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适读人群 :本书可作为高等院校安全工程、消防工程、建筑工程专业本科、研究生的教材,也可供广大安防科技工作者使用。 《建筑火灾仿真工程软件——PyroSim从入门到精通》
1 PyroSim软件快速入门:PyroSim基础知识和操作流程介绍简明扼要,配合各小节实战练习快速入门;
2 PyroSim全面精通: PyroSim模拟案例丰富,熟练掌握PyroSim应用技巧。
内容简介
本书结合作者多年的教学和培训实践,以PyroSim的流行版本——6.0版本为基础,全面系统地介绍了PyroSim的使用以及工程应用实例。书中配合各小节实战练习及各阶段仿真模型实例详解,在实例应用中帮助读者不断巩固所学软件知识,将软件学习与实际应用紧密结合,力求帮助读者快速入门并全面精通,最终熟练运用PyroSim模拟仿真软件解决实际问题。
本书可作为高等院校安全工程、消防工程、建筑工程专业本科、研究生的教材,也可供广大安防科技工作者使用。
内页插图
目录
入门篇
第1章PyroSim基础2
1.1初识PyroSim2
1.1.1PyroSim概述2
1.1.2PyroSim购买与安装3
1.1.3软件产品登记4
1.1.4安装网络版许可证5
1.1.5服务器配置6
1.1.6启动与退出PyroSim8
1.2PyroSim工作界面8
1.2.1导航视图界面9
1.2.23D视图界面10
1.2.32D视图界面10
第2章PyroSim基本操作13
2.1PyroSim文件操作13
2.1.1新建文件13
2.1.2保存文件13
2.1.3打开文件13
2.1.4加密文件14
2.1.5导入文件14
2.1.6输出文件16
2.2PyroSim常用菜单操作17
2.2.1公用菜单操作18
2.2.2常用工具菜单操作18
2.2.3图形操作菜单操作19
2.2.4图形显示菜单操作20
2.2.5树形菜单操作20
2.2.6对话框执行按钮用法21
第3章PyroSim模拟仿真操作控件22
3.1建模前准备22
3.1.1单位22
3.1.2配色方案22
3.1.3View菜单23
3.1.4首选项24
3.2坐标系26
3.3模型建立26
3.3.1新建文件并保存和命名27
3.3.2定义反应28
3.3.3材料数据34
3.3.4创建网格42
3.3.5定义和创建物体表面属性49
3.3.6创建实体构筑物57
3.3.7创建通风口69
3.4创建结果输出记录71
3.4.1实体剖面71
3.4.2切片72
3.4.3边界数量72
3.4.4等值面73
3.4.5绘制3D数据74
3.4.6数据统计75
3.4.7存储模型76
3.5创建探测设备和消防灭火设备76
3.5.1激活事件77
3.5.2创建探测设备79
3.5.3创建消防灭火设备94
第4章运行求解101
4.1仿真参数(simulation parameter)101
4.1.1时间参数介绍102
4.1.2输出参数介绍102
4.1.3环境参数介绍102
4.1.4粒子参数介绍103
4.1.5模拟参数介绍103
4.1.6辐射参数介绍104
4.1.7几何角度参数介绍104
4.1.8其他参数介绍104
4.2模拟运行(Run FDS)105
4.3并行执行(Run Parallel FDS)106
4.4恢复一个模拟106
第5章结构后处理107
5.1Smokeview 查看3D结果107
5.1.1认识Smokeview软件107
5.1.2Smokeview软件原理108
5.1.3Smokeview软件功能109
5.2Smokeview菜单选项111
5.2.1Smokeview主菜单111
5.2.2加载/卸载(Load/Unload)111
5.2.3显示/隐藏(Show/Hide)113
5.2.4选项(Options)116
5.2.5对话框(Dialog)118
5.3绘制时间历程结果119
5.3.1时间历史结果设置119
5.3.2时间历史结果查看120
