2015消防工程师综合能力考点　性能化设计软件选取

来源：互联网 2017-03-01 01:17中

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第四节软件选取

一、火灾模拟
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。
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，它在火灾模拟中的应用最为广泛。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较少，对各个软件的对比研究则更少。
选取
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对模型进行确认研究。从模拟结果的准确性来看，火灾专用模拟软件由于是专门针对火灾开发的，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。
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、火场能见度等。
利用Steckler房间火灾试验对PHOENICS和FLUENT进行确认研究，就该类实例来说，FLUENT的准确度要高于PHOENICS，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，二者的模拟结果一般均可满足工程需要。
二、疏散模拟
疏散模型分类
1．水力疏散模型
1)疏散人员具有相同的特征，并且都具有足够的身体条件疏散到安全地点。
3)在疏散过程中，人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，即从某一出口疏散的人数按其宽度占出口总宽度的比例进行分配。
2．人员行为模型
一般分类。疏散模型在处理疏散的一般问题时，均采用了三种不同基本方法：优化法、模拟法和风险评估法。
模拟法试图表现实际的疏散行为与运动，不仅要得到准确的结果，而且要反映疏散时选择的疏散路线及人员所做的决定。由于各个模型在考虑人员行为时的详细程度不同，因此结果的准确度也不相同。
建筑空间的表示。各种疏散模型都必须对建筑空间进行描述，以模拟人员在建筑内部的疏散过程。在模型中，空间被划分为许多小的区域，每个区域都与相邻的区域相连。根据对空间划分的精细程度，常将模型中的空间划分分为两种方法：精细网络法和粗糙网络法。
六个网格节点相连。因此，Egress的方法可以准确地表示封闭空问的几何形状及内部障碍物的位置，并在疏散的任意时刻都能将每个人置于准确的位置。

