第一章火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)的概念與重要性第二章火場(chǎng)中的流體動(dòng)力學(xué)基本原理第三章火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法第四章火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)在消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用第五章新興技術(shù)在火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用第六章火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)的研究挑戰(zhàn)與未來(lái)展望101第一章火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)的概念與重要性火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)是研究火災(zāi)中流體（主要是空氣和煙霧）運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與火災(zāi)發(fā)展相互作用的科學(xué)。它涉及傳熱學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉。在火災(zāi)場(chǎng)景中，高溫?zé)煔庥捎诿芏冗h(yuǎn)低于常溫空氣，產(chǎn)生向上的熱浮力，形成強(qiáng)大的熱羽流。以2020年紐約市高層建筑火災(zāi)為例，由于缺乏對(duì)火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，導(dǎo)致救援行動(dòng)延誤了30分鐘，造成5人死亡。熱浮力導(dǎo)致的煙氣擴(kuò)散速度可達(dá)3m/s，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)認(rèn)知的1.5m/s。這種快速擴(kuò)散的煙氣不僅會(huì)降低能見(jiàn)度，還會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，對(duì)人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，深入研究火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)對(duì)于制定有效的消防策略和減少火災(zāi)損失至關(guān)重要。3火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的流體運(yùn)動(dòng)描述拉格朗日方法追蹤流體粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的方法計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法通過(guò)數(shù)值模擬解決流體運(yùn)動(dòng)方程歐拉方法4火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)多尺度煙霧擴(kuò)散模型同時(shí)模擬宏觀煙氣和微觀顆粒的運(yùn)動(dòng)非預(yù)混火焰動(dòng)力學(xué)算法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同燃料的燃燒速度熱浮力計(jì)算方法通過(guò)計(jì)算溫度梯度導(dǎo)致的空氣對(duì)流來(lái)模擬煙氣流動(dòng)5火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)的研究挑戰(zhàn)與未來(lái)展望化學(xué)反應(yīng)模擬數(shù)據(jù)采集與驗(yàn)證智能化技術(shù)應(yīng)用火災(zāi)中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程難以精確模擬需要開(kāi)發(fā)更精確的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型多物理場(chǎng)耦合模擬的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的局限性模擬結(jié)果與實(shí)際火災(zāi)的偏差需要建立更全面的火災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)人工智能在火災(zāi)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用前景物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的重要性數(shù)字孿生技術(shù)的潛力602第二章火場(chǎng)中的流體動(dòng)力學(xué)基本原理熱浮力在火災(zāi)流體中的作用熱浮力是指不同溫度的流體密度差異導(dǎo)致的浮力效應(yīng)。在火災(zāi)中，高溫?zé)煔饷芏?約0.95kg/m3)遠(yuǎn)低于常溫空氣密度(約1.2kg/m3)，產(chǎn)生向上的浮力。以日本京都大學(xué)2021年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣溫度達(dá)到500℃時(shí)，上升速度可達(dá)6m/s。這種熱浮力導(dǎo)致的煙氣上升現(xiàn)象對(duì)火災(zāi)防控具有重要影響。一方面，熱羽流可以加速煙氣擴(kuò)散，增加火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，熱羽流還可以將有毒煙霧輸送到高層，對(duì)人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，在火災(zāi)防控中，必須充分考慮熱浮力的影響，采取相應(yīng)的措施控制煙氣擴(kuò)散。