2022一級消防工程師《綜合能力》教材知識點火災(zāi)疏散模擬

2022一級消防工程師《綜合能力》教材知識點火災(zāi)疏散模擬一、火災(zāi)模擬(一)概述火災(zāi)數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的重要內(nèi)容之一，但由于火災(zāi)現(xiàn)象的復(fù)雜性，近幾十年來才建立起描述火災(zāi)現(xiàn)象的實用數(shù)學(xué)模型?；馂?zāi)模型主要分為確定性模型和隨機性模型?；馂?zāi)數(shù)值模型主要有專家系統(tǒng)(E某pertSytem)、區(qū)域模型(ZoneModel)、場模型(FieldModel)、網(wǎng)絡(luò)模型(NetworkModel)和混合模型(HybridModel)。場模型也即CFD(計算流體動力學(xué))模型，主要是指利用計算流體動力學(xué)技術(shù)對火災(zāi)進行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細的物理量時空分布，能精細地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計算機的發(fā)展，使得CFD模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前用于火災(zāi)模擬的CFD模型主要有FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專門針對火災(zāi)模擬而開發(fā)的CFD軟件，簡單易用。因此，它在火災(zāi)模擬中的應(yīng)用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計算流體力學(xué)的通用軟件，將其用于火災(zāi)模擬需要有較強的流體力學(xué)背景，因此，應(yīng)用較少。目前，國內(nèi)外對FDS的研究比較多，而對于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究較少，對各個軟件的對比研究則更少。(二)選取從軟件易用性來看，火災(zāi)專用模擬軟件相對簡單，在應(yīng)用中不需要作復(fù)雜設(shè)置，使用者只需掌握火災(zāi)基本知識即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對使用者要求較高，使用者需要對流體力學(xué)知識有深入了解，才能得到合理結(jié)果，因此，一般火災(zāi)模擬選擇專用軟件為宜。利用火災(zāi)模型進行數(shù)值分析前，應(yīng)著重考慮該模型對所模擬問題的適用性及預(yù)測能力，一般情況下，需要事先利用相關(guān)試驗（已有其他人員進行的試驗或自己進行相關(guān)試驗）對模型進行確認研究。從模擬結(jié)果的準確性來看，火災(zāi)專用模擬軟件由于是專門針對火災(zāi)開發(fā)的，在概念模型層面相對于通用軟件更接近于真實模型，其數(shù)學(xué)模型更能反映火災(zāi)過程，因此，一般情況下，建議選擇火災(zāi)專用軟件，除非在專用軟件無法模擬的情況下才選擇通用軟件。使用火災(zāi)專用軟件時，應(yīng)著重考慮網(wǎng)格獨立性、邊界條件設(shè)置對模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時，還應(yīng)考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇?；馂?zāi)模型的驗證和確認應(yīng)包含其對各類火災(zāi)參數(shù)的預(yù)測能力研究，如火場溫度、熱輻射通量、反應(yīng)產(chǎn)物的濃度變化（著重研究C0、C0，、煙密度等）、火場能見度等。對于通用的CFD軟件，如PHOENICS、FLUENT、CF某等，由于其發(fā)展比較成熟，其程序一般能夠比較準確地反映其所確立的概念模型，因此，對這類模型可以著重于確認研究;對于專用火災(zāi)模擬軟件，如FDS等，已經(jīng)進行了較多的確認和驗證工作，對于比較常見的火災(zāi)場景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來模擬分析，而對于一些特殊的場景，如火災(zāi)在狹長雙層玻璃幕墻內(nèi)的蔓延模擬，還需進行進一步確認研究;對于自行編制的火災(zāi)模擬程序，模型的驗證工作是至關(guān)重要的，應(yīng)確保程序能夠準確反映概念模型。利用Steckler房間火災(zāi)試驗對PHOENICS和FLUENT進行確認研究，就該類實例來說，F(xiàn)LUENT的準確度要高于PHOENICS，但就工程應(yīng)用來說，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經(jīng)過網(wǎng)格獨立性檢驗后，二者的模擬結(jié)果一般均可滿足工程需要?；馂?zāi)發(fā)展具有確定性和隨機性的特點，火災(zāi)試驗的影響因素較多，在選擇確認試驗時，應(yīng)盡量選擇可重復(fù)性強的試驗，并應(yīng)注重采用不同火災(zāi)場景下的火災(zāi)試驗對其進行確認研究，以便更好地檢驗?zāi)Ｐ偷目尚哦?。