾过程进行计算机模拟，通常是采用区域模拟的方法。然而，实验研究表明：烟气层在着火区域或相对强流动区域无明显的分层现象，区域模拟的双层假设不能成立，只有在附近相邻的其它区域，烟气层才有明显的分层现象。这样，若采用区域模拟的方法模拟复杂多室建筑的火灾过程则不能真实地反映其火灾的特性。如果使用场模拟的方法，由于场模拟是求解流体力学的基本控制方程，整场和多参量描述复杂多室建筑的火灾过程，需要大量的计算机资源和时间，目前，由于计算机容量和运算速度等客观条件的限制，很难对复杂多室建筑的火灾过程进行场模拟，另外，在明显的烟气层分层区间采用场模型，也增加了计算机资源和时间的耗用。因此，基于试验研究的结果和计算机客观条件等限制，我们采用场模拟的方法来研究着火房间或强流动区域，对其它非着火和非强流动区间采用区域模拟的方法。这种混合模拟方法，兼顾场模拟和区域模拟两者的优点，并能更为准确地反映火灾过程的特征，这种方法简称为场区模拟方法。

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