8煙霧擴(kuò)散的基本模型適用于封閉空間初期階段的煙霧擴(kuò)散湍流擴(kuò)散模型適用于開(kāi)放空間后期階段的煙霧擴(kuò)散高斯擴(kuò)散模型基于湍流擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型層流擴(kuò)散模型9火場(chǎng)氣流計(jì)算方法不可壓縮流體模型簡(jiǎn)化計(jì)算，適用于低溫度火災(zāi)可壓縮流體模型精確模擬熱浮力，適用于高溫火災(zāi)簡(jiǎn)化模型快速估算，適用于初步設(shè)計(jì)階段10火場(chǎng)氣流計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)網(wǎng)格密度時(shí)間步長(zhǎng)邊界條件影響計(jì)算精度和計(jì)算量火災(zāi)初期需要更細(xì)的網(wǎng)格火災(zāi)后期可以適當(dāng)降低網(wǎng)格密度確保數(shù)值穩(wěn)定性時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致數(shù)值不穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小會(huì)增加計(jì)算時(shí)間必須精確設(shè)置通風(fēng)口、門(mén)窗和火源參數(shù)邊界條件的準(zhǔn)確性對(duì)計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要需要根據(jù)實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置邊界條件1103第三章火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在火災(zāi)研究中的應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)通過(guò)數(shù)值模擬解決流體運(yùn)動(dòng)方程，在火災(zāi)研究中發(fā)揮著重要作用。CFD模擬可以精確預(yù)測(cè)火災(zāi)中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和組分場(chǎng)，為火災(zāi)防控提供科學(xué)依據(jù)。以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開(kāi)發(fā)的FDS模型為例，該模型已成功應(yīng)用于全球3000多個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，準(zhǔn)確率達(dá)±8%。CFD模擬的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬復(fù)雜幾何邊界條件下的非定常流動(dòng)，以及考慮多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)。然而，CFD模擬也存在一些局限性，如計(jì)算量大、需要專(zhuān)業(yè)軟件和專(zhuān)業(yè)知識(shí)等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的CFD模型和方法。13多物理場(chǎng)耦合模擬技術(shù)燃燒-流動(dòng)耦合模型同時(shí)考慮燃燒和流動(dòng)的相互作用傳熱-流動(dòng)耦合模型同時(shí)考慮傳熱和流動(dòng)的相互作用化學(xué)反應(yīng)-流動(dòng)耦合模型同時(shí)考慮化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)的相互作用14模擬精度驗(yàn)證方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比將模擬結(jié)果與實(shí)際火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與解析解比較將模擬結(jié)果與解析解進(jìn)行比較增量模擬驗(yàn)證通過(guò)逐步增加復(fù)雜度進(jìn)行驗(yàn)證15CFD模擬的未來(lái)發(fā)展方向人工智能輔助模擬云計(jì)算平臺(tái)數(shù)字孿生技術(shù)利用AI技術(shù)提高模擬效率和精度AI可以自動(dòng)調(diào)整模擬參數(shù)AI可以預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)利用云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算可以顯著提高計(jì)算速度可以降低計(jì)算成本將CFD模擬與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合可以實(shí)時(shí)模擬火災(zāi)場(chǎng)景可以用于消防培訓(xùn)和演練1604第四章火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)在消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)原理。噴頭布置密度、水流速度和熱浮力都會(huì)影響滅火效果。以德國(guó)DIN14490標(biāo)準(zhǔn)為例，要求在火災(zāi)初期(120秒內(nèi))形成完整水幕覆蓋火源區(qū)域。噴頭布置密度通常為≤3.6m×3.6m，水流速度需≥3m/s。熱浮力修正系數(shù)為0.7-0.9，取決于火災(zāi)溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)建筑類(lèi)型、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和消防需求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。