基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火灾数值模拟和安全疏散研究模板.docx

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基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火灾数值模拟和安全疏散研究模板

分类号：

620.3010密级：

天津理工大学研究生学位论文

基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火灾数值模拟和安全疏散研究

（申请硕士学位）

学科专业：

安全工程

研究方向：

建筑火灾模拟

作者姓名：

指导教师：

2015年2月

ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegree

StudyofNumericalSimulationFireandEvacuationofExperimentbuildingBasedonPyrosimandPathfinder

By

Supervisor

Feb,2015

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

签字日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。

特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。

同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：

导师签名：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

摘要

在人类的文明史上，火的使用是人类文明的一个重要象征，也是人类文明史上的一个伟大创举，在人类社会的进步中起到了无可比拟的重要作用，可以说，一部人类文的进步史，就是一部人类文明的用火史。

然而，世界上的事物总是具有两面性的，火的使用虽然使人类进入了文明时代，但是其一旦失去控制，又会危机人类的生命和财产安全，给人类带来灾难。

随着人类社会的发展，物质的丰富，火灾发生的频率和造成的伤亡和损失越来越大，并且已经直接影响到了经济发展和社会的稳定。

而在各类火灾中以建筑火灾对人类的危害最大，建筑物往往存在着人员密度大，火灾荷载大的特点，一旦发生火灾，就可能造成财产的巨大损失和人员的大量伤亡，因此，建筑火灾的研究已成为社会各界密切关注的重大课题。

随着计算机技术的飞速发展，火灾模拟技术和人员安全疏散研究也得到了快速发展。

火灾模拟不仅可以形象的展示出火灾过程中热量、烟气的传递过程，更重要的是可以为火灾危险性分析提供更加快速、准确的实验数据；人员安全疏散的研究可以较为准确的预测人员必需的安全疏散时间，从而为建筑火灾安全性研究提供有利的分析工具。

为有效了解建筑火灾的蔓延和发展规律以及人员安全疏散状况，应用火灾模拟软件Pyrosim和人员安全疏散模拟软件Pathfinder，通过建立模型对某高校实验综合楼进行四个不同火灾场景下的仿真数值模拟。

重点研究了火灾过程中的烟气蔓延发展情况，通过火灾模拟结果和人员疏散模拟结果的对比分析，综合各种因素得出所研究建筑的火灾危险性，找出所研究建筑的火灾危险因素。

结果表明，该类模型能够有效模拟实验综合楼火灾发生的状况以及人员安全疏散情况，对于规范实验综合楼的火灾预防管理，消防系统的布置以及火灾中人员的安全疏散具有指导意义。

本文对研究建筑火灾发展过程的特点，安全性分析以及火灾形势下人员的安全疏散问题具有重要参考价值。

关键词：

建筑火灾，Pyrosim，Pathfiander，安全疏散

Abstract

Throughhumancivilizationhistory,theusingoffireisakeysymbol,apricelesscontribution,itplaysanimportantroleintheprogressofhumansociety,aswecansaythatanhistoryofusingfireisanhistoryofhumancivilization.Nevertheless,everythinghastwosides,theusingoffiremadehumanentertheeraofcivilizationbutonceoutofcontrol,it’llputhuman’slifeandtreasureindangerandbringdisastertothem.Asthedevelopmentofhumansocietyandboomingofmaterial,thefireaccidentismorelikelytohappenandcausemoreloss,furthermoreithasbadinfluenceongrowthofeconomyandstabilityofthesociety.Buildingfiredoesthemostdamagetohumanamongallfireaccidents,therearemanyreasons,suchashighpersonneldensity,highfireloading.Oncethereisafireaccident,treasurelost,peopledeadandinjured.Soresearchonfireaccidenthasattractedattentionofallsectorsofsocietyandhasbecomemajortasks.

Asthedevelopmentofinformationtechnology,researchonfiresimulationandpersonnelevacuationhasdevelopedfast.Firesimulationcandemonstratethetransferprocessofheatandsmoke,moreimportantlyitwillprovidepromptpreciseexperimentdataforfireaccidentanalysis.Researchonpersonnelevacuationmaypredictthenecessaryevacuationtimeprecisely,thereforeprovidefavourableanalysistoolforbuildingfiresafetystudy.

