火災模擬軟件選取

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在火災模擬中，影響模擬結(jié)果準確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。同時，各個軟件都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，對某一工程設計，如性能化設計項目，選擇最合適的軟件進行火災模擬是一比較重要的問題。

一、火災模擬

在火災模擬中，影響模擬結(jié)果準確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。

（一）概述

火災數(shù)值模擬是火災研究的重要內(nèi)容之一，但由于火災現(xiàn)象的復雜性，近幾十年來才建立起描述火災現(xiàn)象的實用數(shù)學模型。火災模型主要分為確定性模型和隨機性模型。

火災數(shù)值模型主要有專家系統(tǒng)（Expert

System）、區(qū)域模型（Zone

Model）、場模型（Field

Model）、網(wǎng)絡模型（Network

Model）和混合模型（Hybrid

Model）。場模型也即CFD模型，主要是利用計算流體動力學（CFD）技術對火災進行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細的物理量的時空分布，能精細地體現(xiàn)火災現(xiàn)象，加之高速、大容量計算機的發(fā)展，使得CFD模型得到了越來越廣泛的應用。

目前用于火災模擬的CFD模型主要有：FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專門針對火災模擬而開發(fā)的CFD軟件，簡單易用。因此，在火災模擬中應用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計算流體力學的通用軟件，將其用于火災模擬需要有較強的流體力學背景。因此，應用較少。目前，國內(nèi)外對FDS的研究比較多，而對于PHOENICS和FLUENT在火災模擬方面的應用研究則較少，對各個軟件的對比研究更少。

在火災模擬中，影響模擬結(jié)果準確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，怎樣才能使模擬結(jié)果更加準確、可信是一個急需解決的問題。同時，各個軟件都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，對某一工程設計，如性能化設計項目，選擇最合適的軟件進行火災模擬是一比較重要的問題。因此，為了能夠更好地利用CFD模型進行火災模擬，有必要對他們進行系統(tǒng)研究。

驗證(veriifcation)與確認(validation)是評價數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對CFD軟件的驗證與確認工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對于計算結(jié)果的可信度，CFD研究人員并不能給出明確的回答。這使得CFD軟件的使用者對CFD也持一種矛盾的心態(tài)，既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟的設計工具，又對CFD的計算結(jié)果心存疑慮。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計算和模擬實體火災的方式，進一步驗證模型的可靠性。

（二）選取

從軟件易用性來看，火災專用模擬軟件相對簡單，在應用中不需要作復雜設置，使用者只需掌握火災基本知識即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對使用者要求較高，使用者需要對流體力學有深入了解，才能得到合理結(jié)果，因此，一般火災模擬選擇專用軟件為宜。

利用火災模型進行數(shù)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。

從模擬準確性來看，火災專用模擬軟件由于是專門針對火災開發(fā)，在概念模型層面相對于通用軟件更接近于真實模型，其數(shù)學模型更能反映火災過程，因此，一般情況下，建議選擇火災專用軟件，除非在專用軟件無法模擬的情況下才選擇通用軟件。

使用火災專用軟件時，應著重考慮網(wǎng)格獨立性、邊界條件設置對模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時，還應考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

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

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(jīng)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(nèi)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(nèi)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擬程序，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。

用Steckler房間火試驗，對PHONEICS和FLUENT進行了確認研究，就該類實例來說，F(xiàn)LUENT的準確度要高于PHENICS，但就工程應用來說，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經(jīng)過網(wǎng)格獨立性檢驗后，兩者的模擬結(jié)果一般可滿足工程需要。

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，以便更好地檢驗模型的可信度。

二、疏散模擬

當前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計，有文獻記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來進行選擇。

（一）概述

建筑防火設計的主要目標之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設計，是要求所設計的疏散設施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時間安全疏散到安全的地方。評價指標包括建筑的安全出口、疏散樓梯的寬度、疏散距離是否滿足建筑內(nèi)使用人員的疏散需要，人員的疏散所需時間是否大于火災條件下的可用疏散時間。

安全疏散時間判據(jù)，主要按照火災發(fā)展與人員疏散時間為同時沿一條不可逆的時間線進行，保證建筑物內(nèi)人員安全疏散完畢所需時間必須小于火災發(fā)展到危險狀態(tài)的時間。

