建筑火灾烟气的FDS模拟研究+文献综述(5)
往往只是针对火灾过程中某一局部问题，是对火灾过程浅层次的模拟。
网络模拟主要采用网络模型 。 网络模型是把建筑物的每一个受限空间视为一个单元体
（即网络节点 ） ，假设每个单元体内部的物理参数和温度、烟气浓度、压力等参数均匀一
致 ， 火灾过程的发展表现为构成建筑物的各单元内部参数的变化 。 模型应用质量平衡方程 、流体运动方程 、 烟气浓度方程以及烟气温度方程 。 通常应用火灾温度 、 烟气产物与时间的
特性函数来描述火情 。 网络模型的输入数据为气象数据 （ 如室外空气温度和室外风速等 ） 、
建筑特征（如几何尺寸、建筑材料和开口条件等 ） 、火源特性以及室内特性（如室内初始
温度、送风和排烟情况等） [5]
。
建筑火灾区域模拟方法是由哈佛大学的 Emmons 首先提出，该方法一般将每个房间
分为两个区域 ： 上层烟气及下层空气 ， 并假定各区域内部各物理量均匀一致 ， 然后由质量 、
能量守恒原理及理想气体定律导出一组常微分控制方程 ， 来预测上 （ 下 ） 层温度 、 烟层界
面高度 、 风口质量流量 、 热流量 、 壁面温度等参数随时间的变化 [6]
。 模型中火源的设置通
常需要用户输入时间一热释放速率 （ Heat Release Rate ， 简称 HRR ） 曲线 ， 材料的热物理
特性等 。 壁面材料的热物性尽管随温度有所变化 ， 但通常被视为常数 。 这种假设的根据在
于 ， 在所需的温度范围内 ， 材料的热物性数据十分缺乏 ， 而且对大多数材料来说 ， 这些数
据随温度的变化相对较小。
区域模拟主要适用于描述建筑结构之间的流体传输过程 ， 如相邻房间烟气通过水平开
口 （ 如门 、 窗等 ） 的传递 。 由于该方法计算代价低 ， 同时在多数场合下其结果也能满足工
程需要 ， 因而在建筑火灾评估及分析上得到了较为广泛的重视与应用 。 区域模拟将整个建
筑火灾过程看成由一系列松散耦合的分过程所组成的 。 但对于复杂几何形状 、 有强火源或
强通风的房间，其误差将会很大以至失去真实性，此类情况不能使用区域模拟。
场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及其随时间变化的模拟方
式，将着火室划分为二文或三文的许多网格，其数量从几千到几十万不等，甚至还要多 ，
通过求解连续性方程 、 动量方程 、 能量方程 、 组分方程以及湍流特性方程来得到火灾过程
中各状态参数 ， 即温度 、 速度和组分浓度的空闻分布及其随时间变化 。 通常所使用的求解
方法有有限差分法、有限元法、边界元法等。
与区域模拟相比 ， 场模拟应用于火灾场景模拟研究的主要优越之处在于 ， 由于场模拟
划分的网格数目较大 ， 对于火灾的发生发展 、 火场温度分布 、 烟气流动状况及其组分浓度
等参数随时间的动态变化可给如相当详细的描述 ， 便于使用者对火场及烟气流动的详细信
息进行了解和掌握。
烟气运动场模拟研究是伴随着湍流理论研究的深入和计算机性能的提高而不断发展
的。目前较成熟的湍流模拟方法可分为以下三种 [7]
： Reynolds 时均方程模拟
（ Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equation ， 简称 RANS ） 方法 、 直接模拟 (Direct Numerical
Simulation ，简称 DNS ）方法和大涡模拟（ Large Eddy Simulation ，简称比 LES ）方法。
本文选用美国国家标准与技术研究院（ National Institute of Standards and Technology ，
简称 NIST ）于 2002 年 11 月发布的专用于模拟建筑火灾场景的场模拟软件 FDS （ Fire