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1、分类号：620.3010 密级：天津理工大学研究生学位论文 基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火灾数值模拟和安全疏散研究 （申请硕士学位）学科专业：安全工程研究方向：建筑火灾模拟作者姓名： 指导教师： 2015年2月 Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters Degree Study of Numerical Simulation Fire and Evacuation of Experiment building Based on Pyrosim and PathfinderBy Su
2、pervisor Feb,2015 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇
3、编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要在人类的文明史上，火的使用是人类文明的一个重要象征，也是人类文明史上的一个伟大创举，在人类社会的进步中起到了无可比拟的重要作用，可以说，一部人类文的进步史，就是一部人类文明的用火史。然而，世界上的事物总是具有两面性的，火的使用虽然使人类进入了文明时代，但是其一旦失去控制，又会危机人类的生命和财产安全，给人类带来灾难。随着人类社会的发展，物质的丰富，火灾发生的频率和造成的伤亡和损失越来越大，并且已经直接影
4、响到了经济发展和社会的稳定。而在各类火灾中以建筑火灾对人类的危害最大，建筑物往往存在着人员密度大，火灾荷载大的特点，一旦发生火灾，就可能造成财产的巨大损失和人员的大量伤亡，因此，建筑火灾的研究已成为社会各界密切关注的重大课题。随着计算机技术的飞速发展，火灾模拟技术和人员安全疏散研究也得到了快速发展。火灾模拟不仅可以形象的展示出火灾过程中热量、烟气的传递过程，更重要的是可以为火灾危险性分析提供更加快速、准确的实验数据；人员安全疏散的研究可以较为准确的预测人员必需的安全疏散时间，从而为建筑火灾安全性研究提供有利的分析工具。为有效了解建筑火灾的蔓延和发展规律以及人员安全疏散状况，应用火灾模拟软件Py
5、rosim和人员安全疏散模拟软件Pathfinder，通过建立模型对某高校实验综合楼进行四个不同火灾场景下的仿真数值模拟。重点研究了火灾过程中的烟气蔓延发展情况，通过火灾模拟结果和人员疏散模拟结果的对比分析，综合各种因素得出所研究建筑的火灾危险性，找出所研究建筑的火灾危险因素。结果表明，该类模型能够有效模拟实验综合楼火灾发生的状况以及人员安全疏散情况，对于规范实验综合楼的火灾预防管理，消防系统的布置以及火灾中人员的安全疏散具有指导意义。本文对研究建筑火灾发展过程的特点，安全性分析以及火灾形势下人员的安全疏散问题具有重要参考价值。 关键词： 建筑火灾， Pyrosim ，Pathfiander
6、，安全疏散 AbstractThrough human civilization history, the using of fire is a key symbol, a priceless contribution ,it plays an important role in the progress of human society, as we can say that an history of using fire is an history of human civilization. Nevertheless ,everything has two sides, the usi
7、ng of fire made human enter the era of civilization but once out of control , itll put humans life and treasure in danger and bring disaster to them. As the development of human society and booming of material, the fire accident is more likely to happen and cause more loss , furthermore it has bad i