Inordertounderstandthespreadinganddevelopingruleofbuildingfireandsituationofpersonnelevacuation,applyingfiresimulationsoftwarePyrosimandpersonnelevacuationsimulationsoftwarePathfindertobuildmodelstosimulateacollege’slaboratorybuildingwithfourfirescenes.Focusedresearchonsmokespreadingconditioninafireprocess,throughacomparativeanalysisonfiresimulationandpersonnelevacuationresult,synthesizeallthefactorstofindoutfireriskandfirehazardfactorsofthecasebuilding.Resultshowsthatthemodelisabletosimulatetheconditionoffireaccidentandpersonnelevacuationinthelaboratorybuilding.Madeasignificantmeaningtostandardfirepreventionmanagement,arrangefireextinguishingsystemandpersonnelsafetyevacuationinlaboratorybuilding.

Thispaperwillprovideaconsultativeideatofiredevelopmentprocessresearch,safetyanalysisandpersonnelevacuationinfireaccidentsituation.

Keywords：

buildingfire,Pyrosim,Pathfinder,safetyevacuation

目录

第一章绪论1

1.1研究的目的与意义1

1.2火灾数值模拟国内外研究现状2

1.2.1国外火灾模拟研究现状2

1.2.2国内火灾模拟研究现状2

1.3研究内容和方案路线3

1.3.1研究内容3

1.3.2研究方案与路线4

第二章建筑火灾的相关理论基础5

2.1建筑火灾的发展5

2.1.1建筑火灾的温度曲线5

2.1.2不同阶段建筑火灾的特点6

2.2火灾烟气7

2.3火灾模拟方法介绍9

第三章Pyrosim基础理论和建筑火灾数值模拟11

3.1Pyrosim软件介绍11

3.2建筑火灾的Pyrosim数值模拟11

3.2.1建筑物理模型设定12

3.2.2网格模型的确定12

3.2.3火灾场景的确定13

3.2.4火灾模拟初始条件的设定14

3.3火灾危险时间确定与火灾模拟结果分析14

3.3.1火灾危险时间确定14

3.3.2不同火灾场景的火灾模拟结果15

第四章建筑火灾中的人员安全疏散分析28

4.1疏散相关参数28

4.2计算机模拟分析30

4.2.1安全疏散软件Pathfinder简介30

4.2.2疏散模型初始条件建立31

4.2.3疏散模型建立31

4.2.4基于不同火灾场景下的人员安全疏散过程和结果32

4.3建筑火灾安全性判定38

第五章不确定性分析40

5.1火灾的不确定性分析40

5.2火灾数值模拟的不确定性分析41

5.3人员疏散的不确定性分析41

第六章结论与展望43

6.1结论43

6.2展望43

参考文献45

发表论文和科研情况说明48

致谢49

第一章绪论

在人类的文明史上，火的使用是人类文明的一个重要象征，也是人类文明史上的一个伟大创举，在人类社会的进步中起到了无可比拟的重要作用，可以说，一部人类文的进步史，就是一部人类文明的用火史。

然而，世界上的事物总是具有两面性的，火的使用虽然使人类进入了文明时代，但是其一旦失去控制，又会危及人类的生命和财产安全，给人类带来灾难。

随着人类社会的发展，物质的丰富，火灾发生的频率和造成的伤亡和损失越来越大，并且已经直接影响到了经济发展和社会的稳定[1]。

建筑物是人类居住和聚居的主要场所，也是财物的主要存放场所。

统计表明，相比与其他类型的火灾，建筑火灾的次数和造成的损失更大，在各类火灾中建筑火灾发生的次数和造成的人员伤亡以及财产损失居于首位，根据《中国消防年鉴》，自1992年以来，我国发生的火灾中，建筑火灾发生的次数占全部发生次数的75％，造成的财产损失和人员伤亡占到总的伤亡和财产损失的80％以上[2]。