二、疏散模擬（一）概述（二）疏散模型分類人員疏散計算方法主要有兩種：水力疏散模型和人員行為模型。1.水力疏散模型水力疏散模型通常對人員疏散過程作如下保守假設(shè)：1）疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點。2）疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻一起井然有序地進行疏散，且人員在疏散過程中不會中途返回選擇其他疏散路徑。3）在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進行分配。4）人員從各個疏散門疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。2.人員行為模型下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點，對這些軟件進行適當(dāng)分類。（1）一般分類。疏散模型在處理疏散的一般問題時，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風(fēng)險評估法。優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類模型適用于大量的人群或?qū)⑺腥藛T當(dāng)做一個有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個體行為。模擬法試圖表現(xiàn)實際的疏散行為與運動，不僅要得到準確的結(jié)果，而且要反映疏散時選擇的疏散路線及人員所做的決定。由于各個模型在考慮人員行為時的詳細程度不同，因此結(jié)果的準確度也不相同。風(fēng)險評估模型能識別出火災(zāi)時與疏散有關(guān)的危險或相關(guān)事故，并能對最后的風(fēng)險進行量化。通過多次重復(fù)運算，可以估算出與不同防煙分區(qū)設(shè)計或防火保護措施有關(guān)的各種重要變量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。建筑空間的表示。各種疏散模型都必須對建筑空間進行描述，以模擬人員在建筑內(nèi)部的疏散過程。在模型中，空間被劃分為許多小的區(qū)域，每個區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。根據(jù)對空間劃分的精細程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細網(wǎng)絡(luò)法和粗糙網(wǎng)絡(luò)法。對于精細網(wǎng)絡(luò)法，整個封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網(wǎng)格來表示，各個模型中節(jié)點的網(wǎng)格大小與形狀都不同。例如，E某odu采用0.5m某0.5m的正方形網(wǎng)格節(jié)點，Simule某則采用0.2m某0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點，而Egre則采用六邊形的網(wǎng)格節(jié)點，每個網(wǎng)格的大小足以容納一個人。這些網(wǎng)格節(jié)點之間的連接也不相同，在E某odu中每個網(wǎng)格與相鄰的八個網(wǎng)格節(jié)點相連，而Egre中每個網(wǎng)格與相鄰的六個網(wǎng)格節(jié)點相連。因此，Egre的方法可以準確地表示封閉空問的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時刻都能將每個人置于準確的位置。對于粗糙網(wǎng)絡(luò)法，空間的描述是按照實際建筑結(jié)構(gòu)的劃分來確定的，每個網(wǎng)格節(jié)點表示一個房間或走廊，然后根據(jù)它們之間的實際連接關(guān)系構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型。在這類模型中，僅能表示人員從一個建筑單元移動到另一個建筑單元，而無法描述人員在一個建筑單元內(nèi)的運動，它也無法處理一些局部的現(xiàn)象，例如超越前方人員、避開障礙物等。(3)人群分析。各類疏散模型在對人員進行分析時，采用了兩種方法:個體分析法和群體分析法。個體分析法允許用戶設(shè)定或由隨機方式確定個體特性，人員決策與運動由這些個體特性決定。需要注意的是，不能將個體的獨立決定與不能執(zhí)行群體行為混為一談，定義個體時并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個人的個體特性，然后再為他指定一個行為，而這個行為也許就是群體行為。群體分析法將人群視為一個具有共同特性的群體。在描述疏散過程時，不針對逃生的個體，而針對大量的人群。這種方法難以模擬事件對個體的影響(例如：火災(zāi)煙氣毒性的影響)，而只能對整個人群的普遍影響進行模擬。例如，它不能表示老年人或殘疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影響的人的比例。