8、nfluence on growth of economy and stability of the society. Building fire does the most damage to human among all fire accidents, there are many reasons , such as high personnel density ,high fire loading . Once there is a fire accident , treasure lost, people dead and injured. So research on fire a
9、ccident has attracted attention of all sectors of society and has become major tasks. As the development of information technology , research on fire simulation and personnel evacuation has developed fast. Fire simulation can demonstrate the transfer process of heat and smoke, more importantly it wi
10、ll provide prompt precise experiment data for fire accident analysis. Research on personnel evacuation may predict the necessary evacuation time precisely , therefore provide favourable analysis tool for building fire safety study. In order to understand the spreading and developing rule of building
11、 fire and situation of personnel evacuation , applying fire simulation software Pyrosim and personnel evacuation simulation software Pathfinder to build models to simulate a colleges laboratory building with four fire scenes. Focused research on smoke spreading condition in a fire process , through
12、a comparative analysis on fire simulation and personnel evacuation result, synthesize all the factors to find out fire risk and fire hazard factors of the case building. Result shows that the model is able to simulate the condition of fire accident and personnel evacuation in the laboratory building
13、 . Made a significant meaning to standard fire prevention management, arrange fire extinguishing system and personnel safety evacuation in laboratory building. This paper will provide a consultative idea to fire development process research , safety analysis and personnel evacuation in fire accident
14、 situation.Key words：building fire , Pyrosim , Pathfinder , safety evacuation 目 录第一章 绪论11.1研究的目的与意义11.2 火灾数值模拟国内外研究现状21.2.1 国外火灾模拟研究现状21.2.2 国内火灾模拟研究现状21.3 研究内容和方案路线31.3.1 研究内容31.3.2 研究方案与路线4第二章 建筑火灾的相关理论基础52.1 建筑火灾的发展52.1.1 建筑火灾的温度曲线52.1.2 不同阶段建筑火灾的特点62.2火灾烟气72.3 火灾模拟方法介绍9第三章 PYROSIM基础理论和建筑火灾数值模拟11
15、3.1 Pyrosim软件介绍113.2建筑火灾的Pyrosim数值模拟113.2.1 建筑物理模型设定123.2.2 网格模型的确定123.2.3 火灾场景的确定133.2.4 火灾模拟初始条件的设定143.3 火灾危险时间确定与火灾模拟结果分析143.3.1 火灾危险时间确定143.3.2 不同火灾场景的火灾模拟结果15第四章 建筑火灾中的人员安全疏散分析284.1 疏散相关参数284.2 计算机模拟分析304.2.1 安全疏散软件Pathfinder简介304.2.2 疏散模型初始条件建立314.2.3 疏散模型建立314.2.4基于不同火灾场景下的人员安全疏散过程和结果324.3 建筑
16、火灾安全性判定38第五章 不确定性分析405.1 火灾的不确定性分析405.2 火灾数值模拟的不确定性分析415.3 人员疏散的不确定性分析41第六章 结论与展望436.1 结论436.2 展望43参考文献45发表论文和科研情况说明48致 谢49 第一章 绪论在人类的文明史上，火的使用是人类文明的一个重要象征，也是人类文明史上的一个伟大创举，在人类社会的进步中起到了无可比拟的重要作用，可以说，一部人类文的进步史，就是一部人类文明的用火史。然而，世界上的事物总是具有两面性的，火的使用虽然使人类进入了文明时代，但是其一旦失去控制，又会危及人类的生命和财产安全，给人类带来灾难。随着人类社会的发展，物
17、质的丰富，火灾发生的频率和造成的伤亡和损失越来越大，并且已经直接影响到了经济发展和社会的稳定1。建筑物是人类居住和聚居的主要场所，也是财物的主要存放场所。统计表明，相比与其他类型的火灾，建筑火灾的次数和造成的损失更大，在各类火灾中建筑火灾发生的次数和造成的人员伤亡以及财产损失居于首位，根据中国消防年鉴，自1992年以来，我国发生的火灾中，建筑火灾发生的次数占全部发生次数的75，造成的财产损失和人员伤亡占到总的伤亡和财产损失的80以上2。而且随着社会的进步，经济的发展，人们的财富不断增加，建筑物的种类以及结构也越来越多样，再加之各类新型装修和装饰的应用，新的火灾隐患不断出现，火灾造成的损失逐渐变
18、大，建筑防火安全日益被人们重视。所以，对于建筑火灾的研究具有重要的现实意义和社会价值。1.1研究的目的与意义由于我国消防技术方面的落户和人们消防意识的淡薄，各类火灾隐患不断出现，作为人类活动主要场所的建筑物的火灾隐患也在不断增加。改革开放的三十多年来，我国出现了多起严重的社会影响恶劣的建筑火灾，如1994年12月8日的新疆克拉玛依市友谊馆特大火灾，造成了323死亡，130人烧伤，直接经济损失大210.9万元；2004年2月5日，吉林省吉林市中百商厦特大火灾，大火造成54人死亡，70人受伤，过火面积2040，直接经济损失426万元；2009年2月9日，央视新楼的配楼发生特大火灾，在此次事故救灾中