火災中人的疏散過程是在人的意識干預下，感知、認知火災和環(huán)境信息與行為決策以及執(zhí)行決策的過程，是一種在時間壓力下的人體位移。由于人的行為受到年齡、身高、體重、敏捷度、習性、行動能力等心理與生理狀態(tài)和文化背景與受教育程度的影響，十分復雜，同時人員在建筑內(nèi)的實際狀況以及建筑空間特性，如人員的分布情形、熟悉環(huán)境的程度、人數(shù)及其組成和樓梯或出口的寬度、照明、走道寬度、數(shù)量、建筑高度等都對人員疏散結(jié)束所需時間和可用于人員疏散的時間有很大影響。

人員疏散時間為火災探測報警時間、人員預動時間與人員疏散運動時間之和。在計算疏散運動時間時，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來考慮設計計算中的不確定性因素。

在人員安全疏散的研究方面，由于對所采取的措施是否能達到性能化設計的預期目標，同時如何對保證人員生命安全的目標進行合理的評價都缺乏科學依據(jù)，所以全世界在這方面的研究都處于起步階段。人員疏散軟件方面，有關研究人員在不斷加大這方面軟件的研究開發(fā)力度。國外從20世紀80年代初開始就展開了人員疏散基礎數(shù)據(jù)及疏散模擬軟件方面的研究，并把疏散研究的成果及時的應用到了建筑性能化設計中，我國也于近年來展開了這方面的研究。

（二）疏散模型分類

人員疏散計算方法主要有兩種：水力模型和人員行為模型。

1.水力疏散模型

最常用的方法是水力疏散模型，它通過將人在疏散通道內(nèi)的走動模擬為水在管道內(nèi)的流動來進行計算。這一方法的缺點是它完全忽略掉了人的個體特性，而將人群的疏散作為一種整體運動。水力疏散模型通常對人員疏散過程作如下保守假設：

1）疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點；

2）疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻一起井然有序地進行疏散，且人員在疏散過程中不會中途返回選擇其它疏散路徑；

3）在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進行分配；

4）人員從各個疏散門扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

2.人員行為模型

人員行為模型模擬人在火災中的行為，綜合考慮了人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用。這類模型能夠從一定程度上反映火災時個人的特性對人員疏散的影響，但由于“火災中人的反應與行為”仍舊是一個較新的領域，對其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類模型時要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過實際疏散實驗或演習驗證的模型為首選。

當前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計，有文獻記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來進行選擇。下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點，對這些軟件進行適當分類。

1）一般分類

疏散模型在處理疏散的一般問題時，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風險評估法。

優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類模型適用于大量的人群或?qū)⑺腥藛T當作一個有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個體行為。

模擬法試圖表現(xiàn)實際的疏散行為與運動，不僅要得到準確的結(jié)果，而且要反映疏散時選擇的疏散路線及人員所做的決定。由于各個模型在考慮人員行為時的詳細程度不同，因此結(jié)果的準確度也不相同。

風險評估模型能識別出火災時與疏散有關的危險或相關事故，并能對最后的風險進行量化。通過多次重復運算，可以估算出與不同防煙分區(qū)設計或防火保護措施有關的各種重要變量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。有關模型的類別與名稱如表4-3-4-1所示。

2）建筑空間的表示

各種疏散模型都必須對建筑空間進行描述，以模擬人員在建筑內(nèi)部的疏散過程。在模型中，空間被劃分為許多小的區(qū)域，每個區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。根據(jù)對空間劃分的精細程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細網(wǎng)絡法和粗糙網(wǎng)絡法。

對于精細網(wǎng)絡法，整個封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網(wǎng)格來表示，各個模型中節(jié)點的網(wǎng)格大小與形狀都不同。例如，Exodus采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格節(jié)點，Simulex則采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點，而Egress則采用六邊形的網(wǎng)格節(jié)點，每個網(wǎng)格的大小足以容納一個人。這些網(wǎng)格節(jié)點之間的連接也不相同，在Exodus中每個網(wǎng)格與相鄰的八個網(wǎng)格節(jié)點相連，而Egress中每個網(wǎng)格與相鄰的六個網(wǎng)格節(jié)點相連。因此，Egress的方法可以準確地表示封閉空間的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時刻都能將每個人置于準確的位置。

