CN108733876A - 火灾演变仿真方法及包括其的火灾疏散综合仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火灾演变仿真方法，该方法包括以介观方法的格子玻尔兹曼方法为基础，针对地铁站内火灾特点融合相关理论方法，建立了二维火灾仿真模型，在格子玻尔兹曼方法基础模型中添加温度分布函数演化方程，构建双分布函数热格子方法模型，模拟流体中的热传递；采用大涡模拟法进行湍流模拟，引入亚格子模型，利用物理黏度和涡黏度重构模型中的松弛时间，构建格子玻尔兹曼亚格子模型；引入流体中障碍物的边界处理格式，模拟流体对于障碍物的绕流；通过涡限制方法求解计算，重现烟雾浓度扩散过程。该方法优化了火灾演变仿真，提高了仿真真实度、降低了仿真误差。本发明还公开了一种包括上述火灾演变仿真方法的火灾疏散综合仿真方法。
Description
技术领域
本发明涉及仿真建模技术领域，特别是涉及一种火灾演变仿真方法及包括其的火灾疏散综合仿真方法。
背景技术
地铁以低耗、安全、准点、高效等优势在我国得到了较快发展，地铁车站作为一个人员密集的公共场所，在庞大的客流压力下，火灾发生时的人员紧急疏散需要合理的规划，否则很可能造成重大的人员伤亡。
目前国内外对于地铁车站火灾中，人员疏散、火灾发展的仿真研究普遍是分开进行的，并未对这两个同时发生的过程进行综合仿真，且大部分研究更关注人员疏散的研究，体现在对人员疏散模型的完善和发展，较少考虑火灾的动力学演变研究。部分方法虽然同时考虑了这两者，但更多地通过两个独立仿真的结果进行分析总结。然而，将两个现实中同时进行且相互影响的过程割裂开来分析势必会对结果造成影响；这种方法不仅需要重复建模，并且更为严重的是不能体现火灾发展对行人决策的动态影响，无法反映行人躲避高温烟流的倾向，另外仿真步长不匹配也会导致结果的误差甚至错误。
现有技术一：2008年4月，清华大学沙云飞发表了题目为“人群疏散的微观仿真模型研究”的论文，论文中描述了利用采集的密集行人流视频分析行人的行为参数；然后以元胞自动机模型为基础，对网格进行精细划分，并引入基于势能场的邻域决策机制，从而建立了人员运动模型并予以实现，验证了可用性；建立了较为简单的火灾疏散场景，可以体现出人员在疏散过程中躲避火灾所在区域出现的绕行等，最终还统计出了健康、轻伤和重伤的人员。但是，该技术存在的缺点是：火灾影响的范围固定，并不随时间而变化或扩散，无法实现人员疏散与火灾演变的同步仿真。
现有技术二：《系统仿真学报》2008年10月，第20卷第20期，作者史健勇和任爱珠，发表的题目为“基于智能体的大型公共建筑人员火灾疏散模型研究”，其中，整合了人员疏散和火灾仿真模型，开发了AlEva软件，该软件包含空间环境模型和智能体决策模型两大块，空间环境模型包括地图布局信息以及火灾区域信息，以网格属性的方式来进行表示，行人采用智能体和规则推理来构建，方法主要考虑了行人路径的选择、人群密度对速度的影响以及冲突问题的解决。但是，该技术存在的缺点是：软件中的火灾信息是通过火灾仿真软件FDS仿真完成后导入实现，并未实现火灾演变与行人疏散的同步仿真。
综上，针对现有的火灾发生时地铁车站人员疏散仿真，所存在的主要问题如下：
1.人员疏散仿真与火灾烟流仿真结合不充分甚至相互独立。现有大部分仿真方法都是先通过专业软件仿真火灾烟流，然后利用仿真得到的数据导入疏散模型进行人员疏散仿真。这样操作不仅建模相互独立，工作量大，而且不能很好体现火灾对行人决策的动态影响，另外因为网格划分不一致或者步长不一致也会导致结果的误差甚至错误。
2.偏重于人员疏散模型的完善而忽略火灾烟雾扩散模型的构建。大多数的仿真方法都是从人员疏散模型的角度出发对既有模型进行完善和发展，对于烟雾扩散仿真数据，仅通过已有软件仿真得出，甚至采用固定位置固定范围来模拟火灾影响，不利于实质性地融合两种仿真。这也是导致大部分研究仅停留在人员疏散仿真和火灾烟流仿真独立进行阶段的根本原因。