18通風(fēng)系統(tǒng)在火災(zāi)中的控制策略火災(zāi)區(qū)域通風(fēng)控制通過(guò)排煙口降低溫度，減少煙霧危害非火災(zāi)區(qū)域氣流引導(dǎo)引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離疏散通道，保護(hù)疏散路線混合控制兼顧滅火和疏散，提高整體效率19滅火劑噴射的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)噴射角度影響滅火效果的關(guān)鍵參數(shù)噴射速度決定滅火劑覆蓋范圍的重要參數(shù)噴霧粒度影響滅火劑與火焰相互作用的關(guān)鍵參數(shù)20消防機(jī)器人路徑規(guī)劃的流體動(dòng)力學(xué)考量煙氣濃度氣流速度溫度分布可通行區(qū)域機(jī)器人需要避開(kāi)高濃度煙氣區(qū)域煙氣濃度與火災(zāi)危險(xiǎn)程度成正比機(jī)器人需要根據(jù)煙氣濃度調(diào)整路徑機(jī)器人需要避開(kāi)強(qiáng)氣流區(qū)域氣流速度過(guò)大會(huì)影響機(jī)器人穩(wěn)定性機(jī)器人需要根據(jù)氣流速度調(diào)整路徑機(jī)器人需要避開(kāi)高溫區(qū)域高溫區(qū)域?qū)C(jī)器人電子元件有損害機(jī)器人需要根據(jù)溫度分布調(diào)整路徑機(jī)器人需要避開(kāi)不可通行區(qū)域不可通行區(qū)域可能存在障礙物機(jī)器人需要根據(jù)可通行區(qū)域調(diào)整路徑2105第五章新興技術(shù)在火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用人工智能在火災(zāi)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用人工智能在火災(zāi)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。深度學(xué)習(xí)煙霧識(shí)別技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)火災(zāi)早期煙霧，準(zhǔn)確率達(dá)92%。長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)可以預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)，提前30分鐘發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以生成自動(dòng)滅火策略，提高滅火效率。以谷歌DeepMind開(kāi)發(fā)的AI火災(zāi)預(yù)測(cè)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)通過(guò)學(xué)習(xí)全球火災(zāi)數(shù)據(jù)，可以將火災(zāi)發(fā)現(xiàn)時(shí)間縮短60%。23物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用熱敏傳感器檢測(cè)火災(zāi)早期溫度異常檢測(cè)火災(zāi)早期煙霧生成檢測(cè)火災(zāi)產(chǎn)生的有毒氣體檢測(cè)火災(zāi)引發(fā)的振動(dòng)煙霧傳感器氣體傳感器振動(dòng)傳感器24數(shù)字孿生在火災(zāi)模擬中的應(yīng)用建筑信息模型(BIM)構(gòu)建建立火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)字模型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)仿真模型優(yōu)化優(yōu)化火災(zāi)模擬效果25增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用熱力可視化煙霧模擬交互式操作AR技術(shù)可以可視化熱力分布幫助消防員識(shí)別高溫區(qū)域提高消防訓(xùn)練效率AR技術(shù)可以模擬煙霧擴(kuò)散幫助消防員熟悉煙霧環(huán)境提高消防訓(xùn)練效率AR技術(shù)可以模擬火災(zāi)操作幫助消防員熟悉火災(zāi)場(chǎng)景提高消防訓(xùn)練效率2606第六章火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)的研究挑戰(zhàn)與未來(lái)展望火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)研究的當(dāng)前挑戰(zhàn)火災(zāi)流體動(dòng)力學(xué)研究面臨著諸多挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)反應(yīng)模擬的復(fù)雜性導(dǎo)致難以精確模擬火災(zāi)中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。復(fù)雜幾何邊界條件的影響使得模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。多尺度問(wèn)題的求解需要考慮從微觀顆粒到宏觀煙氣的多種尺度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的局限性使得模擬結(jié)果難以驗(yàn)證。以2022年國(guó)際火災(zāi)科學(xué)協(xié)會(huì)(IFSTA)的調(diào)查為例，全球75%的消防工程師缺乏流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)，這一現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了該領(lǐng)域的發(fā)展。28火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)研究的數(shù)據(jù)需求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)的生成與驗(yàn)證火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)的分析與利用模擬數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)歷史事故數(shù)據(jù)29火場(chǎng)流體動(dòng)力學(xué)在碳中和中的應(yīng)用低排放滅火劑減少火災(zāi)碳排放能源高效消防系統(tǒng)