基于FDS的火災調查及場景重構研究

邰鋒

摘要：由于傳統方法在火災調查及場景重構實際應用中，提供的火災重構場景與實際場景不太相符，相關系數較低，為此提出基于FDS的火災調查及場景重構。利用經驗模型和現場勘查獲取到火災現場基本信息，對火災現場進行實際調查，在此基礎上利用FDS軟件對火災調查數據進行數值模擬分析，構建火災三維空間模型，以此完成基于FDS的火災調查及場景重構。經實驗證明，設計方法重構場景與實際相關系數高于傳統方法，可以滿足火災調查及場景重構在精度方面的需求。

關鍵詞：FDS;火災調查;場景重構;相關系數;三維空間模型

引發火災的原因有多種，比如人為或自然因素等，而火災具有不可預測性、多變性、隨時性等特點，并且其發生過程是一個非常復雜的物理化學過程。火災是生活中較常見的安全隱患，不僅會造成一定數量的經濟損失，而且會威脅人的生命安全，因此火災是一個不容忽視的問題[1]。世界各地每年都會發生火災事故，造成的經濟損失比較大，人員傷亡數量也較多，由此可以看出火災給人類社會帶來了不安定因素[2]。為了降低火災對人類的危害，每次火災發生后都會由消防安全人員對火災進行調查，分析火災發生的原因，并且重構火災發生的場景，為消防安全人員控制火災、預防火災以及制定合理的消防安全措施提供指導。但是，目前現有的火災調查及場景重構方法在實際應用中重構場景與實際場景存在較大的差距，重構場景與實際場景相關系數較低，為此提出基于FDS的火災調查及場景重構。

一、FDS概述

FDS是一種數據模擬分析軟件，由美國國家標準與技術研究院研發，主要用于火災場景數值模擬分析。FDS軟件將原本的三維空間計算區域劃分成多個大小相同的正方體網格，通過三維空間模型搭建分析出火災發生場景，并依靠計算流體力學技術，對搭建的火災三維空間場景模型的燃燒、傳熱以及傳質的守恒方程進行計算。由于FDS軟件具有計算精度高、效率快等優點，已經被廣泛應用于多個領域中，包括用于火災科學的研究。目前該軟件已經更新到IJH61.0+SDV5.6.2版本，在功能上和性能上都優于以前的版本，可以對火災場景中的通風條件、熱源以及建筑物邊界條件做出詳細的描述。

二、基于FDS的火災調查及場景重構方法

（一）火災調查

火災調查共分為兩部分，一是對火災現場進行勘察，二是利用模型對火災進行深度調查分析。當火災發生后，根據現場實際情況進行記錄和勘查，其中包括火災現場的面積、發生時間、起火原因、起火點、現場可燃物體種類及數量等。火災現場勘查只是獲取到一些火災基礎調查信息，根據這些基礎信息對火災進行深入調查[3]。為了提高火災調查效率以及為后續火災場景重構提供精度較高的調查數據，本文采用經驗模型對火災進行深入調查，經驗模型以現場勘查數據以及經驗為基礎，將相關數據輸入到熱物性參數編織成的數學模型中，計算出火災煙氣濃度、溫度、熱流密度等數據信息[4]。在火災發生過程中，由于受到空間限制，物體在燃燒過程中會產生一種熱氣流，熱氣流會帶動物體燃燒產生的煙氣做向上運動，當受到物體阻擋后會沿著四周做向下運動，從而在火災空間形成熱煙氣層，其用公式表示如下：

T-H = 5.26 （ q / r ）·L? （1）

公式（1）中，T表示火災空間頂棚處的煙氣溫度;H表示火災現場環境溫度;q表示火災現場熱釋放速率;r表示地面距煙羽流中心軸的徑向距離;L表示火源到火災空間頂棚的垂直高度。將火災現場勘查數據帶入到上述公式中，利用上述公式可以計算出火災現場熱釋放速率，根據該數值再計算出火災火焰高度，其計算公式如下：

X = 2.63qYD? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（2）中，X表示火災火焰高度;Y表示無量綱熱流密度;D表示火源直徑。通過以上計算分析，基本可以了解到火災數據信息，以此完成火災調查。