它的好處是模型的運算速度相對較快。(4)行為分析。人員在逃生時的決策過程是復(fù)雜的，疏散模型根據(jù)模擬人員決策過程時所采用的分析方法可分為以下幾類：無行為準則模型、函數(shù)模擬行為模型、復(fù)雜行為模型、基于行為準則的模型以及基于人工智能的模型。無行為準則模型完全依賴于人群的物理運動和幾何形狀的物理表達，來影響人員的疏散，并對其進行預(yù)測判斷。函數(shù)模擬行為模型把人員的行為用一個方程或一個方程組來描述，以此達到控制人的響應(yīng)的目的。人工智能模型將個體人員設(shè)計成能對周圍環(huán)境進行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準確地表現(xiàn)其決策過程，但這會使用戶對人員行為的控制權(quán)被計算機所代替。人員行為特性火災(zāi)是具有突發(fā)性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強烈的熱輻射、噪聲和有毒氣體，常在短時間內(nèi)給人以毀滅性的傷害。身處火場的人們往往需要承受巨大的心理壓力，從而表現(xiàn)出各種各樣的異常行為。研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理素質(zhì)、閱歷和經(jīng)驗，會導(dǎo)致人在遭遇火災(zāi)時，呈現(xiàn)不同的心理反應(yīng)和行為。但是，如果在遭遇火災(zāi)時，能保持良好的心理狀態(tài)，及時采取自救行動，往往能夠化險為夷，成功疏散，避免傷亡。對于人員特性的考慮可以分為兩方面，即單個人員獨立考慮和全局考慮。大多數(shù)模型可以根據(jù)用戶要求或計算機自動設(shè)定每個人員的移動屬性(如步行速度)，并記錄每個人員在任何時刻的移動歷史軌跡。這類模型也不排除群集行為特性，但它是按單個人員檢查和分配各自的移動特性的，它需要較多的計算機容量，程序處理的難度也稍大。另一類是按群集方式來考慮人員的移動特性，它將一群或一組人群按同一特性考慮，即將一群人按同一移動速度考慮，認為他們同時到達或離開建筑物的某個網(wǎng)格節(jié)點，它具體計算建筑內(nèi)人員疏散成功率，其操作簡單，使用方便，運行速度也較快。軟件介紹(1)STEPS。該模型可用于模擬在正?；蚓o急情況下，人員在不同類型建筑物中的疏散情況。模型是一個由一系列的網(wǎng)格單元組成的網(wǎng)格系統(tǒng)，在網(wǎng)格系統(tǒng)中，一個人只能占有一個單元。網(wǎng)格單元的默認尺寸是0.Sm某0.5m。另一個細網(wǎng)格選型可適用于多人占有一個網(wǎng)格單元，但仍處于測試階段。Simule某。該模型是一個能夠模擬人群從復(fù)雜建筑物中疏散的模型。該模型采用一個連續(xù)的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個個0.2m某0.2m的塊或網(wǎng)格。該模型包含一個算法，它能夠計算出每個網(wǎng)格到最近安全出口的距離，并將這些信息標注在一個距離圖表上。SGEM。該空間網(wǎng)格疏散模型可利用CAD平面圖生成復(fù)雜建筑的疏散圖案，比較后得出最佳疏散設(shè)計路線。這個模型已經(jīng)用于一些咨詢項目。模型的結(jié)構(gòu)基本上是細網(wǎng)格模型。最初，此模型將建筑物分成一些節(jié)點，這些節(jié)點代表建筑物的空間或區(qū)域(不受保護、部分保護和全部保護)，其中區(qū)域之間至少有一個弧形口連接，由此形成一個粗的網(wǎng)格。然后，將每個粗的網(wǎng)格單元再分成有限的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的大小是0.4m某0.4m，一個人占據(jù)一個網(wǎng)格。此外，同一時間內(nèi)一個人只能占據(jù)一個網(wǎng)格單元。buildingE某ODu。該模型可用于模擬疏散大量被很多障礙圍困的人。模型由airE某ODUS、該模型是一種行為模式模型，是一個細網(wǎng)格系統(tǒng)。其利用二維空間網(wǎng)格繪制出幾何結(jié)構(gòu)、位置、障礙物等。這種網(wǎng)格由“節(jié)點”和“弧”組成。每個節(jié)點都代表了建筑平面圖上的小空間，而弧在建筑平面圖上把這些節(jié)點連接在一起。人們通過利用這些弧從建筑物的一個節(jié)點到另一個節(jié)點。這些信息存儲在幾何子模型中。同時，在整個模擬過程中，每個節(jié)點都有毒氣等級、煙氣溫度和濃度等與其相關(guān)的動態(tài)環(huán)境。軟件選用疏散軟件能夠人為設(shè)置出口障礙，通過對建筑平面信息的識別，可以在某些安全出口受阻的情況下創(chuàng)建另一個替代的有效距離地圖來引導(dǎo)人員疏散，從而得出建筑物的最優(yōu)化疏散設(shè)計方案。人員的行為特性具有不確定性，無論是采用函數(shù)型行為模式，還是采用規(guī)則決定方法，都無法絕對準確地模擬出火災(zāi)時人員疏散的真實情況，在今后的軟件后續(xù)開發(fā)中可以增加更多的實際因素參數(shù)，以修正模擬疏散結(jié)果。疏散軟件基本可以定義個體人員的基本行為特性，模擬出一定的心理反應(yīng)，能夠有條件地尋找出有效的疏散路徑。