而且随着社会的进步，经济的发展，人们的财富不断增加，建筑物的种类以及结构也越来越多样，再加之各类新型装修和装饰的应用，新的火灾隐患不断出现，火灾造成的损失逐渐变大，建筑防火安全日益被人们重视。

所以，对于建筑火灾的研究具有重要的现实意义和社会价值。

1.1研究的目的与意义

由于我国消防技术方面的落户和人们消防意识的淡薄，各类火灾隐患不断出现，作为人类活动主要场所的建筑物的火灾隐患也在不断增加。

改革开放的三十多年来，我国出现了多起严重的社会影响恶劣的建筑火灾，如1994年12月8日的新疆克拉玛依市友谊馆特大火灾，造成了323死亡，130人烧伤，直接经济损失大210.9万元；2004年2月5日，吉林省吉林市中百商厦特大火灾，大火造成54人死亡，70人受伤，过火面积2040㎡，直接经济损失426万元；2009年2月9日，央视新楼的配楼发生特大火灾，在此次事故救灾中1名消防员英勇牺牲，8名救灾人员重伤，直接经济损失达1.7亿元；2010年11月15日1时，上海余姚路胶州路一栋高层教师公寓起火，大火致使58人遇难，另有70余人烧伤治疗。

随着城市化进程的加快，以及新建筑物种类和结构的不断涌现，新的建筑火灾隐患不断出现。

另外，由于建筑物人员和财产聚集性，以及建筑物本身的结构特性，造成了建筑火灾的不同，建筑火灾与其他火灾相比，具有以下四个方面的特点[3-5]：

1火灾隐患多、火灾损失重；

2火势蔓延迅速、烟气扩散快；

3灭火扑救困难、管理不够完善；

4火灾烟气中有毒有害气体产物多。

综上可以看出建筑火灾造成的人员伤亡和财产损失之大，社会影响之恶劣，建筑火灾由于其特殊性，其已经各类火灾对人类危害最大的火灾类型。

从我国目前多年来发生火灾的情况来看，随着经济的发展和城市化的推进，人民物质文化生活水平的提高，各类火灾隐患不断增加，火灾发生次数和造成的损失不断加大。

随着人们对建筑火灾的关注度增加，对于建筑火灾的研究越来越多。

本文所研究的目的意义在于通过火灾模拟软件Pyrosim，研究分析建筑火灾蔓延规律，并重点对建筑火灾中的烟气蔓延和温度场分布进行研究，然后借助人员疏散软件Pathfinder模拟计算，得出建筑物内的人员疏散过程。

最后通过火灾模拟结果与人员疏散研究的结果进行对比分析，评定出所研究建筑物的火灾危险性，找出影响建筑火灾安全的各种隐患，进而为所研究建筑物防火安全以及人员安全疏散提出切实可行的意见及建议。

另外，通过计算机模拟技术能够更深入和直观的认识火灾发展规律和人员疏散的过程，进而在火灾风险评估、性能化设计以及人员疏散的研究中给予强大的技术支持，并能针对特定建筑提出具有针对性的、有效的防火措施及对策，对于保证建筑火灾安全具有重要的现实意义和社会价值。

1.2火灾数值模拟国内外研究现状

1.2.1国外火灾模拟研究现状

由于计算机技术起步应用较早和对火灾科学的重视，国外在火灾计算机模拟方面也相对有较早的起步和重视，并取得了很多在火灾科学领域具有重要影响的研究成果。

美国的埃蒙斯[6]（H.W.Emmons）将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理运用到建筑火灾的领域的研究上，对于火灾科学的基础理论研究做出了重大贡献。

美国的国家标准与技术研究院（NIST）在上世纪80年代开发了火灾动态模拟软件FDS，并对其不断的进行改进和完善，使其能够适用不同种类的火灾场景上，并且通过开放源代码使使用者能够自主的根据自己的需要进行设定[7]。