19、1名消防员英勇牺牲，8名救灾人员重伤，直接经济损失达 1.7 亿元；2010年11月15日1时，上海余姚路胶州路一栋高层教师公寓起火， 大火致使 58人遇难，另有70余人烧伤治疗。随着城市化进程的加快，以及新建筑物种类和结构的不断涌现，新的建筑火灾隐患不断出现。另外，由于建筑物人员和财产聚集性，以及建筑物本身的结构特性，造成了建筑火灾的不同，建筑火灾与其他火灾相比，具有以下四个方面的特点3-5： 火灾隐患多、火灾损失重； 火势蔓延迅速、烟气扩散快； 灭火扑救困难、管理不够完善； 火灾烟气中有毒有害气体产物多。综上可以看出建筑火灾造成的人员伤亡和财产损失之大，社会影响之恶劣，建筑火灾由于其特殊性
20、，其已经各类火灾对人类危害最大的火灾类型。从我国目前多年来发生火灾的情况来看，随着经济的发展和城市化的推进，人民物质文化生活水平的提高，各类火灾隐患不断增加，火灾发生次数和造成的损失不断加大。随着人们对建筑火灾的关注度增加，对于建筑火灾的研究越来越多。本文所研究的目的意义在于通过火灾模拟软件Pyrosim，研究分析建筑火灾蔓延规律，并重点对建筑火灾中的烟气蔓延和温度场分布进行研究，然后借助人员疏散软件Pathfinder模拟计算，得出建筑物内的人员疏散过程。最后通过火灾模拟结果与人员疏散研究的结果进行对比分析，评定出所研究建筑物的火灾危险性，找出影响建筑火灾安全的各种隐患，进而为所研究建筑物防
21、火安全以及人员安全疏散提出切实可行的意见及建议。另外，通过计算机模拟技术能够更深入和直观的认识火灾发展规律和人员疏散的过程，进而在火灾风险评估、性能化设计以及人员疏散的研究中给予强大的技术支持，并能针对特定建筑提出具有针对性的、有效的防火措施及对策，对于保证建筑火灾安全具有重要的现实意义和社会价值。 1.2 火灾数值模拟国内外研究现状1.2.1 国外火灾模拟研究现状由于计算机技术起步应用较早和对火灾科学的重视，国外在火灾计算机模拟方面也相对有较早的起步和重视， 并取得了很多在火灾科学领域具有重要影响的研究成果。美国的埃蒙斯6（H.W.Emmons）将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理运
22、用到建筑火灾的领域的研究上，对于火灾科学的基础理论研究做出了重大贡献。美国的国家标准与技术研究院（NIST）在上世纪80年代开发了火灾动态模拟软件FDS，并对其不断的进行改进和完善，使其能够适用不同种类的火灾场景上，并且通过开放源代码使使用者能够自主的根据自己的需要进行设定 7。美国的国家标准与技术研究院（NIST），在20世纪90年代开发了用于进行计算机多室火灾与烟气蔓延的区域模型CFAST模型8。L.Farmer 和N.O.Sin9引入了火灾的发展过程不确定性分析，通过不确定分析，来更加全面的分析火灾过程中的各种因素，以期做到对火灾安全的全面防护。Alexandra Bystrm10通过对
23、建筑实体进行不同场景火灾实验，对火灾模拟软件进行可靠性分析，得出实体火灾和软件模拟的差异性分析。总的来说，国外火灾科学的研究方面保持着较高的投入和水准，在火灾模拟方面的研究已经相当成熟，无论是从理论研究，还是从软件开发上的都已取得了很多的研究成果11-12。1.2.2 国内火灾模拟研究现状改革开放以来，随着经济的发展和对外交流的增加，国内火灾科学的研究已经从起步之初的一片空白，到目前经历了近30年的发展，我国已经在火灾科学领域形成了一系列与我国实际相适应的理论和实践体系，并且取得了很多研究成果。我国火灾科学的研究建立在研究所和高校相结合的模式基础上，形成了以天津、沈阳、成都、上海消防研究所为主
24、的四个专业的火灾科学的研究机构，其中天津消防所在1986年对火灾模拟方法的相关外文文集进行了翻译整理，整理介绍了当时在国际上应用比较广泛的集中火灾模拟程序 13。 在高校火灾科学研究方面，中国科技大学是国内院校中最早进行火灾科学研究的，在计算机火灾模拟方面也是起步相对较早的，形成了以范维澄院士为领导核心的火灾科学的研究团队，在中国火灾科学基础的建设，性能化防火，水灭火以及火灾模拟等领域取得了很多研究成果，并在国家的支持下在1992年建立起了火灾科学国家重点实验室14-20。廊坊武警学院作为国内唯一武警消防院校，在消防安全领域有着深入的研究，在计算机模拟方面，取得了国家“九五”攻关项目“油罐火灾