對于粗糙網(wǎng)絡法，空間的描述是按照實際建筑結(jié)構的劃分來確定，每個網(wǎng)格節(jié)點表示一個房間或走廊，然后根據(jù)它們之間的實際連接關系構建其網(wǎng)絡模型。在這類模型中，僅能表示人員從一個建筑單元移動到另一個建筑單元，而無法描述人員在一個建筑單元內(nèi)的運動，它也無法處理一些局部的現(xiàn)象，例如超越前方人員、避開障礙物等。

3）人群分析

各類疏散模型在對人員進行分析時，采用了兩種方法：個體分析法和群體分析法。

個體分析法允許用戶設定或由隨機方式確定個體特性，人員決策與運動由這些個體特性決定。需要注意的是，不能將個體的獨立決定與不能執(zhí)行群體行為混為一談，定義個體時并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個人的個體特性，然后再為他指定一個行為，而這個行為也許就是群體行為。

群體分析法將人群視為一個具有共同特性的群體。在描述疏散過程時，不針對逃生的個體，而針對大量的人群。這種方法難以模擬事件對個體的影響（例如：火災煙氣毒性的影響），而只能對整個人群的普遍影響進行模擬。例如，它不能表示老年人或殘疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影響的人的比例。它的好處是模型的運算速度相對較快。

4）行為分析

人員在逃生時的決策過程是復雜的，疏散模型根據(jù)模擬人員決策過程時所采用的分析方法，分為以下幾類：無行為準則模型、函數(shù)模擬行為模型、復雜行為模型、基于行為準則的模型以及基于人工智能的模型。

無行為準則模型完全依賴于人群的物理運動和幾何形狀的物理表達，來影響人員的疏散，并對其進行預測判斷。

函數(shù)模擬行為模型把人員的行為用一個方程或一個方程組來描述，以此達到控制人的響應的目的。這類模型可以將人定義為個體，但由于所有個體均受到同一函數(shù)相同的影響，且會以一定的方式對這種影響產(chǎn)生反作用，因此實際上削弱了個體行為。該函數(shù)或者按照現(xiàn)實生活中人員的行為來建立，或者引用其它從事人體行為模擬研究領域的成果（例如，磁模型的方程來源于物理學）。

復雜行為模型通過復雜的物理方法來含蓄表示行為決策準則。此類模型一般基于第二手數(shù)據(jù)的應用，包括心理的或社會的影響，因而它依賴于第二手數(shù)據(jù)的準確性與有效性。

基于行為準則的模型預先規(guī)定了一套人員的行為準則，然后再根據(jù)這些準則來確定疏散過程中人員的行為。例如“假如人在一個充滿煙氣的房間里，他會通過最近的出口離開”等類似準則。但是，這種行為決策方式會導致人員在相同的環(huán)境下以某種確定的方式進行反應，從而與實際中的人員反應有所差異。

人工智能模型將個體人員設計成能對周圍環(huán)境進行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準確地表現(xiàn)其決策過程，但這會使用戶對人員行為的控制權被計算機所代替。

3.人員行為特性

火災是具有突發(fā)性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強烈的熱輻射、噪音和有毒氣體，常在短時間內(nèi)給人以毀滅性的傷害。身處火場的人們往往需要承受巨大的心理壓力，從而表現(xiàn)出各種各樣的異常行為。研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理素質(zhì)、閱歷和經(jīng)驗，會導致人在遭遇火災時，呈現(xiàn)不同的心理反應和行為。但是，如果在遭遇火災時，能保持良好的心理狀態(tài)，及時采取自救行動，往往能夠化險為夷，成功疏散，避免死傷亡。

對于人員特性的考慮可以分為兩方面，一是單個人員獨立考慮；一是全局考慮。大多數(shù)模型可以根據(jù)用戶要求或計算機自動設定每個人員的移動屬性如步行速度，并記錄每個人員在任何時刻的移動歷史軌跡。這類模型也不排除群集行為特性，但它是按單個人員檢查和分配各自的移動特性的，它需要較多的計算機容量，程序處理的難度也稍大。另一類是按群集方式來考慮人員的移動特性，它將一群或一組人群按同一特性考慮，即將一群人按同一移動速度考慮，認為他們同時到達或離開建筑物的某個網(wǎng)格節(jié)點，它具體計算建筑內(nèi)人員疏散成功率，其操作簡單，使用方便，運行速度也較快。