第6章基础模型实例——建模详解122
6.1简单房间模型122
6.1.1输入反应和材料数据123
6.1.2创建网格124
6.1.3指定燃烧参数124
6.1.4创建表面125
6.1.5打造家具(障碍物)127
6.1.6墙130
6.1.7使用通风口定义火源和楼层132
6.1.8添加一个开放的边界133
6.1.9在墙上悬挂图片134
6.1.10创建热电偶记录134
6.1.11创建3D效果绘制的切片记录135
6.1.12创建边界记录135
6.1.13指定模拟属性135
6.1.14保存并运行135
6.1.15Smokeview查看结果136
6.1.16查看时间历史结果137
6.2空气流动模型137
6.2.1创建网格137
6.2.2创建进气表面139
6.2.3创建微粒释放140
6.2.4创建通风口140
6.2.5创建开放(排气)通风口141
6.2.6创建切片记录141
6.2.7指定模拟属性141
6.2.8保存模型142
6.2.9运行仿真143
6.2.10查看粒子运动143
6.2.11查看切片数据143
6.3房间烟气测量模型144
6.3.1创建火源表面145
6.3.2创建火源通风口145
6.3.3创建开放边界通风口146
6.3.4创建网格147
6.3.5增加墙148
6.3.6增加门149
6.3.7旋转模型得到更好的视角149
6.3.8增加层区探测设备150
6.3.9增加流量测量设备150
6.3.10设定模拟时间150
6.3.11保存模型151
6.3.12开始模拟151
6.3.133D视图中观看烟雾152
6.3.14查看时间历史数据152
提高篇
第7章创建复杂的几何结构156
7.1弯曲的墙壁156
7.1.1使用墙工具157
7.1.2使用块工具158
7.1.3旋转对象158
7.2桁梁和屋顶159
7.3楼梯161
第8章几何对象编辑操作164
8.1鼠标操作164
8.1.1选择164
8.1.2快捷菜单164
8.1.3双击编辑165
8.1.4调整图形尺寸165
8.1.52D视图下转换/拖动对象166
8.1.62D视图下旋转物体167
8.2工具栏操作167
8.2.1撤销/重做167
8.2.2复制/粘贴168
8.2.3转化168
8.2.4镜像168
8.2.5缩放对话框169
8.2.6旋转对话框170
8.2.7仅展示选择的对象170
第9章提高模型实例——建模详解171
9.1电器火灾模型171
9.1.1计算网格173
9.1.2材料特性175
9.1.3保存模型177
9.1.4表面性质177
9.1.5几何模型179
9.1.6后处理控制193
9.1.7仿真参数195
9.1.8运行分析195
9.1.9查看结果195
9.2多房间模型198
9.2.1输入材料数据198
9.2.2创建网格200
9.2.3指定燃烧参数200
9.2.4创建表面201
9.2.5创建地板和墙204
9.2.6创建门窗218
9.2.7创建家具(障碍物)229
9.2.8使用通风口定义火源243
9.2.9定义开放边界243
9.2.10设置探测器244
9.2.11设置水喷淋设备246
9.2.12设置切片248
9.2.13设置模拟属性248
9.2.14保存并运行249
9.2.15Smokeview查看3D结果249
9.2.16查看时间历史结果251
9.3多楼层模型251
9.3.1输入材料数据251
9.3.2创建网格252
9.3.3指定燃烧参数253
9.3.4创建表面253
9.3.5创建楼层254
9.3.6创建第一层楼结构255
9.3.7创建第二层楼结构255
9.3.8创建楼梯268
9.3.9设置模拟属性272
9.3.10保存并运行272
9.3.11查看结果273
9.3.12查看时间历史结果273
精通篇
第10章创建FDS+EVAC逃生模型276
10.1认识FDS+EVAC276
10.1.1FDS+EVAC的特点276
10.1.2建模注意事项278
10.1.3使用疏散模型的简要步骤279