人群分析。各类疏散模型在对人员进行分析时，采用了两种方法：个体分析法和群体分析法。个体分析法允许用户设定或由随机方式确定个体特性，人员决策与运动由这些个体特性决定。需要注意的是，不能将个体的独立决定与不能执行群体行为混为一谈，定义个体时并不排斥他具有群体行为，而是先考虑每个人的个体特性，然后再为他指定一个行为，而这个行为也许就是群体行为。群体分析法将人群视为一个具有共同特性的群体。在描述疏散过程时，不针对逃生的个体，而针对大量的人群。这种方法难以模拟事件对个体的影响，而只能对整个人群的普遍影响进行模拟。例如，它不能表示老年人或残疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影响的人的比例。它的好处是模型的运算速度相对较快。
无行为准则模型完全依赖于人群的物理运动和几何形状的物理表达，来影响人员的疏散，并对其进行预测判断。
这类模型可以将人定义为个体，但由于所有个体均受到同一函数相同的影响，且会以一定的方式对这种影响产生反作用，因此实际上削弱了个体行为。该函数或者按照现实生活中人员的行为来建立，或者引用其他从事人体行为模拟研究领域的成果。复杂行为模型通过复杂的物理方法来含蓄表示行为决策准则。此类模型一般基于第二手数据的应用，包括心理的或社会的影响，因而它依赖于第二手数据的准确性与有效性。基于行为准则的模型预先规定了一套人员的行为准则，然后再根据这些准则来确定疏散过程中人员的行为。例如，“假如人在一个充满烟气的房间里，他会通过最近的出口离开”等类似准则。但是，这种行为决策方式会导致人员在相同的环境下以某种确定的方式进行反应，从而与实际中的人员反应有所差异。
3．人员行为特性
对于人员特性的考虑可以分为两方面，即单个人员独立考虑和全局考虑。大多数模型可以根据用户要求或计算机自动设定每个人员的移动属性，并记录每个人员在任何时刻的移动历史轨迹。这类模型也不排除群集行为特性，但它是按单个人员检查和分配各自的移动特性的，它需要较多的计算机容量，程序处理的难度也稍大。另一类是按群集方式来考虑人员的移动特性，它将一群或一组人群按同一特性考虑，即将一群人按同一移动速度考虑，认为他们同时到达或离开建筑物的某个网格节点，它具体计算建筑内人员疏散成功率，其操作简单，使用方便，运行速度也较快。
STEPS。该模型可用于模拟在正常或紧急情况下，人员在不同类型建筑物中的疏散情况。
Simulex。该模型是一个能够模拟人群从复杂建筑物中疏散的模型。该模型采用一个连续的空间体系，各层的平面图和楼梯都划分成一个个0．2m 0．2m的块或网格。该模型包含一个算法，它能够计算出每个网格到最近安全出口的距离，并将这些信息标注在一个距离图表上。
模型的结构基本上是细网格模型。最初，此模型将建筑物分成一些节点，这些节点代表建筑物的空间或区域，其中区域之间至少有一个弧形口连接，由此形成一个粗的网格。然后，将每个粗的网格单元再分成有限的网格，每个网格的大小是0．4m 0．4m，一个人占据一个网格。此外，同一时间内一个人只能占据一个网格单元。
buildingExODus、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六个部分组成。buildingEx0Dus试图考虑人与人、人与火灾以及人与建筑物之间的相互作用。该模型包括6个在模拟疏散方面相互联系、相互传递信息的子模型，即人员、运动、行为、毒性、危险性和几何学子模型。
5．软件选用
疏散软件基本可以定义个体人员的基本行为特性，模拟出一定的心理反应，能够有条件地寻找出有效的疏散路径。国际上人员疏散软件的开发已经积累了一定的经验，并且经过了相当数量的工程实践检验，但毕竟国外的人员疏散行为、习惯，心理反应等与我国居民有很大差异，一些软件还不能简单地直接拿来应用，需结合我国的建筑特点和疏散演习等进行校正和应用。一般情况下，当建筑的结构简单、布局规则、疏散路径容易辨别、建筑的功能较为单一且人员密度较大时，适合采用水力疏散模型来进行人员疏散的计算，而其他情况则适于采用人员行为模型。原因是：前一种情况下发生火灾，人员可以较为快速准确地获取关键信息并采取疏散行动，人员疏散通常很快由个体行为转化为群体行为，符合水力疏散模型的适用条件。而其他情况下，人员获取信息的渠道相对较少，从接到报警信号到识别火灾以及疏散过程中寻找合适的疏散路径都在很大程度上依赖于个体的判断。因此，人员疏散由个体行为转化为群体行为的时间非常长，有时候可能自始至终都是个体行为，这种情况下选用人员行为模型显然更合适。如果有条件，可以结合数值计算和建筑疏散演习等方式，进一步验证模型的可靠性。
下面针对建筑消防性能化设计计算方法的确定性模型需要重点评价的几个方法进行论述。
以火灾动力学软件FDS为例，它可用来模拟火灾热和燃烧产物的运输、气体和固体表面之间的辐射和对流传热、热解、火灾蔓延与增长、喷淋等。对于开放空间或燃料控制的火灾，FDS能相对准确地进行模拟。但FDS的局限性在于其限于低速流动模拟；通过分解压力项，处理状态方程，从而滤除声波的影响。针对相对封闭房间内氧控制的火灾场景，有可能会发生爆燃现象，在此过程中压力波对火焰的传播起着较大的影响。在模拟此类火灾场景时，尽管FDS能模拟并有可能获得看似正确的计算结果，但从模型基本理论上已不再适用。因此，针对计算模型的适用性问题，不仅要从计算结果进行考虑，还要从模型的自身假设进行分析。计算软件为了能够模拟更多的问题，往往采用普适性的算法，对于有些根本不满足计算模型理论的场景，计算结果也可能会与实验结果偏差不大，这样的结果不能轻易相信，且也不能说明类似这样的场景就可以采用这样的方法来计算。在计算模型理论都无法满足的情况下，根本就不允许采用这样的模型来进行计算。
在数值方法中，需要对连续性的数学模型进行离散化后再求解，也就是用一个离散的数值模型来近似模拟。时间和空间都需要离散化。一个连续性的数学模型有很多不同的离散方法，形成很多不同的离散模型。为了获得一个好的近似解，要求离散模型能够模拟连续模型的性质和行为。这就要求离散方法采用高阶精度的格式，同时要保证其不会带来计算结果的非物理振荡，能更好地收敛于真实解。
影响计算收敛性的因素很多，如网格尺度、计算格式精度、初始流场参数、化学反应的刚度、计算模型等。
对于建筑火灾场模拟计算，首先应该考虑网格尺度的合理性问题，而这一问题也是场模拟计算中非常重要的问题。网格尺度的合理性问题直接影响计算结果的误差，甚至影响计算结果是否定性合理。
1．网格独立性
2．网格经济性
时间步长的合理性
在建筑性能化设计计算的火灾场景模拟中，时间步通常是条件稳定。时间步过大，会出现数值振荡，进而导致不收敛，计算不能进展下去。时间步一般满足流动的CFL条件，如FDS中的时间步dt=5