本文作者：智會強 牛坤 單位：公安部天津消防研究所

計算機模擬技術為消防科學的研究提供了有利手段。在科學研究方面，數值模擬的應用主要體現在以下幾個方面：研究火災機理：如可以用數值模擬研究火災的發生、發展和煙氣蔓延機理，研究轟燃、回燃等現象[2-3]。可以研究各類火災的特點，如建筑火災、工業火災、森林火災、船舶火災等。研究滅火系統的性能：如研究自動噴水系統、細水霧系統的滅火性能[4]，研究不同熱敏性能的噴頭的啟動特性，噴頭布置對滅火性能的影響等。目前，可用于這方面研究的軟件主要有FDS、FLUENT、PHOENICS等，其中FDS和PHOENICS都有專門的噴淋模型。研究火災探測系統的性能：研究火災探測系統對火災的響應、火災探測器的布置方法[5]等。目前，火災模擬軟件FDS在這方面應用較多，該軟件目前可以模擬感溫探測器、感煙探測器的啟動及探測性能。研究防排煙系統的性能：如研究防排煙系統的排煙量、排煙口布置方法、排煙系統的最佳啟動時間[6]等。煙氣流動是典型的湍流流動，因此，一般的CFD軟件均可用于模擬煙氣的流動。

研究消防產品的性能：如，分析消防水槍、水泡的流場特性，模擬消防泵的工作性能，分析消防防護服的隔熱性能等[7-8]。通過數值模擬，可以對產品的性能進行優化。研究結構對火的反應：主要用來分析鋼結構、混凝土結構等在火災作用下的應力和應變等[9-10]。利用結構分析軟件和CFD軟件相結合，首先用CFD軟件計算出火場的溫度等參數，然后再將其導入結構分析軟件中作為已知邊界條件，對結構進行熱響應計算。目前，已有學者將火災模擬軟件FDS和結構分析軟件ANSYS集成在了一起，方便了使用[11]。指導和輔助試驗研究：試驗之前對火災進行模擬，可以預測試驗可能出現的現象、試驗參數的大致范圍等，對改進實驗方案，提高試驗成功率有較大意義。同時，對于投資較大或進行試驗比較困難的情況，可利用火災模擬來代替部分試驗，以節省投資。

隨著各種設計新穎、造型獨特的新型、大型建筑出現,單純的“規格式”防火設計規范已經不能滿足消防要求。因而，針對結構和功能較為復雜的新型、大型建筑使用性能化防火設計方法已成為一種發展趨勢。性能化防火設計方法運用消防安全工程學的原理，采用計算機模擬手段，根據具體建筑的布局、火災荷載的分布以及人在火場中的行為特征等，模擬火災的發生和發展過程、煙氣在建筑內的流動、人員疏散以及消防系統對火災發展的影響，通過對計算結果的分析，判斷消防設計是否滿足消防安全的要求。實現性能化設計最重要的基礎就是火災過程的計數值模擬。性能化設計中需要根據火災模擬的結果來評估消防設計方案是否滿足要求。因此，火災模擬結果的準確性直接關系著建筑的消防設計是否安全。性能化設計方法已在世界范圍內得到了廣泛關注和應用，在我國一些重大工程項目中已得到成功應用，如：2008年奧運會70%的場館與配套設施采用了性能化防火設計，也就是說這些場館在消防設計中都直接采用了數值模擬技術[12]。

目前，火災調查工作的地位日益突出，數值模擬作為火災調查的一個平臺也已被提出并正在發展。當前火災事故調查還處在經驗或半經驗水平上，火災調查的一些方法尚缺乏基礎理論的支持，還沒有達到用數學方法對火災調查進行直觀實際指導的研究水平。雖然獲得火災過程參數的最有效方法是進行實體試驗，但進行試驗花費大，周期長，難以滿足實際需要。與實驗相比，數值模擬具有成本低、靈活性高等特點,如：利用數值模擬可以方便的模擬不同工況下，各種因素對火災的影響及火場各參數的變化，通過模擬結果和火災實際結果進行對比分析，可以確定或排除某些火災原因。因此，火災的數值模擬作為火災調查的方法之一對于提高火災調查的研究發展效率以及提供科學依據具有重要的意義。

目前，中國科技大學在這方面研究較多，如李一涵,邱榕[13]等人，利用火災現場遺留痕跡與火災溫度、燃燒持續時間、起火部位位置存在著對應變化的規律，應用數值模擬，研究了這些圖痕的形成規律及其在確認火災原因中的應用。目前，數值模擬技術已在國內化工廠、歌舞廳、居民樓等火災原因調查中獲得了初步應用[14-16]。值得一提的是美國NIST曾使用他們開發的火災動力學演化程序FDS，對多起大火（其中包括美國世界貿易中心雙塔樓）進行事后計算，通過模擬，獲得了火源位置、轟然時刻以及煙氣蔓延歷程等一些重要信息，對火災原因鑒定起到了重要作用。

在信息數字化和可視化的基礎上，將火災模擬分析與消防應急指揮有機結合起來，運用GIS技術建立火災模擬分析與消防應急指揮系統，可以實現復雜條件下大區域火災蔓延動態模擬，進而提供火災數據處理、數值模擬分析、消防指揮調度及控制顯示等功能[17]。通過兩者結合，可提高從接警到滅火、撲救過程的效率，快速確定滅火、援救、疏散方案以及火災蔓延范圍，從而提高消防指揮決策的現代化水平和整體作戰能力。

目前，對于該領域的研究尚不深入，無論在理論研究方面還是消防管理模式方面都面臨著許多挑戰，其實際應用還處于探索階段。隨著研究的深入，系統功能將會進一步得到完善，將來有望在消防部門推廣應用。3結語現在，越來越多的安全工程師開始注重運用數值模擬技術來解決實際工程問題，而隨著人們對火災科學認識的不斷深化，數值模擬技術在消防工程領域內的研究和實踐亦日益得到重視，數值模擬對消防科技的發展和應用必將會起到更大的促進作用。