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FDS


2009 年第 35 卷第 10 期 工业安全与环保                 October 2009 Industrial Safety and Environmental Protection

?33 ?

FDS + Evac 软件在火灾逃生中的应用
乐增   金润国   毛龙
( 武汉科技大学资源与环境

工程学院   武汉 430081)

       摘 要 对人员疏散模拟软件 FDS + Evac 在火灾逃生中的应用进行了探讨和分析 。结合使用该软件的经验与体会 , 总 结了 FDS + Evac 建模 、 记事本编程 、 计算结果分析的一些方法和调试技巧 ,展望了其在火灾和其他紧急疏散领域的应用 。    关键词   人员疏散   FDS + Evac   应用分析

Application of FDS + Evac Software in Fire Escape
Y Zeng   IN Run - guo   UE J MAO Long
( School of Resources and Environmental Engineering , Wuhan University of Science and Technology  Wuhan 430081)

Abstract   This paper analyses the application of FDS + Evac software in fire escape , summarizes some application methods and techniques on modeling , Notepad programming and data analysis based on the experiences from the numerical simulation and forecasts the application of FDS + Evac in fires and other areas of emergency evacuation. Keywords   evacuation   FDS + Evac   application analysis

   目前确定建筑物火灾疏散方式的常用方法有 2 种 : 一是 直接分析火灾案例 ,二是采用计算机模拟 。直接分析火灾案 例属于事后情况的分析 ,即对灾难的分析以避免类似的灾难 再发生 。统计分析的案例越多 , 所得出的规律越具有说服 力 。计算机模拟是指火灾场景为一种假设情况 ,即如果火灾 按设定的情况发生 ,预测人员将如何逃生 。对于特定的研究 对象 ,采用计算机软件对人员疏散情况进行模拟 , 获得火灾 中的一些重要参数 ,可以有效地指导人员逃生
1
[1 ]

值近似解 ,就好像在出口安装了一台虚拟的 “抽风机” 一样 , 吸引 “人流” 从建筑物内流出 。这种方式能够产生较好的人 员疏散流场 ,该流场指引人员选择疏散出口与路线 。疏散路 线不一定是最短的 ,通常也会是接近最短路线的 。以下是该 人员运动模型的 9 个核心方程 。
(1) 人员 i 移动控制方程 : mid2xi (t) dt2 = fi (t) +ξ (t) i (2) 人员 i 所受环境力方程 :



 FDS + Evac 软件介绍
FDS + Evac 软件是由芬兰 VTT 技术研究中心在美国国

τ fi = mi i ( v0 - vi) + ∑ ≠ (fsoci + fattij + fcij) j i
+ ∑ (fsociw + fciw) + ∑ w kfattik (3) 人员 i 与 j 的社会力方程 :

家标准技术局 (NIST) 火灾动力学模拟软件 ( FDS) 的基础上研 发的逃生模型 ,可以同步模拟火灾发展和火场中人员的疏散 情况 。该模型采用网格计算方法 ,所依据的基本运算法则是
bing 提出的社会力模型作为运动计算的模型

λ φ fsocij = Aie - ( rij - dij) / Bi i + (1 - λ) 1 + cos ij2nij i
(4) 人员 i 与 j 之间的人体力方程 :

2

bing 的基于恐惧心理状态的社会力模型

通过运动方程模拟每个人的行为 ,采用匈牙利交通专家 Hel2
[2 ]

Δ fcij = [ k ( dij - rij) + cd vnij ]nij +κ( dij - rij)Δvtijtij
(注意式 ( 4 ) 右边第 2 个求和项为 Helbing 模型里没有



通过该软件以 FDS 为平台可以直接得到和火灾相关的

的 ,由 Langston 提出的物理衰减力)
(5) 人员 i 转动控制方程 :

一些特征 ,如温度 、 、 及 CO2 等气体浓度的分布情况 。 烟气 CO 人选择出口的算法是利用烟气的浓度来计算的 ,烟气降低能 见度 ,烟气的刺激和窒息作用降低了人的行走速度 。 数值模拟原理  

φ Izid2 i (t) dt2 = Mzi (t) +η (t) zi
(6) 人员 i 转动力矩守恒方程 :

τ MZi = MCi + Msoci + M i
(7) 人员 i 接触力力矩控制方程 : Msoci = Rci × fcij (8) 人员 i 社会力力矩控制方程 : Msoci = Rsoci × fsocij (9) 人员 i 移动力矩控制方程 :

假设 ,一是将人视为自驱动的有几何和物理特征的粒子 ; 二 是在运动过程中会受到外界物理力与 “社会 - 心理力” 的影 响 ,人人都会有自己的运动控制方程 ,建筑物内存在着一个 虚拟的 、 符合流体力学规律的 、 指示人员向出口方向行动的
[5 ]

二维 “人流” 流场 。该 “人流” 流场是理想化的流场 ,不考虑人 扰动 。运用 FDS 的流场求解器求解二维不可压缩势流的数

员的 “再进入行为” 羊群行为” 、回避行为” 、 “ “ 等对流场的

该软件的基本算法运动模型是基于德国物理教授 Hel2
[3 ,4 ]

。该模型有 2 个

τ τ φ M i = Izi zi[ ( i (t) - φ )ω0i - ω(t) ] 0i τ ω = Izi zi[ ~ 0i - ω(t) ] 各方程的含义参照文献 [5 - 9 ] 。
3