國際上人員疏散軟件的開發(fā)已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，并且經(jīng)過了相當(dāng)數(shù)量的工程實踐檢驗，但畢竟國外的人員疏散行為、習(xí)慣，心理反應(yīng)等與我國居民有很大差異，一些軟件還不能簡單地直接拿來應(yīng)用，需結(jié)合我國的建筑特點和疏散演習(xí)等進行校正和應(yīng)用。一般情況下，當(dāng)建筑的結(jié)構(gòu)簡單、布局規(guī)則、疏散路徑容易辨別、建筑的功能較為單一且人員密度較大時，適合采用水力疏散模型來進行人員疏散的計算，而其他情況則適于采用人員行為模型。原因是：前一種情況下發(fā)生火災(zāi)，人員可以較為快速準確地獲取關(guān)鍵信息并采取疏散行動，人員疏散通常很快由個體行為轉(zhuǎn)化為群體行為，符合水力疏散模型的適用條件。而其他情況下，人員獲取信息的渠道相對較少，從接到報警信號到識別火災(zāi)以及疏散過程中尋找合適的疏散路徑都在很大程度上依賴于個體的判斷。因此，人員疏散由個體行為轉(zhuǎn)化為群體行為的時間非常長，有時候可能自始至終都是個體行為，這種情況下選用人員行為模型顯然更合適。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計算和建筑疏散演習(xí)等方式，進一步驗證模型的可靠性。三、模型評價下面針對建筑消防性能化設(shè)計計算方法的確定性模型需要重點評價的幾個方法進行論述。（一）計算模型的適用性以火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS為例，它可用來模擬火災(zāi)熱和燃燒產(chǎn)物的運輸、氣體和固體表面之間的輻射和對流傳熱、熱解、火災(zāi)蔓延與增長、噴淋等。對于開放空間或燃料控制的火災(zāi)，F(xiàn)DS能相對準確地進行模擬。但FDS的局限性在于其限于低速流動模擬;通過分解壓力項，處理狀態(tài)方程，從而濾除聲波的影響。針對相對封閉房間內(nèi)氧控制的火災(zāi)場景，有可能會發(fā)生爆燃現(xiàn)象，在此過程中壓力波對火焰的傳播起著較大的影響。在模擬此類火災(zāi)場景時，盡管FDS能模擬并有可能獲得看似正確的計算結(jié)果，但從模型基本理論上已不再適用。因此，針對計算模型的適用性問題，不僅要從計算結(jié)果進行考慮，還要從模型的自身假設(shè)進行分析。計算軟件為了能夠模擬更多的問題，往往采用普適性的算法，對于有些根本不滿足計算模型理論的場景，計算結(jié)果也可能會與實驗結(jié)果偏差不大，這樣的結(jié)果不能輕易相信，且也不能說明類似這樣的場景就可以采用這樣的方法來計算。在計算模型理論都無法滿足的情況下，根本就不允許采用這樣的模型來進行計算。（二）計算的收斂性在數(shù)值方法中，需要對連續(xù)性的數(shù)學(xué)模型進行離散化后再求解，也就是用一個離散的數(shù)值模型來近似模擬。時間和空間都需要離散化。一個連續(xù)性的數(shù)學(xué)模型有很多不同的離散方法，形成很多不同的離散模型。為了獲得一個好的近似解，要求離散模型能夠模擬連續(xù)模型的性質(zhì)和行為。這就要求離散方法采用高階精度的格式，同時要保證其不會帶來計算結(jié)果的非物理振蕩，能更好地收斂于真實解。對于定常模擬來說，只需要求最終的計算結(jié)果逼近真實解。但對于非定常模擬來說，則要求每一計算時間步內(nèi)的結(jié)果也要收斂，且要達到能接受的計算精度。如果模型沒有發(fā)生時間步的截斷而且能保持長的時間步，那表明該模型沒有收斂性問題，反之如果經(jīng)常發(fā)生時間步截斷，那模型計算將很慢，收斂性差。時間步的大小主要取決于非線性迭代次數(shù)。如果模型只進行一次非線性迭代計算就可以收斂，那么表明模型很容易收斂;如果需要2?3次非線性迭代計算，則模型較易收斂，如果需要4?9次非線性迭代計算，則模型不易收斂，大于10次的模型可能有問題。影響計算收斂性的因素很多，如網(wǎng)格尺度、計算格式精度、初始流場參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)的剛度、計算模型等。（三）網(wǎng)格尺度的合理性對于建筑火災(zāi)場模擬計算，首先應(yīng)該考慮網(wǎng)格尺度的合理性問題，而這一問題也是場模擬計算中非常重要的問題。網(wǎng)格尺度的合理性問題直接影響計算結(jié)果的誤差，甚至影響計算結(jié)果是否定性合理。網(wǎng)格尺度的合理性一方面是計算結(jié)果不依賴于網(wǎng)格尺度的變化，即網(wǎng)格的獨立性;另一方面，在保證網(wǎng)格獨立性的同時，應(yīng)考慮計算資源的能力，盡可能減少計算量，提高計算網(wǎng)格的經(jīng)濟性。在場模擬計算中，如何做到這兩點呢1.網(wǎng)格獨立性通常的做法是，下一次要考慮的網(wǎng)格尺度一般為前一次網(wǎng)格尺度的1/2,即網(wǎng)格加密一倍。如果加密一倍的計算結(jié)果與該次加密前的計算結(jié)果之間的誤差在可接受的范圍內(nèi)，網(wǎng)格不再加密，即可采用該次加密前的網(wǎng)格尺度的計算結(jié)果作為