4.軟件介紹

（1）STEPS。該模型由英國模特·麥克唐納開發(fā)，目的是模擬在正?；蚓o急情況下，人員在不同類型建筑物中的疏散情況。

模型是一個由一系列的網(wǎng)格單元組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，在網(wǎng)格系統(tǒng)中，一個人只能占有一個單元。網(wǎng)格單元的缺省尺寸是0.5m×0.5m。另一個細網(wǎng)格選型可適用于多人占有一個網(wǎng)格單元，但仍處于測試階段。

（2）Simulex。該模型是由英國的湯普森開發(fā)，是一個能夠模擬人群從復雜建筑物中疏散的模型。模型采用一個連續(xù)的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個個0.2m×0.2m的塊或網(wǎng)格。該模型包含一個算法，它能夠計算出每個網(wǎng)格到最近安全出口的距離，并將這些信息標注在一個距離圖表上。

（3）SGEM。該空間網(wǎng)格疏散模型，由香港城市大型和武漢大學開發(fā)，其目的是利用CAD平面圖，生成復雜建筑的疏散圖案，比較得出最佳疏散設計路線。這個模型已經(jīng)被用于一些咨詢項目。

模型的結(jié)構基本上是細網(wǎng)絡模型。最初，此模型將建筑物分成一些節(jié)點，這些節(jié)點代表建筑物的空間或區(qū)域（不受保護、部分保護和全部保護），其中區(qū)域之間至少有一個弧形開口連接，由此形成一個粗的網(wǎng)絡。然后，在每個粗的網(wǎng)絡單元再分成有限的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的大小是0.4m×0.4m，一個人占據(jù)一個網(wǎng)格。此外，同一時間內(nèi)一個人只能占據(jù)一個網(wǎng)格單元。

（4）buildingEXODUS。該模型由英國格林尼治大學開發(fā)，其目的是為了模擬疏散大量被很多障礙圍困的人。模型由airEXODUS、buildingEXODUS、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六個 部分組成。buildingEXODUS試圖考慮“人與人，人與火災以及人與建筑物之間的相互作用。”模型包括6個在模擬疏散方面相互聯(lián)系相互傳遞信息的子模型，他們是人員、運動、行為、毒性、危險性和幾何學子模型。

模型是一種行為模式模型，一個細網(wǎng)絡系統(tǒng)。其利用二維空間網(wǎng)格繪制出幾何結(jié)構，位置，障礙物等。這種網(wǎng)格由“節(jié)點”和“弧”組成。每個節(jié)點都代表了建筑平面圖上的小空間，而弧在建筑平面圖上把這些節(jié)點連接在一起。人通過利用這些弧從建筑物的一個節(jié)點到另一個節(jié)點。這些信息存儲在幾何子模型中。同時，在整個模擬過程中，每個節(jié)點都有毒氣等級，煙氣溫度和濃度等與其相關的動態(tài)環(huán)境。

5.軟件選取

疏散軟件能夠人為設置出口障礙，通過對建筑平面信息的識別，可以在某些安全出口受阻的情況下創(chuàng)建另一個替代的有效距離地圖來引導人員疏散，從而得出建筑物的最優(yōu)化疏散設計方案。

人員的行為特性具有不確定性，無論是采用函數(shù)型行為模式，還是采用規(guī)則決定方法，都無法絕對準確模擬出火災時人員疏散的真實情況，在今后的軟件后續(xù)開發(fā)中可以增加更多的實際因素參數(shù)，以修正模擬是疏散結(jié)果。

疏散軟件基本可以定義個體人員的基本行為特性，模擬出一定的心理反應，能夠有條件地尋找出自己有效疏散路徑。國際上人員疏散軟件的開發(fā)已經(jīng)有一定的積累，并且經(jīng)過了相當?shù)墓こ虒嵺`檢驗，但畢竟國外的人員疏散行為、習慣，心理反應等與我國居民有很大不同，一些軟件還不能簡單的直接拿來應用。需結(jié)合我國的建筑特點和疏散演習等進行校正和應用。