25、灭火指挥计算机模拟训练系统”21。西安建筑科技的大学的张树平教授22，在建筑火灾的性能化研究和建筑防火设计方面有着卓越的研究成果，是现在我国建筑火灾研究的领军人物。另外，中国矿业大学、西安建筑科技大学、清华大学以及浙江大学等高校也在火灾科学领域取得很多研究成果23-26。总体来说，目前我国还没有在计算机火灾模拟方面取得太多在国际上有较大影响力的成果，但是也已经取得了一定成绩，并已投入到实际应用中。1.3 研究内容和方案路线1.3.1 研究内容本文旨在通过经验理论分析和计算机模拟技术相结合研究建筑火灾的发展蔓延情况和人员安全疏散状况。最后通过对比分析，得出所研究的建筑物的火灾危险性，并对所研究建
26、筑的消防安全、人员安全疏散提出可行的意见和建议。本文通过六个部分对所研究的对象进行分析研究：1）第一章为绪论部分，主要介绍了进行建筑火灾模拟和人员安全疏散研究的相关背景，介绍了国内外有关火灾模拟研究历史和现状，阐述对建筑火灾研究的目的意义所在，并介绍了研究的相关技术路线和技术方案；2）第二章对建筑火灾的相关理论基础进行阐述，包括建筑火灾发展的基本过程，火灾烟气，火灾数值模拟方法等的介绍，使我们能够对建筑火灾从基本上进行清楚的了解和认知；3）第三章首先介绍了本文进行火灾模拟研究所要采用的火灾模拟软件Pyrosim，然后通过分析设定火灾达到危险性的两个条件，之后通过建立所研究的实验综合楼的工程模型
27、，进行实例分析，设定四个典型的起火场景和火灾模拟的初始条件进行火灾计算机模拟实验，通过模拟结果分析得出不同火灾场景下的火灾危险值；4）第四章是人员疏散研究，本章开始首先分析了人员疏散过程，并对疏散过程中的相关参数进行分析设定，然后简单介绍用于人员安全疏散的软件Pathfinder的相关内容，通过设定不同火灾场景下人员疏散的参数，模拟得出不同火灾场景下人员疏散的情况，并结合相关设定的疏散参数得出人员必需的疏散时间值，最后对比火灾模拟结果和人员疏散结果，判定出不同火灾场景下的火灾危险；5）第五章进行不确定分析，从建筑火灾的不确定性、火灾数值模拟的不确定性和人员疏散过程中的不确定性三个方面进行分析，
28、进而全面准确的掌握影响建筑火灾安全的各方面要素；6）第六章为结论和展望，通过本文的研究，分析出特定建筑的火灾危险因素，结合实际情况提出合理、可行的消防建议。1.3.2 研究方案与路线（1）研究方案：理论研究火灾过程模拟人员疏散模拟对比、分析建筑物得出火灾危险性提出防火措施及对策。（2）研究路线图如下图1-1：图1-1 研究路线图Fig. 1-1 The research Roadmap第二章 建筑火灾的相关理论基础2.1 建筑火灾的发展2.1.1 建筑火灾的温度曲线 火灾温度和持续时间是火灾的重要指标，室内温度与时间变化可用火灾温度曲线来表示，火灾温度曲线的形状代表火灾发展中实际出现的各种燃烧
29、现象。火灾温度曲线反映了温度增长速度和燃烧速度的变化，曲线上的每一个拐点都代表火场上发生的情况，曲线上的点之间的曲线代表火灾发展的不同阶段27。 火灾发展各阶段的持续时间以及标志达到某一阶段的温度值与燃烧条件密切相关，所以同样的火灾温度曲线是没有的。为了便于科学研究和制定防火规范，世界各国都依据实验结果制定能代表本国一般建筑火灾发展规律的标准温度时间曲线。实际上，各国绘制的标准温度时间曲线形状十分相似28。我国采用国际标准(ISO834)规定的标准火灾温度曲线，如下图2-1所示：图2-1 标准火灾温度曲线Fig. 2-1 The standard temperature cure of fir
30、e 通过对于火灾温度曲线的分析，能够帮助我们更加清楚地认知火灾发生的各个过程，火灾温度曲线能够反映火灾发展阶段性特征，在实际研究火灾温度曲线类似于下图2-2所示：图2-2 火灾温度曲线Fig. 2-2 The temperature cure of fire 从上图可以知道，AB段为火灾的初起阶段，B点为火灾进入发展阶段的起点，BC段内温度迅速上升，可知在这个阶段内着火房间内的可燃物充分燃烧，火灾进入全面发展阶段，C点以后温度开始下降，房间的可燃物基本燃烧完全，火灾由全面发展阶段进入到熄灭阶段，这个阶段一般持续时间会很长。利用火灾温度曲线还可以对可燃物的种类进行判断，当燃烧物为可燃气体火灾易燃
