www.niceloo.com
airEXODUS、
buildingExODus、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六个部分组成。buildingEx0Dus试图考虑人与人、人与火灾以及人与建筑物之间的相互作用。该模型包括6个在模拟疏散方面相互联系、相互传递信息的子模型,即人员、运动、行为、毒性、危险性和几何学子模型。
该模型是一种行为模式模型,是一个细网格系统。其利用二维空间网格绘制出几何结构、位置、障碍物等。这种网格由“节点”和“弧”组成。每个节点都代表了建筑平面图上的小空间,而弧在建筑平面图上把这些节点连接在一起。人们通过利用这些弧从建筑物的一个节点到另一个节点。这些信息存储在几何子模型中。同时,在整个模拟过程中,每个节点都有毒气等级、烟气温度和浓度等与其相关的动态环境。
5.软件选用
疏散软件能够人为设置出口障碍,通过对建筑平面信息的识别,可以在某些安全出口受阻的情况下创建另一个替代的有效距离地图来引导人员疏散,从而得出建筑物的最优化疏散设计方案。人员的行为特性具有不确定性,无论是采用函数型行为模式,还是采用规则决定方法,都无法绝对准确地模拟出火灾时人员疏散的真实情况,在今后的软件后续开发中可以增加更多的实际因素参数,以修正模拟疏散结果。
疏散软件基本可以定义个体人员的基本行为特性,模拟出一定的心理反应,能够有条件地寻找出有效的疏散路径。国际上人员疏散软件的开发已经积累了一定的经验,并且经过了相当数量的工程实践检验,但毕竟国外的人员疏散行为、习惯,心理反应等与我国居民有很大差异,一些软件还不能简单地直接拿来应用,需结合我国的建筑特点和疏散演习等进行校正和应用。一般情况下,当建筑的结构简单、布局规则、疏散路径容易辨别、建筑的功能较为单一且人员密度较大时,适合采用水力疏散模型来进行人员疏散的计算,而其他情况则适于采用人员行为模型。原因是:前一种情况下发生火灾,人员可以较为快速准确地获取关键信息并采取疏散行动,人员疏散通常很快由个体行为转化为群体行为,符合水力疏散模型的适用条件。而其他情况下,人员获取信息的渠道相对较少,从接到报警信号到识别火灾以及疏散过程中寻找合适的疏散路径都在很大程度上依赖于个体的判断。因此,人员疏散由个体行为转化为群体行为的时间非常长,有时候可能自始至终都是个体行为,这种情况下选用人员行为模型显然更合适。如果有条件,可以结合数值计算和建筑疏散演习等方式,进一步验证模型的可靠性。
www.niceloo.com
三、模型评价
下面针对建筑消防性能化设计计算方法的确定性模型需要重点评价的几个方法进行论述。
(一)计算模型的适用性
以火灾动力学软件FDS为例,它可用来模拟火灾热和燃烧产物的运输、气体和固体表面之间的辐射和对流传热、热解、火灾蔓延与增长、喷淋等。对于开放空间或燃料控制的火灾,FDS能相对准确地进行模拟。但FDS的局限性在于其限于低速流动模拟;通过分解压力项,处理状态方程,从而滤除声波的影响。针对相对封闭房间内氧控制的火灾场景,有可能会发生爆燃现象,在此过程中压力波对火焰的传播起着较大的影响。在模拟此类火灾场景时,尽管FDS能模拟并有可能获得看似正确的计算结果,但从模型基本理论上已不再适用。因此,针对计算模型的适用性问题,不仅要从计算结果进行考虑,还要从模型的自身假设进行分析。计算软件为了能够模拟更多的问题,往往采用普适性的算法,对于有些根本不满足计算模型理论的场景,计算结果也可能会与实验结果偏差不大,这样的结果不能轻易相信,且也不能说明类似这样的场景就可以采用这样的方法来计算。在计算模型理论都无法满足的情况下,根本就不允许采用这样的模型来进行计算。
