2019二級(jí)消防工程師講義：軟件選取

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軟件選取

一、火災(zāi)模擬

(一)概述

火災(zāi)數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的重要內(nèi)容之一，但由于火災(zāi)現(xiàn)象的復(fù)雜性，近幾十年來才建立起描述火災(zāi)現(xiàn)象的實(shí)用數(shù)學(xué)模型?；馂?zāi)模型主要分為確定性模型和隨機(jī)性模型。

火災(zāi)數(shù)值模型主要有老師系統(tǒng)(Expert System)、區(qū)域模型(Zone Model)、場模型(Field Model)、網(wǎng)絡(luò)模型(Network Model)和混合模型(Hybrid Model)。場模型也即CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模型，主要是指利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細(xì)的物理量時(shí)空分布，能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得CFD模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

目前用于火災(zāi)模擬的CFD模型主要有FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專門針對(duì)火災(zāi)模擬而開發(fā)的CFD軟件，簡單易用。因此，它在火災(zāi)模擬中的應(yīng)用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計(jì)算流體力學(xué)的通用軟件，將其用于火災(zāi)模擬需要有較強(qiáng)的流體力學(xué)背景，因此，應(yīng)用較少。目前，國內(nèi)外對(duì)FDS的研究比較多，而對(duì)于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究較少，對(duì)各個(gè)軟件的對(duì)比研究則更少。

在火災(zāi)模擬中，怎樣才能使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可信是一個(gè)急需解決的問題。驗(yàn)證與確認(rèn)是評(píng)價(jià)數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對(duì)CFD軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對(duì)于計(jì)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(duì)CFD也持一種矛盾的心態(tài)，既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)工具，又對(duì)CFD的計(jì)算結(jié)果心存疑慮。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計(jì)算和模擬實(shí)體火災(zāi)的方式，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

(二)選取

從軟件易用性來看，火災(zāi)專用模擬軟件相對(duì)簡單，在應(yīng)用中不需要作復(fù)雜設(shè)置，使用者只需掌握火災(zāi)基本知識(shí)即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對(duì)使用者要求較高，使用者需要對(duì)流體力學(xué)知識(shí)有深入了解，才能得到合理結(jié)果，因此，一般火災(zāi)模擬選擇專用軟件為宜。

利用火災(zāi)模型進(jìn)行數(shù)值分析前，應(yīng)著重考慮該模型對(duì)所模擬問題的適用性及預(yù)測能力，一般情況下，需要事先利用相關(guān)試驗(yàn)(已有其他人員進(jìn)行的試驗(yàn)或自己進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn))對(duì)模型進(jìn)行確認(rèn)研究。從模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性來看，火災(zāi)專用模擬軟件由于是專門針對(duì)火災(zāi)開發(fā)的，在概念模型層面相對(duì)于通用軟件更接近于真實(shí)模型，其數(shù)學(xué)模型更能反映火災(zāi)過程，因此，一般情況下，建議選擇火災(zāi)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(zāi)專用軟件時(shí)，應(yīng)著重考慮網(wǎng)格獨(dú)立性、邊界條件設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時(shí)，還應(yīng)考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)應(yīng)包含其對(duì)各類火災(zāi)參數(shù)的預(yù)測能力研究，如火場溫度、熱輻射通量、反應(yīng)產(chǎn)物的濃度變化(著重研究C0、C0，、煙密度等)、火場能見度等。

對(duì)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(zhǔn)確地反映其所確立的概念模型，因此，對(duì)這類模型可以著重于確認(rèn)研究;對(duì)于專用火災(zāi)模擬軟件，如FDS等，已經(jīng)進(jìn)行了較多的確認(rèn)和驗(yàn)證工作，對(duì)于比較常見的火災(zāi)場景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來模擬分析，而對(duì)于一些特殊的場景，如火災(zāi)在狹長雙層玻璃幕墻內(nèi)的蔓延模擬，還需進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)研究;對(duì)于自行編制的火災(zāi)模擬程序，模型的驗(yàn)證工作是至關(guān)重要的，應(yīng)確保程序能夠準(zhǔn)確反映概念模型。

利用Steckler房間火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)PHOENICS和FLUENT進(jìn)行確認(rèn)研究，就該類實(shí)例來說，F(xiàn)LUENT的準(zhǔn)確度要高于PHOENICS，但就工程應(yīng)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(dú)立性檢驗(yàn)后，二者的模擬結(jié)果一般均可滿足工程需要。