31、蒸汽时，此时的温度曲线上升速度极快，几乎看不到升温阶段，室内温度会在很短的时间内到达峰值，如果为固体可热物，则温度上升的速度就会比较慢，火灾温度曲线的会显得相对比较平缓，图中的BB、阶段可能是由于出现爆燃现象所致。2.1.2 不同阶段建筑火灾的特点建筑火灾造成建筑物的破坏、人员伤亡和财产损失， 建筑火灾发生过程分为三个阶段，分别为火灾初起阶段、火灾发展阶段、火灾熄灭阶段。（一） 火灾初起阶段在室内火灾初起阶段，只有起火点处的温度相对较高，室内其他部分温度较低，室内平均温度较低，这时火灾受到可燃物燃烧性能、通风、分布、散热等方面的影响，燃烧速度相对较慢，而且燃烧极不稳定，如果最初的燃烧物质燃烧完
32、全，又没有新的可燃物，以及在通风供氧不足的情况下可能会熄灭，如果可燃物充足，而且通风供氧充足的情况下则会不断发展。所以说，初起火灾与室内的火灾条件有很大关系。在这各个阶段，火势相对较小，是进行灭火防火的最佳时机，这个时候投入很少的灭火力量，如用灭火器就可以扑灭火灾，这个时期是进行人员疏散逃生的最佳时机，所以，能够及时发现火灾的发生是至关重要，所以，在火灾危险性比较大的场所，应该安装有火灾自动报警装置。（二） 火灾发展阶段室内火灾进入发展阶段后可燃物猛烈燃烧，燃烧处于稳定期，可燃物的燃烧速度接近定值，火灾温度上升到最高点。火灾发展阶段时间长短主要取决于可燃物燃烧性能、可燃物数量和通风条件，而与起
33、火原因无关。实验发现，火灾发展阶段燃烧的可燃物为整个火灾过程中烧掉可燃物数量的8029。火灾全面发展阶段，对于火灾的扑救需要投入专业力量，如消防队等，这时室内的可燃物进入全面燃烧阶段，火灾烟气不断增加，并向未着火区域快速蔓延，火场温度也急剧升高，这时对于人员疏散已经很困难，如果人员没能及时疏散，可能会造成较大的人员伤亡，这时灭火救援的速度决定了人员伤亡和财产损失的大小。另外还应该注意防火分区和防烟分隔的设立，以便于控制建筑物内火灾和烟气的蔓延，为非过火区域的人员安全疏散争取更多的时间。（三） 火灾熄灭阶段火灾进入熄灭阶段后，室内可供燃烧的物质减少，温度开始下降。实验发现，室内温度衰减的速度与火
34、灾持续时间的关系是：火灾持续时间越长，其衰减速度越慢。火灾持续时间在1h以下时，室内火灾温度衰减速度为12/min；火灾持续时间大于1h，其衰减速度约为8/min29。所以，有时在火灾熄灭阶段的前期，室内温度仍然很高，火势较为猛烈，热辐射较强，对周围建筑物仍有很大威胁。实际灭火战斗中应注意堵截包围，防止火势蔓延，切不可疏忽大意，但因为可燃物数量已经不多，也不必投入过多的战斗力量。但是这个时期往往由于前期喷水灭火作业，可能会造成建筑物的结构的变化，出现坍塌、裂缝和变形，这时如果进入到建筑物内可能会造成灭火救援人员的伤亡。所有的建筑火灾都有经历上面阐述的火灾过程的三个阶段，只是有时因为火灾类型的不
35、同，可能会有不同阶段时间上的差异。另外，由于建筑物本身的结构形式各异，尤其是步入现代社会以来各种不同类型，不同风格的建筑不断涌现，建筑物的结构已经不能用传统的结构观念去衡量，再加之建筑屋内的物品种类和布局的不同以及装修材料的差别，所以也造成了它们之间的火灾大小、火灾危险性和火灾损失的不同。2.2火灾烟气火灾烟气是火灾过程中物质的燃烧或热解过程中所产生的悬浮在空气中的固体和液体颗粒，火灾烟气的主要成分包括以下三类物质：没有完全燃烧的气态可燃物；气相燃烧产物；没有完全燃烧的液、固相分解物和冷凝微小颗粒。由于含有以上几种物质成分，造成了火灾烟气具有很大的危害性，加之火灾烟气的高温性，势必会对火灾人员
36、疏散安全和建筑物内财物造成影响和损害。1.火灾烟气的危害性对于大多数火灾受害者而言，首先看到的是烟，火灾烟气由于其包含的主要成分以及其蔓延的过程造成它具有以下特性：1）遮光性 由于火灾烟气中含有大量的固体分解物颗粒以及液态的冷凝微小颗粒，这些物质绝大部分是透明的，随着火灾的发展，烟气的不断积累，当烟气层的高度下降到人眼高度时，就会造成疏散人员能见度的降低，将会造成疏散速度的下降，对于人员的疏散影响较大30。2）刺激性由于材料科学的发展，以及在建筑中的广发应用，各种复合材料应用于建筑的构造和装饰上，这些材料在火灾中分析接触各种具有刺激性气味的气体，这些气体会刺激人的呼吸系统和眼睛，造成人员的疏散