发明内容
基于上述缺陷，本发明的目的在于提出一种火灾演变仿真方法，该方法针对地铁站内火灾特点融合相关理论方法，以介观方法中的格子玻尔兹曼方法(LBM，LatticeBoltzmann Method)为基础，建立了二维火灾仿真模型，完善火灾演变模型，优化了火灾演变仿真，提高了仿真真实度、降低了仿真误差。
本发明的另一目的在于，提供一种包括上述火灾演变仿真方法的火灾疏散综合仿真方法。
上述目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，本发明提供的一种火灾演变仿真方法，该方法包括以介观方法中的格子玻尔兹曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)为基础构建火灾演变模型，更好更真实的模拟火灾演变过程；
本发明所述火灾演变仿真方法中，构建火灾演变模型包括以下步骤：
在LBM基础模型中添加温度分布函数演化方程，构建双分布函数热格子方法模型，模拟流体中的热传递；
采用大涡模拟法进行湍流模拟，并引入亚格子模型，利用物理黏度和涡黏度重构模型中的松弛时间，构建格子Boltzmann亚格子模型；
引入流体中障碍物的边界处理格式，模拟流体对于障碍物的绕流；
通过涡限制方法求解计算，真实重现烟雾浓度扩散过程。
优选地，所述双分布函数热格子方法模型采用两个分布函数，分别模拟速度场和温度场，其中，所述速度场采用格子Boltzmann方法求解，所述温度场通过建立对流扩散方程，结合速度场求解时划分的网格，采用有限差分法进行求解。
优选地，在湍流模拟中，湍流场满足N-S方程(Navier-Stokes纳维-斯托克斯方程)，利用大涡模拟法进行求解的湍流场运动参量用大涡模拟量和亚格子涡(小涡)模拟量表示，其中，大涡通过N-S方程(Navier-Stokes纳维-斯托克斯方程)直接模拟，小涡通过近似模型来考虑。更优选地，在利用大涡模拟进行数值求解时，首先进行滤波，将小尺度涡通过滤波函数去除，从而分解出大尺度涡的运动方程。将N-S方程进行过滤得到连续方程和动量方程，在该方程组中存在描述小波影响的未知项构建方程，进行封闭求解。
优选地，模拟流体对于障碍物的绕流的物理模型可以看作一狭长通道，流体从通道入口流入，再从出口流出，由此计算模型在不同雷诺数(Re)流体作用下，流场内的流线、涡量分布情况，以及对应的升力系数和阻力系数等物理变量值。
本发明中，为模拟火灾中烟雾浓度的演化，本发明将烟雾浓度的演化假定仅与烟雾速度有关，通过联立格子Boltzmann方程求得的速度结合烟雾的浓度与速度方程两个方程，通过采用涡限制方法求解。
所述涡限制方法是把流体中的涡度看作是一个桨轮，使流场朝一个特定的方向旋转；由于数值耗散损失掉了这些涡度细节，因此需要构造相应的小规模细节进行调整，调整手段也是通过添加外力项实现。所述涡限制方法包括以下步骤：
首先，由当前速度场计算出流场涡度ω，见下式：
其中，上式中表示二维向量微分算子或Nabla算子，u表示速度向量。
然后，在得到流场涡度后，由式(0-2)得到标准化的漩涡位置向量N，N的方向是由低涡量浓度指向高涡量浓度。
其中，上式中表示涡度梯度。根据以上推导，作为外力项的桨轮力，即涡限制力Fcon采用式(0-3)计算得出。
Fcon＝εh(N×ω) (0-3)
上式中ε—用于控制涡限制力的大小；h—空间离散精度。
所述涡限制方法可以高效稳定地求解烟雾扩散的密度方程，可以避免采用半拉格朗日方法求解存在的大量数值耗散，导致一些小尺度涡消失太快，烟雾运动的真实感差的问题，具有良好的计算稳定性。
根据本发明的另一方面，本发明提供的一种包括所述火灾演变仿真方法的火灾疏散综合仿真方法，其特征在于，包括：
