工程师的火灾模拟/方法
已经出现了四种截然不同的火灾模拟方法。这些方法都将火灾视为一个本质上随时间推移而演变的三维过程。
区域模型是最先成熟的，它们描述了隔间火灾。每个隔间都被分成两个空间上均匀的体积，一个热的顶层和一个较冷的底层。对每个层施加质量和能量平衡，并根据需要附加其他模型来描述其他物理过程，这些过程被附加为微分方程或代数方程。此类现象的示例包括火羽流、通过门、窗户和其他通风口的流动、辐射和对流传热以及固体燃料热解。模型开发已发展到目前，已广泛使用实现这些模型的已记录和支持的软件，例如火灾和烟雾传输综合模型 (CFAST)。
CFAST 是一种双区火灾模型，用于计算建筑物隔间在火灾期间烟雾、火灾气体和温度的演变分布。请访问 [1] 以获取更多信息。
区域模型的相对物理和计算简单性使其在火灾情景分析中得到广泛应用。只要不需要物理特性的详细空间分布，并且两层描述合理地近似于现实，这些模型就非常可靠。然而，由于它们的本质，没有办法系统地改进它们。
计算能力的快速增长以及计算流体动力学 (CFD) 的相应成熟，导致了基于 CFD 的场模型的开发，并将其应用于火灾研究问题。几乎所有这些工作都是基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程 (RANS) 提供的概念框架。使用 CFD 模型可以描述复杂几何形状中的火灾，以及结合各种物理现象。
然而，这些模型对于火灾应用有一个根本的局限性——模型方程根部的平均过程。
雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 模型被开发为流体动力学守恒方程的时间平均近似值。虽然平均时间的精确性质没有指定，但它显然足够长，需要引入大涡传输系数来描述未解析的质量、动量和能量通量。这是即使在分辨率最高的火灾模拟中，结果出现平滑的原因。最小可解析长度尺度由局部速度和平均时间之积决定，而不是底层计算网格的空间分辨率。
不幸的是，这种方法丢失了大多数火羽流特征的大涡结构的演变，以及局部瞬态事件的预测。有时有人认为，用于定义方程的平均过程是对同一实验或假定情景的许多重复的集合平均。然而，对于火灾研究来说，这是一个无关紧要的问题，因为实验和现实情景都没有按照方程解释所需的意义重复进行。
将大涡模拟 (LES) 技术应用于火灾旨在从在更精细网格上进行的火灾模拟中提取更高的时空保真度，这得益于速度越来越快的计算机。
LES 指的是气体燃料和燃烧产物与包围火灾的局部大气的湍流混合的描述。这个过程决定了大多数火灾的燃烧速率并控制着烟雾和热气体的传播，极难准确预测。这不仅在火灾研究中如此，在几乎所有涉及湍流流体运动的现象中都是如此。LES 技术背后的基本思想是，造成大部分混合的涡流足够大，可以从流体动力学方程中以合理的精度计算出来。希望（最终必须通过与实验进行比较来证明）是，小尺度涡流运动可以粗略地考虑或忽略。
第四种方法是直接数值模拟 (DNS)。DNS 是计算流体动力学中的一种模拟，其中在没有任何湍流模型的情况下对纳维-斯托克斯方程进行数值求解。这意味着必须在计算网格中解析湍流的整个空间和时间尺度。
即使在低雷诺数下，DNS 的计算成本也很高。对于大多数工业应用中遇到的雷诺数，DNS 所需的计算资源将超过目前最强大计算机的能力。