37、速度的降低31。下图反映了人员在刺激性气体和非刺激性气体下人员的疏散速度对比。图2-3在刺激性与非刺激性烟气体中人的行走速度Fig. 2-3 The human walking speed in irritant and smoke gas 3）高温性人类对高温耐受性有一定的限度，当温度超过60人的耐受极限不超过20分钟，当温度超过100时人的耐受时间不超过一分钟，一般情况下火灾的现场的温度高达几百度甚至上千度，即使是火灾烟气温度有时超过60，当高温烟气蔓延到建筑内，首先对人的呼吸系统造成影响，进而引起皮肤的严重烫伤，最后造成休克和死亡32。4）毒害性火灾烟气的毒害性与火灾烟气的刺激性类似，由
38、于各种化工复合材料的运用，火灾中这些材料分解出的各种有毒气体，如一氧化碳能够造成进入人体与人体的血红蛋白结合造成人窒息，硫化氢能够严重的刺激人的呼吸系统，对人的呼吸系统造成损伤，火灾产生的有毒气体还包括氮氧化合物、氯化氢、氰化氢等有毒有害气体，这些气体都会对疏散人员造成不同程度的伤害。2.火灾烟气在建筑物内的流动火灾烟气在火灾初起时期的量相对较小，火灾烟气向上升腾，遇到顶棚后，烟气开始带顶棚慢慢积聚形成着火室内烟气层；随着火灾的发展，到了火灾全面发展时期，燃烧物剧烈燃烧，氧气供应不足，会在短时间内产生大量烟雾，这时烟气随着火势的推动和内外压差的影响，通过着火房间向其他部分迅速蔓延，烟气很快充斥
39、整个建筑物；到了火灾的熄灭阶段，由于可燃物的燃烧基本殆尽，空气的大量涌入，可燃物充分燃烧，这时的烟气的产生量也相对较少，此时烟气会通过被烧毁的出口向往蔓延。根据烟蔓延的规律，分析可知烟气流动的驱动力主要包括以下六个方面：烟囱效应、高温烟气的浮力、气体受热膨胀、风力影响、机械通风系统造成的压力、电梯的活塞效等33-34。2.3 火灾模拟方法介绍在计算机火灾模拟方面，我们可以选择经验模型、区域模型、场模型、区-场-网复合模型35-36。通过这些应用这些模型分析，我们可以直观的了解火灾蔓延的过程，对火灾中的温度场分布、烟气分布、能见度分布和气体的浓度进行定性和定量的分析研究37。通过这些分析可以对建
40、筑物的消防安全、人员安全疏散以及建筑防火设计等方面进行指导和帮助，对于建筑火灾安全能起到重要作用，具有很重要的现实意义。1）经验模型经验模型也就是专家系统，它通过专家对火灾事故和火灾实体实验进行经验总结，并结合火灾科学的相关经验公式，针对特定的相似火灾模拟对象，进行的一种定性和定量的模拟，从而分析得出模拟对象的火灾危险性和到导致火灾发生的各种因素38。这种模拟更多的是依靠模拟者的对火灾事故和火灾科学的经验和知识，局限性较大，后来通过和计算机技术相结合，形成了比较固定的模式，在火灾模拟领域也得到较为广泛的应用。目前应用比较多是美国FIREFORM、英国ASKRSF和澳大利亚FIRECAIC等39
41、-40。2）区域模型区域模拟，是经验公式与相关的动量守恒、能量守恒、质量守恒以及火灾中相关化学反应公式的结合，根据结合程度的不同，模拟方式也不尽相同41。这种模拟除了可以模拟出开间的空气温度外，还可以得到墙体的温度和通过洞口的气流信息。但是这种模拟也有一定的局限性，主要是模拟不能过大，另外，模拟所消耗的时间也相对较长。目前使用比较多的、有典型作用的区域模拟模型是由美国NIST开发的计算机多室火灾与烟气蔓延的CFAST模型。3）场模型场模型是基于控制火灾过程的质量、动量、能量和化学反应诸方面基本方程的一种高层次的复杂模拟。场模拟的主要优点是在具体有复杂几何体的开间内，因为CFD模型对空间细致划分