(二)计算的收敛性
在数值方法中,需要对连续性的数学模型进行离散化后再求解,也就是用一个离散的数值模型来近似模拟。时间和空间都需要离散化。一个连续性的数学模型有很多不同的离散方法,形成很多不同的离散模型。为了获得一个好的近似解,要求离散模型能够模拟连续模型的性质和行为。这就要求离散方法采用高阶精度的格式,同时要保证其不会带来计算结果的非物理振荡,能更好地收敛于真实解。
对于定常模拟来说,只需要求最终的计算结果逼近真实解。但对于非定常模拟来说,则要求每一计算时间步内的结果也要收敛,且要达到能接受的计算精度。如果模型没有发生时间步的截断而且能保持长的时间步,那表明该模型没有收敛性问题,反之如果经常发生时间步截断,那模型计算将很慢,收敛性差。时间步的大小主要取决于非线性迭代次数。如果模型只进行一次非线性迭代计算就可以收敛,那么表明模型很容易收敛;如果需要2~3次非线性迭代计算,则模型较易收敛,如果需要4~9次非线性迭代计算,则模型不易收敛,大于10次的模型可能有问题。
影响计算收敛性的因素很多,如网格尺度、计算格式精度、初始流场参数、化学反应的
www.niceloo.com
刚度、计算模型等。
(三)网格尺度的合理性
对于建筑火灾场模拟计算,首先应该考虑网格尺度的合理性问题,而这一问题也是场模拟计算中非常重要的问题。网格尺度的合理性问题直接影响计算结果的误差,甚至影响计算结果是否定性合理。
网格尺度的合理性一方面是计算结果不依赖于网格尺度的变化,即网格的独立性;另一方面,在保证网格独立性的同时,应考虑计算资源的能力,尽可能减少计算量,提高计算网格的经济性。在场模拟计算中,如何做到这两点呢?
1.网格独立性
通常的做法是,下一次要考虑的网格尺度一般为前一次网格尺度的1/2,即网格加密一倍。如果加密一倍的计算结果与该次加密前的计算结果之间的误差在可接受的范围内,网格不再加密,即可采用该次加密前的网格尺度的计算结果作为最终结果来进行分析评判。如果加密一倍的计算结果与该次加密前的网格尺度的计算结果之间的误差不在可接受的范围内,应进一步进行加密。当然,加密的起点也应有一定的基础,可以基于计算者的经验、基于模型分析、基于计算问题的分析、基于前人或公开发表类似问题的经验等。基于这样的基础,可以加密,也可以加粗网格。总之,针对具体的问题,也不一定遵循前述加密原则,可适当增大加密强度。
2.网格经济性
一般,加密一倍网格,计算量增大8倍,计算时间可能增大几十倍,甚至上百倍。一方面要保证一定的计算精度,另一方面要考虑合适的计算量。因此,采用能满足该精度的最粗网格,也可以采用局部加密技术,在高密度梯度区(如火源)、壁面附近等加密网格,在低密度梯度区或影响相对较小的区域加粗网格。
(四)时间步长的合理性
在求解微分方程时,必须注意时间步长的选择。首先应考虑系统的稳定性。在分析和求解瞬态算法时,为了解的收敛,必须考虑稳定性。对时间步长进行限制的算法,称为有条件稳定。未对时间步长进行限制的算法称为无条件稳定。在求解连续性问题0DE的解析解时,稳定积分能给出衰减解。对于某些时间步长,不稳定方法会产生无界或快速振荡的数值解。要意识到即使是稳定连续性模型,数值模型也有可能不稳定。因此,原连续性模型不稳定时,任何数值模型都得不到精确解。相反,在条件不稳定的情况下,无条件稳定的算法也能够得
www.niceloo.com
到稳定的数值模型。这意味着无条件稳定的算法不能考虑快速增长的现象。
在建筑性能化设计计算的火灾场景模拟中,时间步通常是条件稳定。时间步过大,会出现数值振荡,进而导致不收敛,计算不能进展下去。时间步一般满足流动的CFL条件,如FDS中的时间步dt=5