摘要：火灾几乎包含了在亚音速化学反应流动中所遇到的所有效应，是一个包含了许多物理、化学过程的复杂问题，“是仅次于生命过程的最复杂的现象”。本文介绍了各种火灾模型，及其发展现状，和其适用条件。并展望了发展方向和应用前景。
关键词：火灾模拟 区域模型 场模型 场区网模型
1前言
纵观火灾科学的发展史，其基础研究主要己经历了两个阶段。第一是火灾数据的统计分析阶段，这个阶段的理论基础是火灾的发生具有随机性规律。人们通过整理和分析大量的火灾原始资料归纳出火灾发生的统计性规律;第二是火灾的统计分析和模拟研究相对独立发展的阶段。火灾研究开始与现代科学技术紧密结合，人们一方面继续分析火灾数据的内在随机性规律，另一方面则通过火灾的模拟，研究其孕育、发生和发展的机理和规律。模拟研究的理论基础是火灾过程本身遵循确定性规律。自国际火灾安全科学学会成立以来，火灾过程的确定性和随机性研究均已取得了显著的进展。在第二阶段的发展过程中，特别是近20多年来，计算机模拟成为火灾科学研究中的重要内容之一。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上进行的。在此过程中，人们已经先后发展了三类火灾烟气运动模型:区域模型(ZoneModel)、场模型(FieldModel)和场区网模型(Field-Zone-NetworkModel)。这三种模型产生于火灾学发展的不同时期，都对火灾的计算机模拟产生了重要影响，为人们认识火灾现象的双重性一确定性和随机性一作出了各自的贡献。
2火灾模型
2.1区域模型
区域模型是一种以受限空间中的火灾过程为研究对象的半物理模型。80年代初，哈佛大学的H.W.EmmonS教授第一次运用质量、能量和动量守恒的原理，用数学分析方法描述了火灾过程，奠定了区域模型的理论基础。
区域模型通常将每个房间分成两个区域:由火产生的较热的上层以及占据上层之下所有空间的下层。下层通常是燃烧的气体的来源而且也是火源的所在。在燃烧的过程中，上层也可能扩展以致占据整个房间。两个区域都分别被看作是控制体，同时假定各控制体中的参数是均匀的。除了这种常见的单室两区域模型外，还有很复杂的多室多区域模型用来处理具有复杂的可燃物分布和通风口流动的建筑火灾。区域模型中，区域之间的质量交换被认为主要由羽流和通风口的掺混作用造成。能量交换除了质量交换带来的能量传递以外，还考虑辐射和导热损失。目前已经发展起来的计算机模拟建筑火灾的区域模型有很多种，它们繁简不一，使用范围各不相同，但是基本思想都是一致的，不同模型的差别只在于方程中的源项是如何处理的。详细的讨论可以参考Cox和Thomas的工作。
区域模型在一定程度上兼顾了可靠性和经济性，可以给出室内热气层状态和高度的变化，结果定性合理。它以相对比较简单的方式描述了室内火灾的发展过程，是成功和有实用价值的。但火灾毕竟是非常复杂的过程，其状态参数在空间的分布并不真正分层和均匀。在某些情况下，如强通风、强火源或几何形状复杂的受限空间，火灾中气体分层现象不明显，区域模型失去了成立的前提，必然带来相当大的误差。所以，在计算机运算能力不断提高的今天，区域模型已经逐渐被场模型和其它模型取代了。
2.2场模型
早期的区域模型在当时计算机性能不高的条件下迎合了防火工程实际的需要，为计算机化的火灾模型的发展奠定了基础。但是随着火灾科学的不断发展，区域模型给出的粗糙结果越来越不能满足人们对火灾发生、发展过程的细节进行深入研究的需要，而计算机运算能力的飞速发展使得更复杂的计算机火灾模拟称为可能，于是，场模型就应运而生了。最早的场模型是70年代由帝国理工学院的D.B.Spaldnig教授领导的小组与火灾研究所(FireReesarchstation，FRs)合作开发的PHOENIX。在此基础上又开发出了JASMINE和JOSPHINE模型。场模型方法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法。场是指状态参数如速度、温度、各组分的浓度等的空间分布。场模型又被称为CFD模型，这充分反应了它和计算流体力学的紧密联系。场模型方法将所要模拟的空间分成许多小单元，在每个小单元上应用质量、动量和能量守恒原则，同时它们又与相邻的单元间构成平衡。模拟的过程就是求解一个既有湍流又有层流的系统的复杂过程。这个复杂过程涉及一系列三维非线性偏微分方程。对于单个单元，还需要一些子模型来模拟湍流、燃烧、辐射、碳黑、高温分解和火焰传播等过程。不同的CFD模型对于这些过程的模拟方法是不同的。场模型的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒(连续性方程)、动量守恒(Navier-Stokes方程)、能量守恒(能量方程)以及化学反应的定律等。火灾过程中的状态参数的变化也遵循这些规律。场模型为了能从整体上求解火灾过程，必须建立火灾各主要子过程的理论模型。建立各子过程理论模型的必要性，一方面是由于所有的火灾过程几乎都是湍流过程，在对基本方程组进行雷诺分解和平均，建立平均流场控制方程时，会出现新的未知量，比如雷诺应力和湍流燃烧速率。同时浮力在火灾中对流动过程有重要影响，因此有必要建立受浮力影响的湍流模型和湍流燃烧模型，另一方面，火灾中的一些重要过程如辐射换热和碳黑生成本身十分复杂，需要进行模化，给其控制方程的源项提供适当的表达式。建立了受浮力影响的湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型和碳黑模型之后，场模型的基本方程就是封闭可解的了
2.3其他模型
除了上述两种模型外，常用的还有网络模型(NetworkModel)和场区网模型(Field-zone-NetworkModel)。网络模型把建筑物中的一个受限空间视作一个单元体，假设每个单元体内部的状态参数均匀，火灾发展的过程表现为构成建筑物的各单元内部参数的变化。网络模拟只适用于建筑物中远离火源的区域。场区网模型的基本思想是在火灾过程中，将气体分层不明显处的场模拟、邻近空间的区域模拟和远离火源房间的网络模拟结合起来，形成一个计算机程序，计算整栋建筑物内火灾发展的全过程。这对于日渐增多的高层建筑物的火灾模拟来说无疑是一个很好的解决方案，因为高层建筑的火灾如果逐个房间地使用场模拟(或区域模拟)，其计算量将是巨大的，而场区网模型则既照顾了经济性又不失精确性。姚建达和范维澄等进一步用体积守恒方法代替质量守恒方法来改善场区网模型，计算结果，表明场区网模型对于高层建筑火灾的模拟是很有效的，发展前景良好。当然，其中的一些处理方法还需要进一步研究，并通过实验加以验证。
3结束语
火灾的数学模型还在不断发展之中，它所涉及的流体力学、湍流和燃烧等问题本身都没有完全解决。今后的发展主要是将这些还面临巨大挑战的物理问题包含到一个统一的计算模型，使火灾的模拟结果越来越精确，满足解决各种类型火灾问题的需要。
参考文献
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