（二）基于FDS的火災場景重構

在火災調查的基礎上，利用調查信息對火災場景進行重構，本文考慮到場景重構精度、火源面積以及房間尺寸變化對火災燃燒模擬的影響，采用FDS軟件對火災場景進行重構，過程如下：

在FDS軟件中建立一個直角坐標系，根據火災現場長、寬、高確定直角坐標系的計算區域。將建立的計算區域進行網格化處理，令計算區域內網格均勻分布，單個網格大小設定為0.5×0.5×0.5，根據火災現場面積大小確定網格總數量。在該直角坐標系中對計算區域邊界與外部空間邊界進行自由邊界設定，這樣可以不會限制火焰動向以及火災煙氣流動。設定完火災場景重構區域后，在FDS軟件中設定火源為油池火反應，也就是燃料先受熱蒸發再進入氣相反應，這是常見火源反應，也可以根據實際情況對其進行設定。然后在FDS軟件中對火災場景重構參數進行設置，參數設置關系到火災場景重構精度，需要根據實際情況設置，其中包括火災現場尺寸、火災材料熱物性等，尤其是火災材料參數設置，不同火災材料的熱物性是不同的。

將火災調查數據輸入到FDS軟件火災場景中，此時FDS軟件會對各類數據進行網格化處理，從而形成一個火災現場三維空間模型，在該模型中可以了解到所有火災場景信息，將真實火災場景進行還原，以此完成火災場景重構，進而完成了基于DFS的火災調查及場景重構。

三、實驗論證分析

實驗以某酒店火災事故為實驗對象，火災發生原因為人為縱火，火災發生地點為一座15層高層建筑，樓層高度4.5m，起火樓層位于5樓，單層建筑物面積約1656m2。火災發生后，酒店工作人員立即向市消防隊報警，市消防隊接到報警后調集14名消防隊員和4輛消防車趕往火災現場，經過3小時的火災救援，火災被撲滅，造成人員傷亡9人，實驗利用此次設計方法與傳統方法對該火災進行調查與場景重構。實驗調查結果：火災燒毀面積約566.25m2，主要集中在第5層，包括16間客房。

利用FDS軟件對火災場景進行重構，根據火災面積將火災劃分成五個場景，表1為該五個火災場景工況表。

實驗利用FDS軟件對五個火災場景進行重構，包括溫度、熱釋放率、時間等，其中五個火災場景熱釋放率分別為1520kW、1300kW、1450kW、1650kW、1760kW，將火災重構場景與實際情況進行對比分析，利用BHJU軟件計算出重構場景與實際場景的相關系數，實驗將其作為兩種方法對比分析指標，實驗結果如表2所示。

從表2可以看出，應用本文設計方法對火災重構的場景與實際場景基本相同，相關系數值較大，遠高于傳統方法，這說明本文設計方法可以真實地反映出火災當時場景，更適用于火災調查及場景重構。

四、結語

FDS作為一個精度較高的火災數值模擬軟件，對火災調查與場景重構具有重要的應用價值，本文結合該軟件優點，設計了一套新的火災調查及場景重構方法，并且利用實驗驗證了該方法的準確性和適用性，可以為消防安全人員制定消防措施提供數據依據，同時也可以為消防部門確定火災滅火方案提供基礎。

參考文獻：

[1]米紅甫，劉亞玲，楊文璟，等.基于FDS的綜合管廊電纜火災煙氣優化控制模式研究[J].中國安全生產科學技術，2020，16（07）：100-105.

[2]陳建華，何建晗.基于FDS的地鐵換乘站火災風險評價及人員疏散方案規劃[J].南華大學學報（社會科學版），2020，21（06）：30-37.

[3]石來，陳超，李曉軍，等.基于FDS的地下空間增強體驗式火災逃生VR系統[J].中國安全科學學報，2019，29（04）：70-75.

[4]茍琦林，畢海權，李盎.基于FDS的行李架對高速列車客室火災影響的研究[J].制冷與空調（四川），2019，33（02）：103-107.

作者簡介：

邰鋒（1977.01—），男，河南省鞏義市人，本科，深圳市消防救援支隊工程師，研究方向：火災調查。