数值模拟在火灾调查中的应用研究

 摘 要：火灾是重大灾害之一，常造成大量的财产损失和人员伤亡。随着火灾理论研究的不断深入和数值计算方法的不断完善，用数值模拟手段来进行火灾科学研究成为了潮流。火灾调查是消防工作的重要组成部分，但在现阶段，起火部位的认定很大程度上依靠调查人员的经验，缺少相应的技术验证；专业的理论知识、抽象的认定结论不容易被受灾群众理解和接受。在进行全尺度火灾实验成本高、周期长，进行小尺度火灾实验难以满足所有无量纲相似要求的情况下，进行计算机数值模拟火灾实验，时间周期短、经济成本低、可以方便的进行对比实验，是一种新兴的、有效的火灾调查手段。
本文采用火灾模拟软件FDS5.3.0进行了典型的火灾案例模拟，采用了正交实验法，进行了火灾数值再现研究分析，火灾数值模拟结果与火灾案例报告进行比较，证明了数值模拟的结果是可信的。火灾事故数值模拟可以还原火灾事故的过程，还可以对初始状态作不同假设，比较其结果的区别，对于责任认定，起火部位、起火点的确定有很好的辅助作用。将数值模拟技术引入火灾调查，可以协助解决火灾调查中难题，应用前景广阔。

关键词：火灾调查； 数值模拟； 正交实验法； 等效参数法； FDS

Numerical Simulation in fire investigation

Abstract:Fire is one of the most serious disasters, which often causes some of the greatest losses to property and human life around the world. It had been a trend that numerical simulation method is used in fire science research because fire theory and numerical method was deepened. Fire investigation is a very important work in fire bureau. At present, the cognizance of ignition source, to a great extent, depend on the experience of fire investigator because it lacks of corresponding technical verification. And the abstract conclusion based on professional theory is not easy to be understood and accepted by common people. Full scale fire test costs much and takes long time and small scale fire test is hard to meet all the dimensionless similar requirements. Computer fire numerical test can take less time and cost less.Furthermore, it can easily make contrast tests. So it is a new-emerging and effective method for fire investigation.Fire numerical simulation can reconstruction fire development and compare the influences of different settings. It has auxiliary function when cognizing the legal liability, the ignition location and the ignition point. Numerical simulation technique on fire investigation can help to solve many problems and has a broad prospect.

Keywords Fire Investigation; Numerical Simulation; Orthogonal Optimum; Equivalent Parameter method; FDS

目 录
摘要……………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………Ⅱ
目录……………………………………………………… Ⅲ
第1章 绪论 1
1.1 研究的背景 1
1.2 国内外研究动态 2
1.2.1 国外研究动态 2
1.2.2国内研究动态 3
1.3 本文主要研究内容 4
第2章 火灾调查的方法 5
第3章 数值模拟的基本原理与应用方法 7
3.1 数值模拟软件介绍 7
3.2 FDS基本原理 7
3.3应用方法 8
3.3.1 正交实验法 8
3.3.2 等效参数法 9
3.4 本章小结 10
第4章 数值模拟的案例分析 10
4.1 事故基本情况 10
4.2 数值模型 12
4.3 模拟结果及分析 13
4.3.1 火势发展及烟气、通风、温度分析 13
4.3.2 过火面积、过火程度分析 21
4.4 本章小结 23
第5章 结论与展望 24
5.1 结论 24
5.2 展望 24
参考文献 26
致　谢 28

第1章 绪论

1.1 研究的背景
火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。根据世界火灾统计中心以及欧洲共同体的研究结果发现，许多发达国家每年由火灾造成的直接损失占国民生产总值的大约0.2％，对于全部的火灾成本约占国民经济总值的约1％，火灾造成的人员死亡率大约为十万分之二。近年来，随着我国经济和社会发展，人民的生活和生产水平大幅度提高，但是火灾发生的次数和火灾损失也呈现递增趋势，尤其是重特大火灾的发生，不仅在国内引起很大的震动，在国际上也产生了不好的影响，不仅如此，火灾还对自然环境和生态系统造成不同程度的破坏，给社会生产和生活带来危害，有些损害和后果在短时间内事无法显现出来的。有研究认为火灾发生的频率和经济水平呈现负向关系，经济越发达火灾发生的频率就越小。图1-1至图1-3是1950年至2010年火灾情况。从图中可以看出，随着经济的发展，火灾所造成的损失有所增加，但伤亡人数及火灾损失率呈下降趋势。