 FDS + Evac 应用流程

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用 FDS + Evac 进行模拟时 ,可以按图 1 所示的流程进行 。
FDS + Evac , 包括温度 、 烟气 、 氧气等 “切片” 的设置 , FDS + Evac 静态的计算结果二维数据随时间变化的数据以 Office Excel 程序格式输出 ,可以提供定量的分析与研究 。 4. 3

  + Evac 的调试技巧 FDS
FDS + Evac 的报错能力很差 , 在调试时 , 建议用 DOS 界

面的命令方式来运行 。一旦程序中出现错误 ,DOS 界面马上 提醒用户错误的位置 ,这样可以极大地帮助用户检查和修改 错误 。另外 ,为便于检查错误 ,用户最好将火灾模拟部分和 人员疏散模拟部分命令分开写 , 并且最好在程序结尾符号 “/ ” 后面分别作简短的说明 ,这样不仅对源程序没有影响 ,而 且对改错有很大帮助 ,大大节省了用户的调试时间 。
5
图 1  FDS + Evac 应用流程

  结语
在实际生活中 ,对于一些建筑物的设计 , 特别是室内门

4  FDS + Evac 的应用 4. 1

窗的尺寸 、 数量以及内部摆设 ,逃生走廊的设计要求是否合 理 ,火灾发生后 ,人员是否能够安全撤离等等问题 ,应用 FDS
+ Evac 软件能够进行有效的评估 。FDS + Evac 的主疏散网

  + Evac 建模 FDS
FDS + Evac 的建模与 FDS 的建模类似 , 都是通过记事本

格式的文本编写来完成 ,要求编程人员有非常好的耐性和极 高的空间想象力 ,而且工作量繁重 ,非常容易出错 。鉴于此 , 研究人员曾自编一套 VB 程序来辅助编程 ,但效果不是很理 想 ,故笔者借用了 FDS 的编程方法 , 采用 PyroSim 来辅助编 程 ,解决了编程建模的难题 。
PyroSim 是由美国一家公司开发的针对 FDS 全过程的处

格可以模拟上万人的情况 ,对于大型建筑物如图书馆 、 候车 室、 体育馆等人员密集场所的火灾安全评估 , 提供了一种有 效研究的途径 ,这是其他疏散软件所无法比拟的 。
FDS + Evac 在火灾逃生中的应用还有很多强大的功能 ,

随着 FDS + Evac 技术开发的不断成熟 ,它将对建筑物疏散研 究提供极大的支持 ,其疏散方法也有广阔的前景 。
参考文献
[ 1 ] 刘涛 ,李葳 . 礼堂火灾情况下人员疏散过程的计算机模拟 . 消防科

理软件 ,是在 FDS 的基础上发展起来的 。PyroSim 提供了可 视化的三维图形处理功能 ,以菜单对话框形式出现交互式编 辑 ,能够边编辑边查看所建模型 ,利用 PyroSim 软件大大简化 了 FDS + Evac 枯燥复杂的命令式编程 [1 ] ,见图 2 。

学与技术 ,2008 (1) :10 - 13.
[2 ] 尤方立 . 下上空间内火灾烟气疏散控制研究 . 安全 ,2008 (5) :5 9. [ 3 ] Helbing D , Molanr P. Social force model for pedestriandynamics. Physi2 cal Revise ,1995 ,E 51 :4 282 - 4 286. [ 4 ]David J Low. Following the crowd. Nature , 2000 , 407 :388 - 391. [5 ] Helbing D , Fraks I , Vicsek T. Simulating dynamical featuresof escape panic. Nature , 2000 ,407 :487 - 490. [ 6 ] Helbing D , Farkas I , Molná P , et al . Simulating of pedestrian crowds in r normal and evacuation situations. Pedestrian and Evacuation Dynamics , Schreckenberg ,M and Sharma ,S D (eds. ) , Springer , Berlin , 2002 , 21 - 58. [ 7 ]Werner T , Helbing D. The social force pedestrian model applied to real life scenarios. Pedestrian and Evacuation Dynamics - Proceedings of the Seconnd International Conference , University of Greenwich , London , 2003 , 17 - 26. [ 8 ]Langston P A , Masling R , Asmar BN. Crowd dynamics discrete element multicircle model . Safety Science , 2006 ,44 : 395 - 417. [ 9 ]Purser D A. T oxicity assessment of combustion products. SFPE Handbook tion , Quincy , MA , 1995. 2/ 28   146. 2/ of Fire Protection Engineering , 2nd ed. National Fire Protection Associa2 ( 收稿日期 :2009 - 03 - 04)

图2

用   PyroSim 创建的一超市模型

利用 PyroSim 建模后可生成记事本格式的源程序 , 这些 源程序只是单纯的 FDS 程序 ,用户还要在已生成的源程序基 础上添加疏散网格 、 人员疏散 、 出口特征等命令语句 。其他 语句可以根据 FDS + Evac 软件自带的说明书来添加或自己 编写源代码 。模型建好检查无误后 ,可直接用 FDS + Evac 来 运行 。
4. 2

  + Evac 计算结果处理 FDS
FDS + Evac 与 FDS 类似 , 也有 smokeview 的后期处理程

序 ,不同的是 ,FDS + Evac 在其基础上添加了 Evaluation 这一 选项 ,这就可以使人员在火灾发生时的画面以三维或者二维 的形式全部呈现出来 。此外 FDS 的其 他 功 能 依 然 适 用 于

作者简介   乐增 , 男 ,1986 年生 ,武汉科技大学资源与环境工程学院 安全工程专业本科生 ,研究方向为建筑火灾及人员疏散 。


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