摘要：火災幾乎包含了在亞音速化學反應流動中所遇到的所有效應，是一個包含了許多物理、化學過程的復雜問題，“是僅次于生命過程的最復雜的現(xiàn)象”。本文介紹了各種火災模型，及其發(fā)展現(xiàn)狀，和其適用條件。并展望了發(fā)展方向和應用前景。
　　關(guān)鍵詞：火災模擬 區(qū)域模型 場模型 場區(qū)網(wǎng)模型
　　
　　1前言
　　縱觀火災科學的發(fā)展史，其基礎(chǔ)研究主要己經(jīng)歷了兩個階段。第一是火災數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析階段，這個階段的理論基礎(chǔ)是火災的發(fā)生具有隨機性規(guī)律。人們通過整理和分析大量的火災原始資料歸納出火災發(fā)生的統(tǒng)計性規(guī)律;第二是火災的統(tǒng)計分析和模擬研究相對獨立發(fā)展的階段。火災研究開始與現(xiàn)代科學技術(shù)緊密結(jié)合，人們一方面繼續(xù)分析火災數(shù)據(jù)的內(nèi)在隨機性規(guī)律，另一方面則通過火災的模擬，研究其孕育、發(fā)生和發(fā)展的機理和規(guī)律。模擬研究的理論基礎(chǔ)是火災過程本身遵循確定性規(guī)律。自國際火災安全科學學會成立以來，火災過程的確定性和隨機性研究均已取得了顯著的進展。在第二階段的發(fā)展過程中，特別是近20多年來，計算機模擬成為火災科學研究中的重要內(nèi)容之一。火災過程的計算機模擬是在描述火災過程的各種數(shù)學模型的基礎(chǔ)上進行的。在此過程中，人們已經(jīng)先后發(fā)展了三類火災煙氣運動模型:區(qū)域模型(ZoneModel)、場模型(FieldModel)和場區(qū)網(wǎng)模型(Field-Zone-NetworkModel)。這三種模型產(chǎn)生于火災學發(fā)展的不同時期，都對火災的計算機模擬產(chǎn)生了重要影響，為人們認識火災現(xiàn)象的雙重性一確定性和隨機性一作出了各自的貢獻。
　　2火災模型
　　2.1區(qū)域模型
　　區(qū)域模型是一種以受限空間中的火災過程為研究對象的半物理模型。80年代初，哈佛大學的H.W.EmmonS教授第一次運用質(zhì)量、能量和動量守恒的原理，用數(shù)學分析方法描述了火災過程，奠定了區(qū)域模型的理論基礎(chǔ)。
　　區(qū)域模型通常將每個房間分成兩個區(qū)域:由火產(chǎn)生的較熱的上層以及占據(jù)上層之下所有空間的下層。下層通常是燃燒的氣體的來源而且也是火源的所在。在燃燒的過程中，上層也可能擴展以致占據(jù)整個房間。兩個區(qū)域都分別被看作是控制體，同時假定各控制體中的參數(shù)是均勻的。除了這種常見的單室兩區(qū)域模型外，還有很復雜的多室多區(qū)域模型用來處理具有復雜的可燃物分布和通風口流動的建筑火災。區(qū)域模型中，區(qū)域之間的質(zhì)量交換被認為主要由羽流和通風口的摻混作用造成。能量交換除了質(zhì)量交換帶來的能量傳遞以外，還考慮輻射和導熱損失。目前已經(jīng)發(fā)展起來的計算機模擬建筑火災的區(qū)域模型有很多種，它們繁簡不一，使用范圍各不相同，但是基本思想都是一致的，不同模型的差別只在于方程中的源項是如何處理的。詳細的討論可以參考Cox和Thomas的工作。
　　區(qū)域模型在一定程度上兼顧了可靠性和經(jīng)濟性，可以給出室內(nèi)熱氣層狀態(tài)和高度的變化，結(jié)果定性合理。它以相對比較簡單的方式描述了室內(nèi)火災的發(fā)展過程，是成功和有實用價值的。但火災畢竟是非常復雜的過程，其狀態(tài)參數(shù)在空間的分布并不真正分層和均勻。在某些情況下，如強通風、強火源或幾何形狀復雜的受限空間，火災中氣體分層現(xiàn)象不明顯，區(qū)域模型失去了成立的前提，必然帶來相當大的誤差。所以，在計算機運算能力不斷提高的今天，區(qū)域模型已經(jīng)逐漸被場模型和其它模型取代了。
　　2.2場模型
