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火灾的模拟，就是研究火灾在一定条件下孕育、发生和发展的机理与规律。模拟研究的理论基础是承认火灾过程遵循确定性的规律，这种规律既可以在模拟实验中再现，也可以抽象成控制火灾过程的数学表达式（微分方程或代数方程）。模拟研究的意义在于，可以通过简化和近似，逐个研究影响火灾的各个分过程和各主要因素的作用，逐步揭示火灾的机理和规律。如用小型受限空间中的烟气运动模拟室内火灾烟气的运动等。火灾模拟分实验模拟与计算机模拟两类。但是，实验模拟研究一般是在某种近似条件下进行的，由于火灾过程的复杂性，严格的相似准则往往很难建立，实验模拟方案所包含的近似必然导致研究结果与实际的偏离。
火灾的孕育、发生、发展和蔓延的过程包含了流体流动、传热传质、化学反应和相变，涉及质量、动量、能量和化学成分在复杂多变的环境条件下相互作用，其形式是三维、多相、多尺度、非定常、非线形、非平衡态的动力学过程，因此进行火灾的相似实验模拟必然具有一定的难度。
电子计算机的出现，为人们认识火灾规律提供了新的方法。近几十年来，计算机模拟成为火灾研究中的重要内容之一，一些有效的数学分析和数理统计方法引入到了火灾科研体系之中。通过使用计算机这一强有力的工具，使得火灾过程的理论模型能够应用于火灾科学的研究和实际的火灾安全工程。火灾过程的计算机模拟是在描述火灾过程的各种数学模型的基础之上进行的，它试图从工程科学的角度出发，分析研究火的发生、发展，烟气的蔓延以及火灾对周围环境乃至大气环境的影响。与烟气运动直接相关的火蔓延过程，其计算模拟理论已经走过了从统计模型到经验性模型再到物理模型的科学发展历程。统计模型只对火灾实验进行统计描述；经验性模型则基于能量守恒原理建立火灾系统的数学描述，但不考虑火灾过程中的动态的传热传质过程；物理模型则要详细考虑控制火灾过程的热传导、热对流、热辐射、可燃物热解、质量输运和着火过程。
目前，对火灾烟气流动模拟方法划分为场模拟、区域模拟和网络模拟。（1）场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数（如速度、温度、各组分浓度等）的空间分布及其随时间变化的模拟方式。场模拟的理论基础是自然界普遍成立的质量守恒（连续性方程）、动量守恒（Naves-Stoke方程）、能量守恒以及化学反应的定律等。国外主要有PHOENICS，FLOW3D以及JASMINE等场模拟软件。但场模拟由于算法本身的复杂性和计算机能力的限制，使其在理论上仍存在不少困难，难以在工程实际当中完全采用这种方法来模拟火灾过程。（2）区域模拟是以受限空间中的火灾为研究对象的一种半物理模拟。20世纪70年代初，美国哈佛大学的Emmons教授将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理巧妙地运用在建筑火灾的研究上，发展了建筑火灾烟气区域模拟的思想，从而奠定了烟气区域模拟的理论基础。世界各国在进行火灾过程的计算机研究中建立了许多室内火灾区域模拟的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRNⅢ、HAVARD MARDⅥ等等为典型代表。在国内，中国科技大学火灾科学国家重点实验室开发了区域模拟软件FAC3。区域模拟可以对火灾燃烧系统进行较大简化的同时，要可能保留火灾燃烧系统的复杂性机制，从而有可能以较小的计算代价来揭示火灾系统的复杂性特征。但是这种方法却无法得到流场的某些细节，同时对诸如气体卷吸、烟流回流（滚退）等现象予以考虑却相当困难。（3）网络模拟把一个受限空间作为一个控制体，假设每个单元体内部的状态参数（如气体温度、组分浓度等）是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个模拟空间的各单位内部参数的变化。网络模拟中每一个受限空间只需用一个均匀参数来表示，因而它适用于远离火场且混合已基本均匀的区域。目前在国内外对网络模型研究的越来越多，如日本的BRI，加拿大的IRC，英国的BRE，美国的NBS，荷兰的TNO。这些模型都假设烟气流动与空气流动形式一样，烟气与空气立刻混合并均匀分布。迄今为止，网络模型已由稳态模拟模型，如BR11、BRE、IRC、NBS等，发展到以BR12、OFP（英国）、TOO-TH（波兰）MFIRE为代表的非稳态模型。在国内，中国矿业大学（北京校区）在火灾网络模拟技术方面的研究处于国际先进水平，并已将一维网络模拟技术应用到高层建筑火灾中的研究。由于场模拟、区域模拟和网络模拟各有自己的不足和优点，因此，将它们中的两种或两种以上的模型综合起来，发挥各自的优点，克服各自的缺点，现在是火灾计算机模拟的热点。
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发表于 2003-1-8 09:58:06
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