42、的灵活性使得创造出一个这样复杂的划分体成为可能。目前使用较多的场模拟软件有CFX、 FIJUENT和FDS 42-45。4）区-场-网复合模型由于现代建筑的复杂性，单凭一种模拟方法不能够准确的模拟出建筑火灾的发生状况，这时就需要多种模型相结合进行，进行模拟对象模拟模型的建立，这样能够取个种方法之所长，找到一种较为合理的建筑火灾模拟方法。根据每种建筑物的不同特点，选择合适的火灾模型可以在节约成本的基础上尽可能的准确模拟出所研究对象的火灾危险性，以便进行科学合理的火灾风险评估和火灾预防。针对本文所研究的实验综合楼的类型，选用场模型进行模拟，所选用的场模拟软件是在FDS模型的基础上进行改进的Pyro
43、sim火灾模拟软件。 第三章 Pyrosim基础理论和建筑火灾数值模拟3.1 Pyrosim软件介绍 Thunderhead Engineering Pyrosim 简称Pyrosim，是由美国国家标准与技术研究院研发的专门用于火灾动态仿真模拟（Fire Dynamic Simulation，FDS）的软件。Pyrosim是在FDS的基础上发展起来的，它为火灾动态模拟（FDS）提供了一个图形用户界面。它被用来创建火灾模拟，准确的预测火灾烟气流动、火灾温度和有毒有害气体浓度分布。该软件以计算流体动力学为理论依据，仿真模拟预测火灾中的烟气、一氧化碳等有毒气体的流动、火灾温度以及烟气浓度的分布；该软
44、件可模拟的范围很广，包括日常的炉火、房间火灾、以及电气设备引发的多种火灾；软件除了方便地建模外，还可直接导入DXF和FDS格式的模型文件46-47。Pyrosim最大的特点是提供了三维图形化前处理功能，可视化编辑可实现在构建模型的同时，能方便查看所建模型，使用户从以前使用FDS建模的枯燥复杂的命令行编写中解放出来48。 从总体上来讲，Pyrosim火灾数值模拟软件包含模型建立、运行求解和分析处理三个基本过程。Pyrosim提供的模型建立主要为建立网格、材料定义、创建表面、创建构筑物、添加火源和通风口或者在EVAC状态下定义人的属性等过程，最终得到一个完整的火灾数值模拟模型。运行求解用于设置时间
45、参数、输出结果参数等仿真参数设置，最后执行求解，得到求解结果文件；分析处理主要包括三维 Smokeview 结果分析处理和绘制时间历史结果图分析处理，用于分析处理求解所得的结果数据。其中，Smokeview 结果分析处理用于观看三维动画结果中的烟气扩散、火灾蔓延结果、人员疏散过程和各种设备效果等结果。绘制时间历史结果图分析处理主要用于绘制随时间进程，烟气、温度、人员、气体浓度等变化曲线。 3.2建筑火灾的Pyrosim数值模拟高校是一直以来都是我国消防安全的重点单位，近些年来随着政策的改变，高校不断的进行人员扩招，使得高校人数急剧增加，高校人口密度也随之增大，进一步加大了高校的火灾危险性。高校
46、实验综合楼不但承载着部分教学和办公任务，而且是高校科研工作的主要场所，内部有很多大型实验仪器和各种易燃易爆和危化物品，一旦发生火灾将会造成较大的人员伤亡和财产损失，因此，此类建筑具有人员集中、火灾危险性大、火灾损失大等特点49-50。因此，对高校实验综合楼进行火灾危险评价和人员安全疏散的研究是很有必要的。本文所进行的建筑火灾Pyrosim火灾数值模拟就是针对此类建筑进行的。3.2.1 建筑物理模型设定本文以某高校实验综合楼为研究对象，该实验综合楼为五层单体建筑，该实验综合楼的正视图如下图3-1所示：图3-1实验综合楼正视图Fig. 3-1 The view of experimental bu
47、ilding 该实验综合楼为钢筋混凝土结构，耐火等级为二级。该实验综合楼一层和二层为实验办公区，该实验综合楼的绝大部分实验室分布在这两层，主要实验室包括防火防爆实验室、特种设备无损检验实验室、环境科学基础实验室、水资源实验室，以及实验管理中心办公室，三到五层为教学办公区，是主要从事大部分基础教学和教学办公的地点。该楼的一层和二层之间通过中庭连通，建筑结构类似，三到五层建筑结构相似。该实验综合楼走廊内安装有应急疏散装置。另外，该实验综合楼设有两个疏散楼梯，疏散楼梯口的宽和高为1.5m2.0m。该楼一层正对中庭的西侧和西侧楼梯相连接处为该楼的主要安全出口，该安全出口为三个相连接玻璃门，每个门的尺寸为1.5m2.5m，在该实验综合楼的东侧楼梯口处有一安全出口，但是为了平时管理方便，该门被锁死，另外，该实验综合楼内安装有火灾自动报警装置，配备的是感烟探测器，而且处于工作状态，楼内设有消火栓系统，没有