一般，當建筑的結(jié)構簡單、布局規(guī)則、疏散路徑容易辨別、建筑的功能較為單一且人員密度較大的場所，適合采用水力模型來進行人員疏散的計算，而其他情況則適于采用人員行為模型。原因是：前一種情況下發(fā)生火災，人員可以較為快速準確地獲取關鍵信息并采取疏散行動，人員疏散通常很快由個體行為轉(zhuǎn)化為群體行為，符合水力模型的適用條件。而其他情況下，人員獲取信息的渠道相對較少，從接到報警信號到識別火災以及疏散過程中尋找合適的疏散路徑都在很大程度上依賴于個體的判斷。因此，人員疏散由個體行為轉(zhuǎn)化為群體行為的時間非常長，有時候可能自始至終都是個體行為，這種情況下選用人員行為模型顯然更為合適。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計算和建筑疏散演習等方式，進一步驗證模型的可靠性。

三、模型評價

建筑消防性能化設計的計算方法中，在確定某計算方法的確定性模型的適用性時，如區(qū)域模擬CFAST中的計算模型、場模擬FDS中的計算模型等，需由一個或多個熟悉火災原理的專家對其進行評價。這種評價并不涉及模型的計算結(jié)果，而應該包括所有證據(jù)文件，特別是一些假設和近似條件。假如求解是通過手工計算的，則應該通過有關標準和開放的文獻提供足夠的背景資料。對計算機模型進行評價，應該通過開放的文獻，判斷是否有足夠的科學證據(jù)證明模型使用的方法和假設是正確的。代碼中常量和缺省量的數(shù)值同樣要進行精確性和適用性的評估。后者尤其重要，因為常量的值在不同場景中有不一樣的值。在一些特定情況下，這些常量的值經(jīng)常需要調(diào)整，例如不同開口情況下的摩擦系數(shù)，不合適的缺省值甚至可能得到錯誤的結(jié)果。變量作為輸入?yún)?shù)時，應該明確定義它的上、下限值的適用范圍。

下面針對建筑消防性能化設計計算方法的確定性模型需要重點評價的幾個方法進行論述。

（一）計算模型的適用性

以火災動力學軟件FDS為例。FDS可用來模擬火災熱和燃燒產(chǎn)物的輸運、氣體和固體表面之間的輻射和對流傳熱、熱解、火蔓延與增長、噴淋等。針對開放空間或燃料控制的火災，F(xiàn)DS能相對準確地模擬。但FDS的局部性在于其限于低速流動模擬；通過分解壓力項，處理狀態(tài)方程，從而濾除聲波的影響。針對相對封閉房間內(nèi)氧控制的火災場景，有可能會發(fā)生爆燃現(xiàn)象，在此過程中壓力波對火焰的傳播起著較大的影響。在模擬此類火災場景時，盡管FDS能模擬并有可能獲得看似正確的計算結(jié)果，但從模型基本理論上已不再適用。因此，針對計算模型的適用性問題，不僅要從計算結(jié)果來考慮，還要從模型的自身假設來分析。由于計算軟件為了能模擬更多的問題，往往采用普適性的算法，對于有些根本不滿足計算模型理論的場景，計算結(jié)果也可能會與實驗結(jié)果偏差不大，這樣的結(jié)果是假象，是不能輕易相信的，且也不能說明類似這樣的場景就可以采用這樣的方法來計算。計算模型理論都不滿足，根本就不允許采用這樣的模型來計算。

（二）計算的收斂性

在數(shù)值方法中，需要對連續(xù)性的數(shù)學模型進行離散化然后再求解，也就是用一個離散的數(shù)值模型來近似。時間和空間都要離散化。一個連續(xù)性的數(shù)學模型有很多不同的離散方法，形成很多不同的離散模型。為了獲得一個好的近似解，要求離散模型能夠模擬連續(xù)模型的性質(zhì)和行為。這就要求離散方法采用高階精度的格式，同時要保證其不會帶來計算結(jié)果的非物理振蕩，能更好地收斂于真實解。對于定常模擬來說，只需要求最終的計算結(jié)果逼近真實解。但對于非定常模擬來說，則要求每一計算時間步內(nèi)的結(jié)果也要收斂，且要達到能接受的計算精度。如果模型沒有發(fā)生時間步的截斷而且能保持長的時間步，那表明該模型沒有收斂性問題，反之如果經(jīng)常發(fā)生時間步截斷，那模型計算將很慢，收斂性差。時間步的大小主要取決于非線性迭代次數(shù)。如果模型只用一次非線性迭代計算就可以收斂，那表明模型很容易收斂，如果需要2到3次，模型較易收斂，如果需要4到9次，則模型不易收斂，大于10次的模型可能有問題。