美国的国家标准与技术研究院（NIST），在20世纪90年代开发了用于进行计算机多室火灾与烟气蔓延的区域模型CFAST模型[8]。

L.Farmer和N.O.Sin[9]引入了火灾的发展过程不确定性分析，通过不确定分析，来更加全面的分析火灾过程中的各种因素，以期做到对火灾安全的全面防护。

AlexandraByström[10]通过对建筑实体进行不同场景火灾实验，对火灾模拟软件进行可靠性分析，得出实体火灾和软件模拟的差异性分析。

总的来说，国外火灾科学的研究方面保持着较高的投入和水准，在火灾模拟方面的研究已经相当成熟，无论是从理论研究，还是从软件开发上的都已取得了很多的研究成果[11-12]。

1.2.2国内火灾模拟研究现状

改革开放以来，随着经济的发展和对外交流的增加，国内火灾科学的研究已经从起步之初的一片空白，到目前经历了近30年的发展，我国已经在火灾科学领域形成了一系列与我国实际相适应的理论和实践体系，并且取得了很多研究成果。

我国火灾科学的研究建立在研究所和高校相结合的模式基础上，形成了以天津、沈阳、成都、上海消防研究所为主的四个专业的火灾科学的研究机构，其中天津消防所在1986年对火灾模拟方法的相关外文文集进行了翻译整理，整理介绍了当时在国际上应用比较广泛的集中火灾模拟程序[13]。

在高校火灾科学研究方面，中国科技大学是国内院校中最早进行火灾科学研究的，在计算机火灾模拟方面也是起步相对较早的，形成了以范维澄院士为领导核心的火灾科学的研究团队，在中国火灾科学基础的建设，性能化防火，水灭火以及火灾模拟等领域取得了很多研究成果，并在国家的支持下在1992年建立起了火灾科学国家重点实验室[14-20]。

廊坊武警学院作为国内唯一武警消防院校，在消防安全领域有着深入的研究，在计算机模拟方面，取得了国家“九五”攻关项目“油罐火灾灭火指挥计算机模拟训练系统”[21]。

西安建筑科技的大学的张树平教授[22]，在建筑火灾的性能化研究和建筑防火设计方面有着卓越的研究成果，是现在我国建筑火灾研究的领军人物。

另外，中国矿业大学、西安建筑科技大学、清华大学以及浙江大学等高校也在火灾科学领域取得很多研究成果[23-26]。

总体来说，目前我国还没有在计算机火灾模拟方面取得太多在国际上有较大影响力的成果，但是也已经取得了一定成绩，并已投入到实际应用中。

1.3研究内容和方案路线

1.3.1研究内容

本文旨在通过经验理论分析和计算机模拟技术相结合研究建筑火灾的发展蔓延情况和人员安全疏散状况。

最后通过对比分析，得出所研究的建筑物的火灾危险性，并对所研究建筑的消防安全、人员安全疏散提出可行的意见和建议。

本文通过六个部分对所研究的对象进行分析研究：

1）第一章为绪论部分，主要介绍了进行建筑火灾模拟和人员安全疏散研究的相关背景，介绍了国内外有关火灾模拟研究历史和现状，阐述对建筑火灾研究的目的意义所在，并介绍了研究的相关技术路线和技术方案；

2）第二章对建筑火灾的相关理论基础进行阐述，包括建筑火灾发展的基本过程，火灾烟气，火灾数值模拟方法等的介绍，使我们能够对建筑火灾从基本上进行清楚的了解和认知；

3）第三章首先介绍了本文进行火灾模拟研究所要采用的火灾模拟软件Pyrosim，然后通过分析设定火灾达到危险性的两个条件，之后通过建立所研究的实验综合楼的工程模型，进行实例分析，设定四个典型的起火场景和火灾模拟的初始条件进行火灾计算机模拟实验，通过模拟结果分析得出不同火灾场景下的火灾危险值；

4）第四章是人员疏散研究，本章开始首先分析了人员疏散过程，并对疏散过程中的相关参数进行分析设定，然后简单介绍用于人员安全疏散的软件Pathfinder的相关内容，通过设定不同火灾场景下人员疏散的参数，模拟得出不同火灾场景下人员疏散的情况，并结合相关设定的疏散参数得出人员必需的疏散时间值，最后对比火灾模拟结果和人员疏散结果，判定出不同火灾场景下的火灾危险；