火災(zāi)發(fā)展具有確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，火災(zāi)試驗(yàn)的影響因素較多，在選擇確認(rèn)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇可重復(fù)性強(qiáng)的試驗(yàn)，并應(yīng)注重采用不同火災(zāi)場景下的火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)研究，以便更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚哦取?/p>

二、疏散模擬

(一)概述

(二)疏散模型分類

人員疏散計(jì)算方法主要有兩種：水力疏散模型和人員行為模型。

1.水力疏散模型

水力疏散模型通常對(duì)人員疏散過程作如下保守假設(shè)：

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(diǎn)。

2)疏散人員是清醒的，在疏散開始的時(shí)刻一起井然有序地進(jìn)行疏散，且人員在疏散過程中不會(huì)中途返回選擇其他疏散路徑。

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(jìn)行分配。

4)人員從各個(gè)疏散門疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

2.人員行為模型

下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點(diǎn)，對(duì)這些軟件進(jìn)行適當(dāng)分類。

(1)一般分類。疏散模型在處理疏散的一般問題時(shí)，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法。

優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進(jìn)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(rèn)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(dāng)做一個(gè)有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個(gè)體行為。

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

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型能識(shí)別出火災(zāi)時(shí)與疏散有關(guān)的危險(xiǎn)或相關(guān)事故，并能對(duì)最后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。通過多次重復(fù)運(yùn)算，可以估算出與不同防煙分區(qū)設(shè)計(jì)或防火保護(hù)措施有關(guān)的各種重要變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

(2)建筑空間的表示。各種疏散模型都必須對(duì)建筑空間進(jìn)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(gè)區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。根據(jù)對(duì)空間劃分的精細(xì)程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法和粗糙網(wǎng)絡(luò)法。

對(duì)于精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法，整個(gè)封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網(wǎng)格來表示，各個(gè)模型中節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，Simulex則采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而Egress則采用六邊形的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格的大小足以容納一個(gè)人。這些網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的連接也不相同，在Exodus中每個(gè)網(wǎng)格與相鄰的八個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連，而Egress中每個(gè)網(wǎng)格與相鄰的

六個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連。因此，Egress的方法可以準(zhǔn)確地表示封閉空問的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時(shí)刻都能將每個(gè)人置于準(zhǔn)確的位置。

對(duì)于粗糙網(wǎng)絡(luò)法，空間的描述是按照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的劃分來確定的，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)房間或走廊，然后根據(jù)它們之間的實(shí)際連接關(guān)系構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型。在這類模型中，僅能表示人員從一個(gè)建筑單元移動(dòng)到另一個(gè)建筑單元，而無法描述人員在一個(gè)建筑單元內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，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(duì)人員進(jìn)行分析時(shí)，采用了兩種方法：個(gè)體分析法和群體分析法。個(gè)體分析法允許用戶設(shè)定或由隨機(jī)方式確定個(gè)體特性，人員決策與運(yùn)動(dòng)由這些個(gè)體特性決定。需要注意的是，不能將個(gè)體的獨(dú)立決定與不能執(zhí)行群體行為混為一談，定義個(gè)體時(shí)并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個(gè)人的個(gè)體特性，然后再為他指定一個(gè)行為，而這個(gè)行為也許就是群體行為。群體分析法將人群視為一個(gè)具有共同特性的群體。在描述疏散過程時(shí)，不針對(duì)逃生的個(gè)體，而針對(duì)大量的人群。這種方法難以模擬事件對(duì)個(gè)體的影響(例如：火災(zāi)煙氣毒性的影響)，而只能對(duì)整個(gè)人群的普遍影響進(jìn)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(yùn)算速度相對(duì)較快。

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

無行為準(zhǔn)則模型完全依賴于人群的物理運(yùn)動(dòng)和幾何形狀的物理表達(dá)，來影響人員的疏散，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測判斷。

函數(shù)模擬行為模型把人員的行為用一個(gè)方程或一個(gè)方程組來描述，以此達(dá)到控制人的響應(yīng)的目的。

這類模型可以將人定義為個(gè)體，但由于所有個(gè)體均受到同一函數(shù)相同的影響，且會(huì)以一定的方式對(duì)這種影響產(chǎn)生反作用，因此實(shí)際上削弱了個(gè)體行為。該函數(shù)或者按照現(xiàn)實(shí)生活中人員的行為來建立，或者引用其他從事人體行為模擬研究領(lǐng)域的成果(例如，磁模型的方程來源于物理學(xué))。復(fù)雜行為模型通過復(fù)雜的物理方法來含蓄表示行為決策準(zhǔn)則。此類模型一般基于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用，包括心理的或社會(huì)的影響，因而它依賴于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性?；谛袨闇?zhǔn)則的模型預(yù)先規(guī)定了一套人員的行為準(zhǔn)則，然后再根據(jù)這些準(zhǔn)則來確定疏散過程中人員的行為。例如，“假如人在一個(gè)充滿煙氣的房間里，他會(huì)通過最近的出口離開”等類似準(zhǔn)則。但是，這種行為決策方式會(huì)導(dǎo)致人員在相同的環(huán)境下以某種確定的方式進(jìn)行反應(yīng)，從而與實(shí)際中的人員反應(yīng)有所差異。

