火災數值模型的驗證和確認

智會強，牛坤，姜明理，黃益良

(公安部天津消防研究所，天津300381)

目前，火災模擬已在火災科學研究、性能化防火設計、火災調查、消防指揮決策系統(tǒng)等領域內得到了廣泛應用，其在火災科學研究和工程應用領域扮演著越來越重要的角色。火災數值模型能否真實的反映現實火災、模擬精度如何，是需要解決的現實問題。尤其是在性能化設計中，火災模擬的可信度直接關系到設計結果的可信度。數值模型的驗證和確認，簡稱V＆V，是數值模擬的一個重要組成部分，其目的是為了評估模擬程序和物理模型的可靠性，并量化數值模擬程序計算結果的置信度［1-2］。本文重點介紹數值模型驗證和確認的研究現狀及驗證和確認的基本內容和方法，最后舉例說明火災模型確認過程。火災數值模型中，場模型也即CFD模型應用最為廣泛，因此，本文主要針對火災場模型展開論述。

1 國內外研究現狀

1.1 確認和驗證

對于火災模型來說，ASTM E1355《確定性火災模型預測能力評估指南》和國際標準ISO16730《消防安全工程-計算方法的評估、驗證、確認》所給出的定義為:驗證是確定計算方法反映概念性模型的準確程度及求解精確程度的過程;確認是確定計算方法反映真實場景的真實程度的過程［2-5］。

1.2 CFD模型的驗證和確認研究

CFD可信度評價研究在國外大多集中于航空航天領域，1998年，美國航空航天學會(AIAA)發(fā)布了《計算流體動力學模型驗證和確認技術指南》，這是世界上第一個CFD驗證和確認、可信度評價的指南。在國內，關于CFD可信度的研究也正逐步受到重視，相關單位安排組織了若干氣動外形的數值計算和試驗對比研究，空氣動力學預研基金也設立專題開展CFD可信度研究［6-7］。

1.3 火災模型的驗證和確認研究

關于火災模型的驗證和確認，國外也已開展了一系列相關研究，而國內研究則處于起步階段。1997年，美國材料試驗協(xié)會(ASTM)的標準ASTM E1355《確定性火災模型預測能力評估指南》，對于火災模型的驗證和確認進行了概念性的規(guī)定; 2003年美國核能管理研究所、電力研究院和美國國家標準和技術研究院對核電站的火災風險評估進行了研究，并發(fā)布了《用于核電站的可選火災模型的驗證和確認》，在該報告中，對FDS、CFAST等火災模型應用于核電廠的情形進行了驗證和確認研究;美國國家標準和技術研究院(NIST)在ASTM E1355的基礎上，對其開發(fā)的FDS軟件進行了較多的驗證和確認工作，并出版了專門的技術文件《FDS技術指南第二卷驗證》和《FDS技術指南第三卷確認》［8-9］。國際標準ISO16730《火災安全工程-計算方法的評估、驗證、確認》中給出了計算方法(包括火災模型)驗證和確認的一般程序。但國內外對通用CFD模型PHOENICS、FLUENT等用于火災模擬時的可信度研究則較少。

2 火災模型驗證和確認的方法

ISO16730中規(guī)定了驗證和確認的一般程序，見圖1所示。

對于火災模擬來說，在編制計算軟件之前，首先要將真實的火災過程轉化為相應的概念模型，結合火災過程的特性分析，再將概念模型轉化為數學模型，主要為描述火災過程的微分方程組，進而就可以編制程序，利用數值方法進行求解。編制的程序能否真實反應火災過程的概念模型，就需要對其進行驗證，驗證過程的目的旨在檢驗代碼是否能正確求解數學模型所描述的方程組，主要包括:

1)代碼檢驗:檢驗程序代碼是否正確，能否正確地求解描述火災的微分方程。可以利用方程的精確解或構造解來判斷程序代碼是否正確。

2)時間和空間離散化:離散方法、離散格式能否滿足求解要求。

3)迭代收斂性和相容性檢驗:檢查所用的求解方法能否滿足數值穩(wěn)定性，能否使方程快速收斂到正確的節(jié)，收斂準則是否合適。求解精度一般由簡單模型問題的精確解來確定，它是計算機代碼正確求解概念模型的證實過程，強調求解過程是否正確，重點考察計算模型的誤差，而不是建立概念模型與真實世界之間的關系。