10.2FDS+EVAC建模280
10.2.1创建网格280
10.2.2导入材料和反应281
10.2.3创建表面281
10.2.4创建构筑物281
10.3FDS+ EVAC菜单282
10.3.1人员参数(Person Types)283
10.3.2初始位置(Initial Positions)285
10.3.3疏散孔洞(Evac Holes)286
10.3.4出口(Exits)287
10.3.5入口(Entrances)288
10.3.6门(Doors)289
10.3.7走廊(Corridors)290
10.3.8斜坡/楼梯(Incline/Stairs)291
第11章燃气喷射火模型294
11.1创建网格294
11.2导入材料和反应295
11.3创建表面296
11.3.1火源表面296
11.3.2泄漏表面296
11.4创建构筑物299
11.4.1创建罐体300
11.4.2创建罐盖301
11.5设置泄漏孔与点火源304
11.5.1设置点火源304
11.5.2设置泄漏孔304
11.6设置探测设备304
11.7设置模拟属性305
11.8保存并运行305
11.9查看结果306
11.9.1图像结果306
11.9.2时间历史结果306
第12章精通模型实例——建模详解308
12.1EVAC疏散模型308
12.1.1启用FDS+EVAC308
12.1.2创建网格308
12.1.3创建一个出口309
12.1.4添加人员310
12.1.5指定模拟属性311
12.1.6保存模型311
12.1.7运行分析311
12.1.8查看结果311
12.2FDS+EVAC疏散模型313
12.2.1导入反应和材料313
12.2.2创建网格314
12.2.3用石膏创建墙面315
12.2.4创建燃烧器表面315
12.2.5创建流场表面315
12.2.6创建墙315
12.2.7创建走廊墙壁316
12.2.8创建燃烧用的障碍物317
12.2.9创建门洞317
12.2.10创建火灾用通风口317
12.2.11创建火源318
12.2.12创建疏散流场318
12.2.13创建疏散出口318
12.2.14设置人员参数319
12.2.15添加人员319
12.2.16疏散孔洞320
12.2.17创建切片320
12.2.18边界输出量320
12.2.19指定模拟参数320
12.2.20保存并运行321
12.2.21Smokeview查看结果321
12.2.22查看时间历史结果322
12.3复杂建筑物火灾人员疏散模型323
12.3.1导入反应和材料324
12.3.2创建网格324
12.3.3创建表面327
12.3.4创建地板与墙壁328
12.3.5创建门洞及通风口335
12.3.6创建火源339
12.3.7创建疏散出口339
12.3.8设置疏散门洞340
12.3.9设置人员参数343
12.3.10添加人员344
12.3.11疏散孔洞344
12.3.12创建切片345
12.3.13边界输出量345
12.3.14指定模拟参数346
12.3.15保存并运行346
12.3.16Smokeview结果查看346
12.3.17查看历史结果348
参考文献349
前言/序言
在社会生活中,火灾已成为威胁公共安全,危害人民群众生命财产安全的一种多发性灾害。据统计,全世界每天发生火灾1万起左右,死亡2000多人,伤3000~4000人,每年火灾造成的直接财产损失达10多亿元。尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾不断发生,给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。总结以往造成群死群伤及重大经济损失的特大火灾教训,其中危害人员最主要的因素是火灾烟气,最重要的是增强烟气探测与控制能力和人员逃生能力。受火灾烟气的危害,火场人员会因窒息或中毒而死亡,距离火灾较近人员也会受火焰高温伤害,只要消防系统设置合理,人员冷静机智运用火场自救与逃生知识,就有可能拯救自己、拯救他人。