人工智能模型將個(gè)體人員設(shè)計(jì)成能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準(zhǔn)確地表現(xiàn)其決策過程，但這會(huì)使用戶對(duì)人員行為的控制權(quán)被計(jì)算機(jī)所代替。

3.人員行為特性

火災(zāi)是具有突發(fā)性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強(qiáng)烈的熱輻射、噪聲和有毒氣體，常在短時(shí)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(yàn)，會(huì)導(dǎo)致人在遭遇火災(zāi)時(shí)，呈現(xiàn)不同的心理反應(yīng)和行為。但是，如果在遭遇火災(zāi)時(shí)，能保持良好的心理狀態(tài)，及時(shí)采取自救行動(dòng)，往往能夠化險(xiǎn)為夷，成功疏散，避免傷亡。

對(duì)于人員特性的考慮可以分為兩方面，即單個(gè)人員獨(dú)立考慮和全局考慮。大多數(shù)模型可以根據(jù)用戶要求或計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)定每個(gè)人員的移動(dòng)屬性(如步行速度)，并記錄每個(gè)人員在任何時(shí)刻的移動(dòng)歷史軌跡。這類模型也不排除群集行為特性，但它是按單個(gè)人員檢查和分配各自的移動(dòng)特性的，它需要較多的計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)速度考慮，認(rèn)為他們同時(shí)到達(dá)或離開建筑物的某個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，它具體計(jì)算建筑內(nèi)人員疏散成功率，其操作簡單，使用方便，運(yùn)行速度也較快。

4.軟件介紹

(1)STEPS。該模型可用于模擬在正?；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(gè)由一系列的網(wǎng)格單元組成的網(wǎng)格系統(tǒng)，在網(wǎng)格系統(tǒng)中，一個(gè)人只能占有一個(gè)單元。網(wǎng)格單元的默認(rèn)尺寸是0.Sm×0.5m。另一個(gè)細(xì)網(wǎng)格選型可適用于多人占有一個(gè)網(wǎng)格單元，但仍處于測試階段。

(2)Simulex。該模型是一個(gè)能夠模擬人群從復(fù)雜建筑物中疏散的模型。該模型采用一個(gè)連續(xù)的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個(gè)個(gè)0.2m×0.2m的塊或網(wǎng)格。該模型包含一個(gè)算法，它能夠計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格到最近安全出口的距離，并將這些信息標(biāo)注在一個(gè)距離圖表上。

(3)SGEM。該空間網(wǎng)格疏散模型可利用CAD平面圖生成復(fù)雜建筑的疏散圖案，比較后得出最佳疏散設(shè)計(jì)路線。這個(gè)模型已經(jīng)用于一些咨詢項(xiàng)目。

模型的結(jié)構(gòu)基本上是細(xì)網(wǎng)格模型。最初，此模型將建筑物分成一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表建筑物的空間或區(qū)域(不受保護(hù)、部分保護(hù)和全部保護(hù))，其中區(qū)域之間至少有一個(gè)弧形口連接，由此形成一個(gè)粗的網(wǎng)格。然后，將每個(gè)粗的網(wǎng)格單元再分成有限的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的大小是0.4m×0.4m，一個(gè)人占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格。此外，同一時(shí)間內(nèi)一個(gè)人只能占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格單元。

(4)buildingExODus。該模型可用于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(gè)部分組成。buildingEx0Dus試圖考慮人與人、人與火災(zāi)以及人與建筑物之間的相互作用。該模型包括6個(gè)在模擬疏散方面相互聯(lián)系、相互傳遞信息的子模型，即人員、運(yùn)動(dòng)、行為、毒性、危險(xiǎn)性和幾何學(xué)子模型。