影響計算收斂性的因素很多，如網(wǎng)格尺度、計算格式精度、初始流場參數(shù)、化學反應的剛度、計算模型等。

（三）網(wǎng)格尺度的合理性

對于建筑火災場模擬計算，首先應該考慮網(wǎng)格尺度的合理性問題，而這一問題也是場模擬計算中非常重要的問題。網(wǎng)格尺度的合理性問題直接影響計算結(jié)果的誤差，甚至影響計算結(jié)果是否定性合理。網(wǎng)格尺度的合理性一方面是計算結(jié)果不依賴于網(wǎng)格尺度的變化，即網(wǎng)格的獨立性；另一方面，在保證網(wǎng)格獨立性的同時，應考慮計算資源的能力，盡可能減少計算量，提高計算網(wǎng)格的經(jīng)濟性。在場模擬計算中，如何做到這兩點呢？

1.網(wǎng)格獨立性

沒有網(wǎng)格獨立性的模擬，無法評判也沒有必要評判計算結(jié)果的正確與否。在考慮網(wǎng)格的獨立性問題時，原則上將網(wǎng)格劃分得越小，通過網(wǎng)格離散的ODE（常微分）方程越逼近連續(xù)性模型的PDE（偏微分）方程，即計算精度越高，計算的結(jié)果越逼近真實值。通常的做法是，下一次要考慮的網(wǎng)格尺度一般為前一次網(wǎng)格尺度的1/2，即網(wǎng)格加密一倍。如果加密一倍的計算結(jié)果與該次加密前的計算結(jié)果之間的誤差在可接受的范圍內(nèi)，網(wǎng)格不再加密，即可采用該次加密前的網(wǎng)格尺度的計算結(jié)果作為最終結(jié)果來進行分析評判。如果加密一倍的計算結(jié)果與該次加密前的網(wǎng)格尺度的計算結(jié)果之間的誤差不在可接受的范圍內(nèi)，應進一步進行加密。當然，加密的起點也應有一定的基礎，可以基于計算者的經(jīng)驗、基于模型分析、基于計算問題的分析、基于前人或公開發(fā)表類似問題的經(jīng)驗等。基于這樣的基礎，可以加密，也可以加粗網(wǎng)格。如火災動力學軟件（FDS）針對網(wǎng)格尺度的問題，給出了經(jīng)驗公式，即火源直徑與網(wǎng)格尺度之比應介于4~16。因此，在進行火災動力學模擬時，網(wǎng)格尺度選擇的起點基于此，針對問題的不同，進行加密和加粗網(wǎng)格。針對開放空間，可能滿足此條件的計算結(jié)果已獨立于網(wǎng)格尺度。而對于受限空間或完全封閉空間，這樣的網(wǎng)格尺度還遠遠不夠精強?？傊?，針對具體的問題，也不一定遵循前述加密原則，可適當增大加密強度。

2.網(wǎng)格經(jīng)濟性

盡管加密網(wǎng)格，可以得到逼近真實值的計算計算結(jié)果，但加密也加重計算資源的負擔，大大增加了計算時間。一般，加密一倍網(wǎng)格，計算量增大8倍，計算時間可能增大幾十倍，甚至上百倍。一方面要保證一定計算精度，另一方面要考慮合適的計算量。因此，采用能滿足該精度的最粗網(wǎng)格，也可以采用局部加密度技術，在高密度梯度區(qū)（如火源）、壁面附近等加密網(wǎng)格，在低密度梯度區(qū)或影響相對小的區(qū)域加粗網(wǎng)格。網(wǎng)格加粗可以采用非均勻尺度變化，如指數(shù)加密或加粗等，還可采用更為高級的加密技術，如自適應網(wǎng)格等，這樣可大大減小計算網(wǎng)格量，提高計算速率。當然，還可以在可接受的計算精度條件下，適當損失一些精度，也可以大大降低計算量，且降低的計算量所帶來的優(yōu)勢遠遠大于損失的少量精度。