图1-1 1950年至2010年全国火灾情况

图1-2 1950年至2010年全国火灾情况（续1）

图1-3 1950年至2010年全国火灾情况（续2）
1.2 国内外研究动态
1.2.1 国外研究动态
国外在计算机火灾模拟技术方面在火灾调查领域的研究和运用较为早。
美国NIST(National Institute of Standardsand Technology)就借助FDS(Fire Dynamics Simulator)对一些典型火灾进行相关辅助调查。对1999年5月发生在华盛顿市的两层民宅火灾进行了模拟，分析了玻璃滑门的打开，通风条件的改变造成二次燃烧的过程[1]。对1999年12月22日发生在美国爱荷华州某二层复式结构建筑火灾进行模拟，较好地重现了该火灾中火焰迅速蔓延过程[2]。对2000年2月14日发生在得克萨斯州的某单层饭店火灾进行模拟，得到了火场温度、氧气浓度等的发展过程[3]。对 2003 年 2 月发生在罗得岛州的某单层木结构夜总会火灾进行了模拟，证明 FDS 数值模拟与全尺度火灾实验结果保持一致，并且模拟出同等条件下采用消防设施后对火灾的控制作用[4]。对 2001 年纽约世贸大厦遭飞机撞击着火坍塌事件进行了数值模拟[5]。Madrzrkowski等人对1999年发生在华盛顿的一起联排别墅发生的火灾进行了深入模拟探讨研究[6]。Nelson Bryner和Stephen Kerber重构模拟了2001年发生在纽约州的一个五金店地下室发生的火灾[7]。N.D.MadrzvkowSki和W.D.walton等人对2003年发生在芝加哥一起火灾事故进行重构实验研究，利用FDS对火灾蔓延情况进行了数值模拟和利用三维可视化Smokeview软件对火灾烟气的流动状况进行了可视化处理[8]。
1.2.2国内研究动态
火灾模型方法出现时间还不是很久，从模型向实际应用也处于刚刚起步阶段，目前国内应用最多的是火灾数值再现研究，对于火灾事故调查和案例的解决起了重要作用。
李一涵等学者对FDS第四版本的源程序进行了改进，并利用改进后程序计算了火灾过程中壁面热解形成图痕，以此来作为火灾调查的方法之一，用于初步分析因壁面烧损痕迹的发展特征[9]。陈驰等人将虚拟现实技术应用在了建筑火灾模拟上，在交互式虚拟环境中实现了基于火灾数值模拟技术的火灾场景模拟[10]。周慈等根据高层建筑火灾烟气流动的特点，应用火灾烟羽流模型和计算机网络模型，在CFX软件支持下，对高层建筑火灾烟气流动进行数值模拟，为高层建筑安全及火灾救援提供理论依据[11]。文全等利用FDS火灾模拟软件对衡州大厦一层建立火灾模拟场景，通过计算再现火灾过程，根据实际火灾调查情况，设置三个可能的起火点。根据计算所得的再现的火灾扩大蔓延扩散过程，找出防止火势蔓延措施以降低火灾所产生的损失[12]。李松阳等通过实体小室轰燃实验，比较了FDS场模拟在轰燃预测上和BFD曲线参数估计法的可靠性[13]。
1.3 本文主要研究内容
传统的火灾实验都是实体实验，往往要进行大量多次才能得出数据,造成很大的资源浪费。本文通过对数值模拟方法的研究总结，参考实例，将理论原理与实际案例相结合，说明数值模拟在火灾调查中的应用与贡献，提出今后数值模拟在火灾调查中的展望。

图1-4 本文主要研究内容

第2章 火灾调查的方法

火灾调查的方法主要有现场勘查、技术鉴定、调查询问和模拟实验四方面。其中，模拟实验是火灾调查的重要手段，根据火灾事故调查规定，公安消防机构对疑难复杂的火灾事故可以进行模拟实验。模拟实验是仿照实际情况用实验的方法对实际情况进行描述。火灾调查中的模拟实验，是在现场或实验室内用实验方法来描述事故的激发条件，以验证或核实起火点及事故原因，以及研究事故蔓延扩大的情况。也就是说，为了证明在一定条件下能否发生某一事件，按照调查火灾原因时推断的一种或几种情况进行模拟实验。模拟实验必须与火场条件相一致，如果多次实验的结果相差较大，应反复实验；对于一些特殊的情况需要在现场进行模拟实验时，要注意必须在现场勘查完成且确认现场无保存必要时进行。这就对火灾事故调查工作提出了更高的要求。
目前，火灾原因调查的难点在于起火部位或起火点的认定很大程度上依靠调查人员的经验进行判断，缺少相应的技术验证；物证技术鉴定的范围和手段尚不能满足原因认定的需要；相对专业的理论知识、较为抽象的认定结论不能被受灾群众理解和接受。发展新的火灾调查手段，已经成为当务之急。
计算机数值模拟火灾实验，是对火灾调查进行动态的量化研究的方法。随着软件模型的完善，功能的增强，计算机数值技术在火灾研究领域的应用正出现蓬勃发展的势头。计算机数值技术和计算燃烧学的发展为数值模拟技术在火灾调查方向上的应用提供了可能性。模拟实验是火灾调查的重要手段。但是，火灾调查时进行实际的全尺度实验一方面受场地和费用限制，同时也无法做到全面的数据采集，实施难度较大；小尺度实验很难同时满足所有无量纲量相似条件的要求，难以保证所得数据针对全尺度场景时的可靠性。火灾实验模拟，可以通过相似和简化原理，逐一研究影响火灾的各个过程及主要因素的相互作用，模拟的结果有很大的普遍性。
火灾发展过程的数值模拟是对火灾调查工作的补充，进行计算机数值模拟火灾实验，时间周期短、经济成本低、可以方便的进行对比实验，是一种新兴的、有效的火灾研究手段。将计算机数值技术应用到火灾调查领域，在解决当前工作难点方面，最为直接的可体现在：模拟火灾发生、发展的过程，帮助验证起火部位、人员死亡的主要致死因素等[14]。