PyroSim是由美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)研发的,专用于火灾动态仿真模拟(Fire Dynamic Simulation,FDS)的软件。
笔者在教学中发现,学生对该软件在用于火灾动态仿真及人员疏散仿真时,学习热情高,感觉容易理解且上手快,因此,该软件深受学生欢迎。然而,目前市场没有类似参考书或相关教程。为了满足安全工程、消防工程、建筑安全工程以及制定疏散应急演练教学、科研及设计的需求,结合笔者多年教学实践和科研工作编著成本书。希望本书的出版有助于我国安全工程、消防工程、建筑安全工程的人才培养。
本书以PyroSim的流行版本6.0版本为基础,全面系统地介绍了PyroSim的操作流程,结合火灾仿真案例对软件应用作了详尽解读,使读者在短时间内能够实现从入门到精通的跨越。
全书内容编排紧密结合安全工程、消防工程、建筑安全工程教学需要和特点,选材新颖,注重实用,循序渐进,便于读者学习掌握。本书可作为高等院校安全工程、消防工程、建筑工程专业本科、研究生的教材,也可供广大安防科技工作者使用。
本书的出版还得到了上海曼恒数字技术有限公司的鼎力支持,同时,吕佩桦对本书做了大量文字翻译、校对工作,杨凯博士和董炳燕博士对本书的编写提供了很多建议和帮助,在此向参与此书出版的个人和单位一并表示感谢。
由于水平有限,书中不足之处在所难免,敬请广大读者批评指正。
编著者
建筑火灾安全设计与评估的革命性工具 在现代建筑设计与运营日益复杂化、安全标准不断提高的今天,如何科学、高效地预测和评估火灾风险,已成为保障生命财产安全的关键环节。传统的火灾安全设计方法,往往依赖于经验判断和静态的规范查阅,难以应对日益严峻和多变的火灾场景。建筑火灾仿真工程软件应运而生,它以强大的计算能力和精细化的模拟手段,为建筑火灾安全领域带来了革命性的变革。 软件概述 本文所介绍的这款建筑火灾仿真工程软件,是一款集成了先进的火灾动力学模型、流体模拟技术以及三维可视化平台的高性能计算工具。它能够精确模拟火灾从发生、发展到最终扑灭的全过程,包括烟气扩散、温度升高、结构受损、人员疏散等关键要素。通过对真实火灾场景的逼真还原,该软件能够为建筑师、工程师、消防安全专家以及政府监管部门提供强有力的决策支持,从而实现更科学、更经济、更有效的火灾安全设计和风险评估。 核心功能与优势 1. 精准的火灾动力学模拟: 软件的核心在于其对火灾动力学过程的精细刻画。它采用了先进的有限体积法(FVM)或有限元法(FEM)等数值计算方法, coupled with sophisticated combustion models and heat transfer algorithms. 燃烧模型: 软件内置了多种成熟的燃烧模型,能够模拟不同材质的燃烧特性,如挥发分释放、着火、火焰传播、烟气生成以及热释放速率(HRR)等。用户可以根据实际情况选择最适合的燃烧模型,并输入精确的材料属性参数,以获得高度准确的燃烧过程模拟。 烟气扩散与传播: 软件能够模拟火灾产生的烟气在建筑内部的流动、混合和扩散过程。它考虑了建筑物的几何形状、通风系统、人员活动以及门窗的开启状态等多种因素,精确预测烟气的温度、浓度、毒性以及可见度等参数在不同区域的变化。这对于评估人员的疏散时间和疏散路线的安全性至关重要。 热辐射与对流: 软件能够准确计算火灾产生的热辐射以及与空气的对流换热过程,预测建筑物构件的温度升高情况,从而评估其结构稳定性以及火灾荷载。这有助于识别潜在的结构失效风险,并为防火结构的设计提供依据。 2. 高度逼真的三维可视化: 为了直观地展示模拟结果,软件提供了一个强大且易用的三维可视化平台。 场景建模: 用户可以导入或创建建筑物的详细三维模型,包括墙体、楼板、楼梯、通风管道、家具陈设以及人员模型等。软件支持多种主流的CAD/BIM文件格式导入,大大简化了模型准备过程。 动态模拟演示: 模拟结果以动态的三维动画形式呈现,用户可以实时观察火灾的发生、烟气的蔓延、温度的变化以及人员的疏散过程。