（四）時間步長的合理性

在求解微分方程時，必須注意時間步長的選擇。首先應考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在分析和求解瞬態(tài)算法時，為了解的收斂，必須考慮穩(wěn)定性。對時間步長進行限制的算法，稱作有條件穩(wěn)定。沒有時間步長限制的稱為無條件穩(wěn)定。在求解連續(xù)性問題ODE的解析解時，穩(wěn)定積分能給出衰減解。對于某些時間步長，不穩(wěn)定方法會產(chǎn)生無界或快速震蕩的數(shù)值解。要意識到即使是穩(wěn)定連續(xù)性模型，數(shù)值模型也有可能不穩(wěn)定。因此，原連續(xù)性模型不穩(wěn)定時，任何數(shù)值模型都得不到精確解。相反，無條件穩(wěn)定的算法能夠得到穩(wěn)定的數(shù)值模型，即使條件是不穩(wěn)定的。這意味著無條件穩(wěn)定算法不能考慮快速增長的現(xiàn)象，例如火災本身。

在建筑性能化設計計算的火災場模擬中，時間步通常是條件穩(wěn)定。時間步過大，會出現(xiàn)數(shù)值振蕩，進而導致不收斂，計算不能進展下去。時間步一般滿足流動的CFL條件，如FDS中的時間步，其中dx、dy、dz為三個坐標方向最小網(wǎng)格尺度，g為重力加速度，H為計算域高度。這樣的CFL條件僅考慮流動的影響。如果火災計算中涉及到考慮詳細化學反應，那么時間步的取法要綜合流動的特征時間（即CFL條件）和化學反應的特征時間。一般，化學反應的特征時間比流動的特征時間要小得多，因此模擬計算的時間步由化學反應來確定。通常，在模擬時，為了加快計算效率，時間步仍采用流動時間步，而采用點隱或全隱的計算方法來處理大時間步下化學反應的剛性問題，即認為在每一流動時間步內(nèi)認為化學反應已達到平衡。

另外，滿足CFL條件的計算中，由于CFL條件中的經(jīng)驗參數(shù)（如CFL數(shù)等）的選擇不同，也有可能導致計算不穩(wěn)定。另外，在滿足計算穩(wěn)定的條件下，由于CFL數(shù)的選擇不同，也可能導致計算時間步的大小不同。當然，時步小，計算更接近真值；但太小，受到計算機舍入誤差的影響也越大。同時，計算的時間越長，對計算資源的消耗也越大。因此，在開展火災數(shù)值模擬計算時，需要在花費和精度之間找尋一個平衡點。建議開展時間步的收斂性研究，有可能會由于時間步大小，影響到火災場溫度等參數(shù)的偏差。但一般在滿足CFL條件下，時間步的影響相對較小。

（五）計算區(qū)域選擇的合理性

計算區(qū)域大小的選擇問題，實質(zhì)是邊界條件問題。在計算中，無法針對指定的邊界給出合適的邊界條件，而做的“無耐”之舉。一般，先確定邊界條件，然后選擇計算區(qū)域，來迎合、滿足邊界條件。在采用商業(yè)軟件計算中，這種情況通常出現(xiàn)，因為商業(yè)軟件所提供的邊界條件有限。

以FDS模擬開放環(huán)境油池火為例，一般四周選擇“OPEN” 邊界條件，即邊界處的速度梯度、溫度梯度和輻射梯度等應為0。由于火羽流的存在，浮力導致火羽流高度方向流體速度在很大的距離內(nèi)不為0，因此高度方向區(qū)域選擇主要取決于速度梯度。在水平方向，一方面卷吸導致速度梯度不為0的區(qū)域向四周擴展，另一方面輻射和溫度也會對計算區(qū)域的選擇起到?jīng)Q定性的作用。水平區(qū)域的大小要綜合考慮速度、溫度和輻射等的影響。

因此，在開展建筑火災模擬計算時，要統(tǒng)籌分析場景中的流動情況、溫度情況和輻射情況，如針對封閉空間，還要考慮壓力情況來選擇合適的計算區(qū)域，也就涉及到計算區(qū)域的收斂性研究，即要求計算結(jié)果不依賴于計算區(qū)域的大小。當然，選擇的計算區(qū)域要滿足收斂性和可接收精度要求的同時，還要盡可能節(jié)省計算時間。