采用本发明所述的火灾演变仿真方法构建火灾演变模型；
建立人员疏散仿真模型；
根据建立的火灾演变模型和人员疏散仿真模型，借助面向对象编程语言C++实现理论模型，并将两种仿真程序充分融合到一个仿真系统中，实现人员疏散和火灾演变同时进行的综合仿真。
本发明中，建立人员疏散仿真模型是将智能体模型中的感官模型、心理模型及生理模型与社会力疏散模型进行结合得到。
优选地，建立人员疏散仿真模型主要包括：构建感知模块，感知烟雾浓度分布、火场温度等外界环境信息；引入恐慌因子，反映行人的心理状态；引入生理因子反映行人的生理状态；以及构建行为控制模块，根据环境信息采用有限状态机实现行为状态选择切换。人员疏散仿真模型通过所构建的模块之间协作，实现行人的疏散行为，具体包括以下步骤：先由感知模块感知环境信息，所述环境信息包括周围火场情况、人群密度情况以及火场温度高低等；接着行为控制模块根据环境信息进行行为状态选择切换，做出相应的反应；然后将反应反馈给智能体行人模型的自身调节系统，实现行人的生心理参数与行走参数的综合调整。
本发明，在进行两种模型融合时，需要进行空间特征处理，所述空间特征处理主要包括单位转换和空间转换。
优选地，所述单位转换包括以下步骤：在保证雷诺数(Re)相同的条件下，对真实物理系统P选择特征长度L0和特征时间t0进行无量纲化，得到无量纲系统D；然后，再对无量纲系统D选择空间步长δx和时间步长δt进行离散化，得到最终的离散系统LB，这样离散系统LB中各物理量的单位即为格子单位。
优选地，所述空间转换通过局部遍历算法实现。所述空间转换通过以下步骤实现：
S1、映射行人i所处位置到离散系统，找出距行人i最近的格点坐标；
S2、由长度参考量离散行人i的视距，求出行人i的格子视距；
S3、依据格点坐标和格子视距，求出行人i附近处于视距范围内的格点集；
S4、行人i遍历格点集中所有点，找出位于自身视域范围内的格点坐标，并存储格点编号；
S5、读取视域内格点的信息，并进行计算处理。
有益效果：
(1)本发明基于LBM进行火灾演变模拟的研究，LBM作为一种求解流体动力学问题的介观方法，结构清晰，逻辑性强，程序实现较为简明，并针对地铁站内火灾特点融合相关理论方法以完善模型，建立了二维火灾演变仿真模型，优化火灾演变仿真，提高了仿真真实度、降低了仿真误差，在地铁火灾仿真领域具有创新性。
(2)本发明实现了人员疏散与火灾演变仿真的实质性融合，本发明通过将两种模型集成，实现数据传递在程序内部交流，保证两种模型数据的转换传递；同时采用可视化界面能够更好地展示行人与火灾烟流演变在疏散过程中交互作用的场景，实现人员疏散与火灾演变的综合仿真，最终能够实现人员疏散和火灾演变仿真过程的可视化效果，并能统计出疏散人员在逃生过程中因火灾烟雾导致的疏散人员生理状态以及心理状态的变化情况。在火灾演变和人员疏散协同仿真研究方面具有创新性。
附图说明
图1是本发明火灾演变模型中的模拟障碍物的物理模型结构示意图；
图2是本发明综合仿真的单位转换步骤的示意图；
图3是本发明综合仿真的空间转换局部遍历算法示意图；
图4是本发明实施例1中二维计算模型的示意图；
图5是本发明实施例1中不同时刻站台层等温图；
图6是本发明实施例1中仿真与实验的温度随时间变化对比图；
图7是本发明实施例2中站台平面图；
图8是本发明实施例2的行人仿真模型图；
图9是本发明实施例2中行人没遇到高温烟雾时疏散示意图；
图10是本发明实施例2中行人遇到高温烟雾时躲避高温疏散示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述：
本发明提供的一种火灾演变仿真方法，该方法包括以介观方法中的格子玻尔兹曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)为基础构建火灾演变模型，更好更真实的模拟火灾演变过程；