5）第五章进行不确定分析，从建筑火灾的不确定性、火灾数值模拟的不确定性和人员疏散过程中的不确定性三个方面进行分析，进而全面准确的掌握影响建筑火灾安全的各方面要素；

6）第六章为结论和展望，通过本文的研究，分析出特定建筑的火灾危险因素，结合实际情况提出合理、可行的消防建议。

1.3.2研究方案与路线

（1）研究方案：

理论研究→火灾过程模拟→人员疏散模拟→对比、分析建筑物得出火灾危险性→提出防火措施及对策。

（2）研究路线图如下图1-1：

图1-1研究路线图

Fig.1-1TheresearchRoadmap

第二章建筑火灾的相关理论基础

2.1建筑火灾的发展

2.1.1建筑火灾的温度曲线

火灾温度和持续时间是火灾的重要指标，室内温度与时间变化可用火灾温度曲线来表示，火灾温度曲线的形状代表火灾发展中实际出现的各种燃烧现象。

火灾温度曲线反映了温度增长速度和燃烧速度的变化，曲线上的每一个拐点都代表火场上发生的情况，曲线上的点之间的曲线代表火灾发展的不同阶段[27]。

火灾发展各阶段的持续时间以及标志达到某一阶段的温度值与燃烧条件密切相关，所以同样的火灾温度曲线是没有的。

为了便于科学研究和制定防火规范，世界各国都依据实验结果制定能代表本国一般建筑火灾发展规律的标准温度—时间曲线。

实际上，各国绘制的标准温度—时间曲线形状十分相似[28]。

我国采用国际标准（ISO834）规定的标准火灾温度曲线，如下图2-1所示：

图2-1标准火灾温度曲线

Fig.2-1Thestandardtemperaturecureoffire

通过对于火灾温度曲线的分析，能够帮助我们更加清楚地认知火灾发生的各个过程，火灾温度曲线能够反映火灾发展阶段性特征，在实际研究火灾温度曲线类似于下图2-2所示：

图2-2火灾温度曲线

Fig.2-2Thetemperaturecureoffire

从上图可以知道，A—B段为火灾的初起阶段，B点为火灾进入发展阶段的起点，B—C段内温度迅速上升，可知在这个阶段内着火房间内的可燃物充分燃烧，火灾进入全面发展阶段，C点以后温度开始下降，房间的可燃物基本燃烧完全，火灾由全面发展阶段进入到熄灭阶段，这个阶段一般持续时间会很长。

利用火灾温度曲线还可以对可燃物的种类进行判断，当燃烧物为可燃气体火灾易燃蒸汽时，此时的温度曲线上升速度极快，几乎看不到升温阶段，室内温度会在很短的时间内到达峰值，如果为固体可热物，则温度上升的速度就会比较慢，火灾温度曲线的会显得相对比较平缓，图中的B—B、阶段可能是由于出现爆燃现象所致。

2.1.2不同阶段建筑火灾的特点

建筑火灾造成建筑物的破坏、人员伤亡和财产损失，建筑火灾发生过程分为三个阶段，分别为火灾初起阶段、火灾发展阶段、火灾熄灭阶段。

（一）火灾初起阶段

在室内火灾初起阶段，只有起火点处的温度相对较高，室内其他部分温度较低，室内平均温度较低，这时火灾受到可燃物燃烧性能、通风、分布、散热等方面的影响，燃烧速度相对较慢，而且燃烧极不稳定，如果最初的燃烧物质燃烧完全，又没有新的可燃物，以及在通风供氧不足的情况下可能会熄灭，如果可燃物充足，而且通风供氧充足的情况下则会不断发展。

所以说，初起火灾与室内的火灾条件有很大关系。

在这各个阶段，火势相对较小，是进行灭火防火的最佳时机，这个时候投入很少的灭火力量，如用灭火器就可以扑灭火灾，这个时期是进行人员疏散逃生的最佳时机，所以，能够及时发现火灾的发生是至关重要，所以，在火灾危险性比较大的场所，应该安装有火灾自动报警装置。

（二）火灾发展阶段