这种直观的展示方式,使得复杂的火灾过程变得易于理解,也便于向非专业人士解释火灾风险和安全措施的有效性。 结果分析与报告: 软件提供了一系列强大的后处理工具,用于分析和解读模拟结果。用户可以生成各种图表、数据表格以及等值线图,以量化评估火灾的各项关键参数。同时,软件支持生成详细的仿真报告,包含所有输入参数、模拟过程、结果分析以及安全评估结论,方便用户进行设计优化、性能验证以及提交审批。 3. 强大的参数化分析与优化能力: 软件的核心价值在于其能够支持对不同设计方案进行对比分析,从而优化火灾安全性能。 多场景模拟: 用户可以针对同一建筑设计,设置多种不同的火灾场景进行模拟。例如,模拟不同起火点、不同起火物质、不同火灾规模以及不同通风条件下的火灾情况。通过对比不同场景下的模拟结果,可以全面评估建筑物的整体火灾风险。 设计参数调整: 软件允许用户灵活调整建筑设计中的各种参数,例如防火分区的大小、疏散通道的宽度、排烟系统的设计参数、喷淋系统的覆盖范围等,并进行多次仿真以评估不同设计调整对火灾安全性能的影响。 性能化防火设计(PBD): 该软件是实现性能化防火设计(Performance-Based Design, PBD)的理想工具。PBD允许在满足特定性能目标的前提下,采取更灵活、更具经济性的设计方案,而不是简单套用指令性规范。通过仿真,可以证明设计方案能够满足预设的火灾安全性能目标,例如确保人员在规定时间内安全疏散,或限制火灾蔓延至关键区域。 4. 广泛的应用领域: 这款软件的应用范围覆盖了建筑火灾安全的各个方面: 高层建筑与超高层建筑: 模拟复杂结构的烟气垂直与水平扩散,评估逃生路径的可靠性。 地铁车站、机场、体育场馆等人员密集场所: 评估大空间、复杂疏散网络的火灾风险,优化疏散策略。 大型商业综合体、展览中心: 模拟火灾在大空间内的蔓延,评估防火分隔的有效性。 工业厂房、化工仓库: 模拟特定危险品火灾的发生与发展,评估风险等级。 历史建筑与文物保护: 评估火灾对珍贵文物的威胁,制定有效的防护措施。 既有建筑改造与消防安全评估: 评估改造后的火灾风险,识别潜在的安全隐患。 5. 提升设计效率与经济性: 通过精准的火灾仿真,可以避免在设计过程中出现因火灾安全考虑不周而导致的后期返工,节省了大量的修改成本和时间。同时,通过性能化设计,可以优化消防设施的配置,避免过度设计,从而降低建筑物的建设和运营成本。 软件的科学基础与技术实现 该软件的强大能力源于其背后坚实的科学理论和先进的技术实现。它基于以下核心科学原理: 质量守恒、动量守恒和能量守恒定律: 模拟的核心是求解这些守恒方程在三维空间和时间上的演化。 流体动力学(CFD): 烟气和空气的运动是通过求解纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)来模拟的,这涉及到复杂的湍流模型。 化学反应动力学: 燃烧过程被建模为一系列复杂的化学反应,包括燃料的分解、氧化以及产物的生成。 传热学: 模拟了热传导、对流和辐射等多种传热机制,精确预测温度场。 多相流模拟: 在某些情况下,需要考虑液态、固态物质以及气态之间的相互作用。 在技术实现层面,软件通常采用: 并行计算技术: 利用多核处理器和高性能计算集群,加速复杂的仿真计算。 网格生成技术: 将复杂的几何模型离散化为大量微小的网格单元,以便进行数值计算。 高效的求解器: 采用先进的数值求解算法,以保证计算的精度和速度。 用户友好的操作界面: 提供直观的建模、设置、运行和后处理界面,降低软件的使用门槛。 结论 建筑火灾仿真工程软件的出现,标志着建筑火灾安全设计进入了一个以科学计算和数据分析为核心的新时代。它不再是简单的规范符合性设计,而是能够基于对火灾过程的深入理解,实现性能化的、更具前瞻性的安全设计。通过这款软件,我们可以更早、更准确地识别火灾风险,优化设计方案,从而最大限度地保障建筑内人员的生命安全和财产的完整。对于任何致力于提升建筑火灾安全水平的专业人士而言,掌握和运用此类先进的仿真工具,已成为一项不可或缺的关键技能。它不仅是设计工具,更是对生命安全的有力承诺。