工程師的火災模擬/方法
已經出現了四種截然不同的火災模擬方法。這些方法都將火災視為一個本質上隨時間推移而演變的三維過程。
區域模型是最先成熟的，它們描述了隔間火災。每個隔間都被分成兩個空間上均勻的體積，一個熱的頂層和一個較冷的底層。對每個層施加質量和能量平衡，並根據需要附加其他模型來描述其他物理過程，這些過程被附加為微分方程或代數方程。此類現象的示例包括火羽流、透過門、窗戶和其他通風口的流動、輻射和對流傳熱以及固體燃料熱解。模型開發已發展到目前，已廣泛使用實現這些模型的已記錄和支援的軟體，例如火災和煙霧傳輸綜合模型 (CFAST)。
CFAST 是一種雙區火災模型，用於計算建築物隔間在火災期間煙霧、火災氣體和溫度的演變分佈。請訪問 [1] 以獲取更多資訊。
區域模型的相對物理和計算簡單性使其在火災情景分析中得到廣泛應用。只要不需要物理特性的詳細空間分佈，並且兩層描述合理地近似於現實，這些模型就非常可靠。然而，由於它們的本質，沒有辦法系統地改進它們。
計算能力的快速增長以及計算流體動力學 (CFD) 的相應成熟，導致了基於 CFD 的場模型的開發，並將其應用於火災研究問題。幾乎所有這些工作都是基於雷諾平均納維-斯托克斯方程 (RANS) 提供的概念框架。使用 CFD 模型可以描述複雜幾何形狀中的火災，以及結合各種物理現象。
然而，這些模型對於火災應用有一個根本的侷限性——模型方程根部的平均過程。
雷諾平均納維-斯托克斯 (RANS) 模型被開發為流體動力學守恆方程的時間平均近似值。雖然平均時間的精確性質沒有指定，但它顯然足夠長，需要引入大渦傳輸係數來描述未解析的質量、動量和能量通量。這是即使在解析度最高的火災模擬中，結果出現平滑的原因。最小可解析長度尺度由區域性速度和平均時間之積決定，而不是底層計算網格的空間解析度。
不幸的是，這種方法丟失了大多數火羽流特徵的大渦結構的演變，以及區域性瞬態事件的預測。有時有人認為，用於定義方程的平均過程是對同一實驗或假定情景的許多重複的集合平均。然而，對於火災研究來說，這是一個無關緊要的問題，因為實驗和現實情景都沒有按照方程解釋所需的意義重複進行。
將大渦模擬 (LES) 技術應用於火災旨在從在更精細網格上進行的火災模擬中提取更高的時空保真度，這得益於速度越來越快的計算機。
LES 指的是氣體燃料和燃燒產物與包圍火災的區域性大氣的湍流混合的描述。這個過程決定了大多數火災的燃燒速率並控制著煙霧和熱氣體的傳播，極難準確預測。這不僅在火災研究中如此，在幾乎所有涉及湍流流體運動的現象中都是如此。LES 技術背後的基本思想是，造成大部分混合的渦流足夠大，可以從流體動力學方程中以合理的精度計算出來。希望（最終必須透過與實驗進行比較來證明）是，小尺度渦流運動可以粗略地考慮或忽略。
第四種方法是直接數值模擬 (DNS)。DNS 是計算流體動力學中的一種模擬，其中在沒有任何湍流模型的情況下對納維-斯托克斯方程進行數值求解。這意味著必須在計算網格中解析湍流的整個空間和時間尺度。
即使在低雷諾數下，DNS 的計算成本也很高。對於大多數工業應用中遇到的雷諾數，DNS 所需的計算資源將超過目前最強大計算機的能力。