該模型是一種行為模式模型，是一個(gè)細(xì)網(wǎng)格系統(tǒng)。其利用二維空間網(wǎng)格繪制出幾何結(jié)構(gòu)、位置、障礙物等。這種網(wǎng)格由“節(jié)點(diǎn)”和“弧”組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)連接在一起。人們通過利用這些弧從建筑物的一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些信息存儲(chǔ)在幾何子模型中。同時(shí)，在整個(gè)模擬過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有毒氣等級(jí)、煙氣溫度和濃度等與其相關(guān)的動(dòng)態(tài)環(huán)境。

5.軟件選用

疏散軟件能夠人為設(shè)置出口障礙，通過對(duì)建筑平面信息的識(shí)別，可以在某些安全出口受阻的情況下創(chuàng)建另一個(gè)替代的有效距離地圖來引導(dǎo)人員疏散，從而得出建筑物的最優(yōu)化疏散設(shè)計(jì)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(duì)準(zhǔn)確地模擬出火災(zāi)時(shí)人員疏散的真實(shí)情況，在今后的軟件后續(xù)開發(fā)中可以增加更多的實(shí)際因素參數(shù)，以修正模擬疏散結(jié)果。

疏散軟件基本可以定義個(gè)體人員的基本行為特性，模擬出一定的心理反應(yīng)，能夠有條件地尋找出有效的疏散路徑。國際上人員疏散軟件的開發(fā)已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并且經(jīng)過了相當(dāng)數(shù)量的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，但畢竟國外的人員疏散行為、習(xí)慣，心理反應(yīng)等與我國居民有很大差異，一些軟件還不能簡單地直接拿來應(yīng)用，需結(jié)合我國的建筑特點(diǎn)和疏散演習(xí)等進(jìn)行校正和應(yīng)用。一般情況下，當(dāng)建筑的結(jié)構(gòu)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時(shí)，適合采用水力疏散模型來進(jìn)行人員疏散的計(jì)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(zāi)，人員可以較為快速準(zhǔn)確地獲取關(guān)鍵信息并采取疏散行動(dòng)，人員疏散通常很快由個(gè)體行為轉(zhuǎn)化為群體行為，符合水力疏散模型的適用條件。而其他情況下，人員獲取信息的渠道相對(duì)較少，從接到報(bào)警信號(hào)到識(shí)別火災(zāi)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(gè)體的判斷。因此，人員疏散由個(gè)體行為轉(zhuǎn)化為群體行為的時(shí)間非常長，有時(shí)候可能自始至終都是個(gè)體行為，這種情況下選用人員行為模型顯然更合適。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計(jì)算和建筑疏散演習(xí)等方式，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

三、模型評(píng)價(jià)

下面針對(duì)建筑消防性能化設(shè)計(jì)計(jì)算方法的確定性模型需要重點(diǎn)評(píng)價(jià)的幾個(gè)方法進(jìn)行論述。

(一)計(jì)算模型的適用性

以火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS為例，它可用來模擬火災(zāi)熱和燃燒產(chǎn)物的運(yùn)輸、氣體和固體表面之間的輻射和對(duì)流傳熱、熱解、火災(zāi)蔓延與增長、噴淋等。對(duì)于開放空間或燃料控制的火災(zāi)，F(xiàn)DS能相對(duì)準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬。但FDS的局限性在于其限于低速流動(dòng)模擬;通過分解壓力項(xiàng)，處理狀態(tài)方程，從而濾除聲波的影響。針對(duì)相對(duì)封閉房間內(nèi)氧控制的火災(zāi)場景，有可能會(huì)發(fā)生爆燃現(xiàn)象，在此過程中壓力波對(duì)火焰的傳播起著較大的影響。在模擬此類火災(zāi)場景時(shí)，盡管FDS能模擬并有可能獲得看似正確的計(jì)算結(jié)果，但從模型基本理論上已不再適用。因此，針對(duì)計(jì)算模型的適用性問題，不僅要從計(jì)算結(jié)果進(jìn)行考慮，還要從模型的自身假設(shè)進(jìn)行分析。計(jì)算軟件為了能夠模擬更多的問題，往往采用普適性的算法，對(duì)于有些根本不滿足計(jì)算模型理論的場景，計(jì)算結(jié)果也可能會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差不大，這樣的結(jié)果不能輕易相信，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(jì)算。在計(jì)算模型理論都無法滿足的情況下，根本就不允許采用這樣的模型來進(jìn)行計(jì)算。