圖中1所描述的確認過程主要是將程序的計算結果和真實的火災試驗數據進行對比，以驗證計算程序是否能真實反映現實火災。確認過程中，求解精度一般由實驗數據來確定，強調求解問題是否正確，考察的是模擬模型的誤差。對比試驗的選取應該有代表性，應對各類不同的試驗進行對比研究，如煙氣流動試驗、火災蔓延試驗等確認火災模型對各種不同火災過程的適用性。確認過程還應選擇不同的火災參數進行研究，如溫度、速度、濃度、熱釋放速率、輻射熱通量等確定其對不同參數的預測能力。

3 驗證和確認實例

在火災模擬研究中，主要應用成熟的商業(yè)軟件或專用的火災模擬軟件，這些軟件的驗證一般在軟件編制和測試過程中會有較多研究，而其確認過程顯得更為重要。因此，所舉實例為通用軟件Fluent的一個確認研究。主要用Fluent的模擬值和Steckler房間火試驗進行對比，以考察軟件對該類火災過程模擬的準確性。Steckler等人在1982年開展了一系列單室火災實驗來研究燃燒導致的流動，對溫度、速度場分布進行測量實驗，所得到的實驗數據已被多種區(qū)域模型或場模型用于模型確認研究。

3.1 試驗條件

如圖2所示，Steckler房間火試驗是在穩(wěn)態(tài)火情況下完成的，試驗房間長2.8 m、寬2.8 m、高2.18 m，房間開口(可以為門或窗戶)尺寸、火源位置和熱釋放速率在各試驗中有一系列變化，本次試驗房間開口為窗戶。在窗戶處設有速度探頭和熱電偶各12只，熱電偶的垂直間距和速度探頭的垂直間距均為0.114 m。在房間的角落處設置了18只熱電偶，熱電偶垂直間距0.114 m，角落處測試點距離附近兩側墻壁各0.305 m。本次模擬的基本實驗條件如下:火源布置在房間的中間位置，火源直徑30 cm，燃燒物質為甲烷，熱釋放率為62.9 kW，窗戶寬0.74 m，窗戶高1.38 m，窗檐高1.83 m，室外溫度為26℃。

3.2 模擬參數設置

湍流模型采用大渦模擬模型，輻射模型采用離散坐標(Discrete Ordinates，DO)輻射模型，燃燒模擬采用體積熱源法，網格大小為:0.05 m×0.05 m×0.05 m，環(huán)境初始溫度為26℃。

3.3 結果分析

試驗結果及模擬結果見圖2～圖4所示。從速度曲線來看，兩個曲線比較吻合，窗口處速度為零的位置即為中性面的位置，從圖3可以看到，試驗測得的中性面高度為1.045 m，模擬所得的中性面高度為1.00 m，可見，模擬結果是比較精確的。圖4和圖5為溫度實驗值和模擬值的對比圖，可以看到在高度低于1.0 m時，模擬結果和實驗值比較吻合，相對誤差在6%以內，當高度大于1 m時，模擬值偏離試驗值較大，但最大相對誤差不超過14%。從溫度值可以看出，FLUENT對于高溫煙氣的溫度模擬值高于試驗值，模擬結果比較保守，對于溫度值來說，模擬結果高于實驗值，在工程分析中有利于保證結果的安全性。本文所采用的火災模型為體積熱源模型，當采用燃燒模型時，誤差應該會相對較小。本例僅對較小空間內的溫度、速度和中性面高度等參數進行了對比分析，只能說明該軟件在同類場景下能夠基本反映現實火災的發(fā)展情況。對于其他的不同場景，還需進行更廣泛的確認研究。

4 結論

1)利用火災模型進行數值分析前，應著重考慮該模型對所模擬問題的適用性及預測能力，一般情況下，需要事先利用相關試驗(已有其他人員進行的試驗或自己進行相關試驗)對模型進行確認研究。

2)火災模型的驗證和確認應包含其對各類火災參數的預測能力研究，如火場溫度、熱輻射通量、反應產物的濃度變化(著重研究CO、CO2、煙密度等)、火場能見度等。

3)對于通用的CFD軟件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其發(fā)展比較成熟，其程序一般能夠比較準確的反應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;對于專用火災模擬軟件，如FDS等，已經進行了較多的確認和驗證工作，對于比較常見的火災場景，如建筑室內火災等，可以直接用來模擬分析，而對一些特殊的場景，如火災在狹長雙層玻璃幕墻內的蔓延模擬，還需進行進一步確認研究;對于自行編制的火災模型，模型的驗證工作是至關重要的，應確保程序能夠準確反映概念模型。

4)火災發(fā)展具有確定性和隨機性的特點，火災試驗的影響因素較多，在選擇確認試驗時，應盡量選擇可重復性強的試驗，并應注重采用不同火災場景下的火災試驗對其進行確認研究，以便于更好的檢驗模型的可信度。

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