　　早期的區(qū)域模型在當時計算機性能不高的條件下迎合了防火工程實際的需要，為計算機化的火災模型的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但是隨著火災科學的不斷發(fā)展，區(qū)域模型給出的粗糙結(jié)果越來越不能滿足人們對火災發(fā)生、發(fā)展過程的細節(jié)進行深入研究的需要，而計算機運算能力的飛速發(fā)展使得更復雜的計算機火災模擬稱為可能，于是，場模型就應運而生了。最早的場模型是70年代由帝國理工學院的D.B.Spaldnig教授領(lǐng)導的小組與火災研究所(FireReesarchstation，F(xiàn)Rs)合作開發(fā)的PHOENIX。在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了JASMINE和JOSPHINE模型。場模型方法是利用計算機求解火災過程中狀態(tài)參數(shù)的空間分布及其隨時間變化的模擬方法。場是指狀態(tài)參數(shù)如速度、溫度、各組分的濃度等的空間分布。場模型又被稱為CFD模型，這充分反應了它和計算流體力學的緊密聯(lián)系。場模型方法將所要模擬的空間分成許多小單元，在每個小單元上應用質(zhì)量、動量和能量守恒原則，同時它們又與相鄰的單元間構(gòu)成平衡。模擬的過程就是求解一個既有湍流又有層流的系統(tǒng)的復雜過程。這個復雜過程涉及一系列三維非線性偏微分方程。對于單個單元，還需要一些子模型來模擬湍流、燃燒、輻射、碳黑、高溫分解和火焰?zhèn)鞑サ冗^程。不同的CFD模型對于這些過程的模擬方法是不同的。場模型的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質(zhì)量守恒(連續(xù)性方程)、動量守恒(Navier-Stokes方程)、能量守恒(能量方程)以及化學反應的定律等。火災過程中的狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循這些規(guī)律。場模型為了能從整體上求解火災過程，必須建立火災各主要子過程的理論模型。建立各子過程理論模型的必要性，一方面是由于所有的火災過程幾乎都是湍流過程，在對基本方程組進行雷諾分解和平均，建立平均流場控制方程時，會出現(xiàn)新的未知量，比如雷諾應力和湍流燃燒速率。同時浮力在火災中對流動過程有重要影響，因此有必要建立受浮力影響的湍流模型和湍流燃燒模型，另一方面，火災中的一些重要過程如輻射換熱和碳黑生成本身十分復雜，需要進行模化，給其控制方程的源項提供適當?shù)谋磉_式。建立了受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型、輻射換熱模型和碳黑模型之后，場模型的基本方程就是封閉可解的了
　　2.3其他模型
　　除了上述兩種模型外，常用的還有網(wǎng)絡模型(NetworkModel)和場區(qū)網(wǎng)模型(Field-zone-NetworkModel)。網(wǎng)絡模型把建筑物中的一個受限空間視作一個單元體，假設每個單元體內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)均勻，火災發(fā)展的過程表現(xiàn)為構(gòu)成建筑物的各單元內(nèi)部參數(shù)的變化。網(wǎng)絡模擬只適用于建筑物中遠離火源的區(qū)域。場區(qū)網(wǎng)模型的基本思想是在火災過程中，將氣體分層不明顯處的場模擬、鄰近空間的區(qū)域模擬和遠離火源房間的網(wǎng)絡模擬結(jié)合起來，形成一個計算機程序，計算整棟建筑物內(nèi)火災發(fā)展的全過程。這對于日漸增多的高層建筑物的火災模擬來說無疑是一個很好的解決方案，因為高層建筑的火災如果逐個房間地使用場模擬(或區(qū)域模擬)，其計算量將是巨大的，而場區(qū)網(wǎng)模型則既照顧了經(jīng)濟性又不失精確性。姚建達和范維澄等進一步用體積守恒方法代替質(zhì)量守恒方法來改善場區(qū)網(wǎng)模型，計算結(jié)果，表明場區(qū)網(wǎng)模型對于高層建筑火災的模擬是很有效的，發(fā)展前景良好。當然，其中的一些處理方法還需要進一步研究，并通過實驗加以驗證。
　　3結(jié)束語
　　火災的數(shù)學模型還在不斷發(fā)展之中，它所涉及的流體力學、湍流和燃燒等問題本身都沒有完全解決。今后的發(fā)展主要是將這些還面臨巨大挑戰(zhàn)的物理問題包含到一個統(tǒng)一的計算模型，使火災的模擬結(jié)果越來越精確，滿足解決各種類型火災問題的需要。
　　
　　
　　參考文獻
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