(二)計(jì)算的收斂性

在數(shù)值方法中，需要對(duì)連續(xù)性的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化后再求解，也就是用一個(gè)離散的數(shù)值模型來近似模擬。時(shí)間和空間都需要離散化。一個(gè)連續(xù)性的數(shù)學(xué)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(gè)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(shí)要保證其不會(huì)帶來計(jì)算結(jié)果的非物理振蕩，能更好地收斂于真實(shí)解。

對(duì)于定常模擬來說，只需要求最終的計(jì)算結(jié)果逼近真實(shí)解。但對(duì)于非定常模擬來說，則要求每一計(jì)算時(shí)間步內(nèi)的結(jié)果也要收斂，且要達(dá)到能接受的計(jì)算精度。如果模型沒有發(fā)生時(shí)間步的截?cái)喽夷鼙３珠L的時(shí)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(shí)間步截?cái)?，那模型?jì)算將很慢，收斂性差。時(shí)間步的大小主要取決于非線性迭代次數(shù)。如果模型只進(jìn)行一次非線性迭代計(jì)算就可以收斂，那么表明模型很容易收斂;如果需要2～3次非線性迭代計(jì)算，則模型較易收斂，如果需要4～9次非線性迭代計(jì)算，則模型不易收斂，大于10次的模型可能有問題。

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

(三)網(wǎng)格尺度的合理性

對(duì)于建筑火災(zāi)場模擬計(jì)算，首先應(yīng)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(jì)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(jì)算結(jié)果的誤差，甚至影響計(jì)算結(jié)果是否定性合理。

網(wǎng)格尺度的合理性一方面是計(jì)算結(jié)果不依賴于網(wǎng)格尺度的變化，即網(wǎng)格的獨(dú)立性;另一方面，在保證網(wǎng)格獨(dú)立性的同時(shí)，應(yīng)考慮計(jì)算資源的能力，盡可能減少計(jì)算量，提高計(jì)算網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。在場模擬計(jì)算中，如何做到這兩點(diǎn)呢?

1.網(wǎng)格獨(dú)立性

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(jì)算結(jié)果與該次加密前的計(jì)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(jì)算結(jié)果作為最終結(jié)果來進(jìn)行分析評(píng)判。如果加密一倍的計(jì)算結(jié)果與該次加密前的網(wǎng)格尺度的計(jì)算結(jié)果之間的誤差不在可接受的范圍內(nèi)，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行加密。當(dāng)然，加密的起點(diǎn)也應(yīng)有一定的基礎(chǔ)，可以基于計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)、基于模型分析、基于計(jì)算問題的分析、基于前人或公開發(fā)表類似問題的經(jīng)驗(yàn)等?；谶@樣的基礎(chǔ)，可以加密，也可以加粗網(wǎng)格?？傊?，針對(duì)具體的問題，也不一定遵循前述加密原則，可適當(dāng)增大加密強(qiáng)度。

2.網(wǎng)格經(jīng)濟(jì)性

一般，加密一倍網(wǎng)格，計(jì)算量增大8倍，計(jì)算時(shí)間可能增大幾十倍，甚至上百倍。一方面要保證一定的計(jì)算精度，另一方面要考慮合適的計(jì)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技術(shù)，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(duì)較小的區(qū)域加粗網(wǎng)格。

(四)時(shí)間步長的合理性

在求解微分方程時(shí)，必須注意時(shí)間步長的選擇。首先應(yīng)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在分析和求解瞬態(tài)算法時(shí)，為了解的收斂，必須考慮穩(wěn)定性。對(duì)時(shí)間步長進(jìn)行限制的算法，稱為有條件穩(wěn)定。未對(duì)時(shí)間步長進(jìn)行限制的算法稱為無條件穩(wěn)定。在求解連續(xù)性問題0DE的解析解時(shí)，穩(wěn)定積分能給出衰減解。對(duì)于某些時(shí)間步長，不穩(wěn)定方法會(huì)產(chǎn)生無界或快速振蕩的數(shù)值解。要意識(shí)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(shí)，任何數(shù)值模型都得不到精確解。相反，在條件不穩(wěn)定的情況下，無條件穩(wěn)定的算法也能夠得到穩(wěn)定的數(shù)值模型。這意味著無條件穩(wěn)定的算法不能考慮快速增長的現(xiàn)象。

在建筑性能化設(shè)計(jì)計(jì)算的火災(zāi)場景模擬中，時(shí)間步通常是條件穩(wěn)定。時(shí)間步過大，會(huì)出現(xiàn)數(shù)值振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致不收斂，計(jì)算不能進(jìn)展下去。時(shí)間步一般滿足流動(dòng)的CFL條件，如FDS中的時(shí)間步dt=5

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