本发明所述火灾演变仿真方法中，构建火灾演变模型包括以下步骤：
在LBM基础模型中添加温度分布函数演化方程，构建双分布函数热格子方法模型，模拟流体中的热传递；
采用大涡模拟法进行湍流模拟，并引入亚格子模型，利用物理黏度和涡黏度重构模型中的松弛时间，构建格子Boltzmann亚格子模型；
引入流体中障碍物的边界处理格式，模拟流体对于障碍物的绕流；
通过涡限制方法求解计算，真实重现烟雾浓度扩散过程。
本发明中，双分布函数热格子方法模型的基本思想是对于可忽略粘性热耗散和可压缩功的传热流体，温度就可以看作是一个随流体运动的被动标量。双分布函数热格子方法模型是将格子Boltzmann方法与其他数值模拟方法结合使用的模型，该模型具有良好的数值稳定性，并且格子结构简单，模拟温度范围较宽。本发明所使用的数值模拟方法为双分布函数模型，其采用两个分布函数，分别模拟速度场和温度场，其中，所述速度场采用格子Boltzmann方法求解，所述温度场通过建立对流扩散方程，结合速度场求解时划分的网格，采用有限差分法等其他数值方法进行求解。
在湍流模拟中，湍流场满足N-S方程(Navier-Stokes纳维-斯托克斯方程)，利用大涡模拟法进行求解的湍流场运动参量用大涡模拟量和亚格子涡(小涡)模拟量表示，其中，大涡通过N-S方程(Navier-Stokes纳维-斯托克斯方程)直接模拟，小涡通过近似模型来考虑。更优选地，在利用大涡模拟进行数值求解时，首先进行滤波，将小尺度涡通过滤波函数去除，从而分解出大尺度涡的运动方程。将N-S方程进行过滤得到连续方程和动量方程，在该方程组中存在描述小波影响的未知项构建方程，进行封闭求解。
模拟障碍物绕流的物理模型可以看作一狭长通道，通道内，y轴方向近中心位置处设置一个圆柱体作为障碍物；通道x轴一端是入口，另一端是出口，流体从通道入口流入，再从出口流出，由此计算模型在不同雷诺数(Re)流体作用下，流场内的流线、涡量分布情况，以及对应的升力系数和阻力系数等物理变量值。进一步地，物理模型中圆柱体的直径为D，位于y轴中心位置处，直径D可以根据需要选择不同的数值，通道的长度为20D，通道的宽度为8D，圆柱体的中心到通道入口端的距离5.5D。圆柱绕流物理模型如图1所示。
为模拟火灾中烟雾浓度的演化，本发明将烟雾浓度的演化假定仅与烟雾速度有关，通过联立格子Boltzmann方程求得的速度结合烟雾的浓度与速度方程两个方程，通过采用涡限制方法求解。
所述涡限制方法是把流体中的涡度看作是一个桨轮，使流场朝一个特定的方向旋转；由于数值耗散损失掉了这些涡度细节，因此需要构造相应的小规模细节进行调整，调整手段也是通过添加外力项实现。所述涡限制方法包括以下步骤：
首先，由当前速度场计算出流场涡度ω，见下式：
其中，上式中表示二维向量微分算子或Nabla算子，u表示速度向量。
然后，在得到流场涡度后，由式(0-2)得到标准化的漩涡位置向量N，N的方向是由低涡量浓度指向高涡量浓度。
上式中表示涡度梯度。根据以上推导，作为外力项的桨轮力，即涡限制力Fcon采用式(0-3)计算得出。
Fcon＝εh(N×ω) (0-3)
上式中ε—用于控制涡限制力的大小；h—空间离散精度。
所述涡限制方法可以高效稳定地求解烟雾扩散的密度方程，可以避免采用半拉格朗日方法求解存在的大量数值耗散，导致一些小尺度涡消失太快，烟雾运动的真实感差的问题，具有良好的计算稳定性。
本发明提供的一种包括所述火灾演变仿真方法的火灾疏散综合仿真方法，其特征在于，包括：
采用本发明所述的火灾演变仿真方法构建火灾演变模型；
建立人员疏散仿真模型；
根据建立的火灾演变模型和人员疏散仿真模型，借助面向对象编程语言C++实现理论模型，并将两种仿真程序充分融合到一个仿真系统中，实现人员疏散和火灾演变同时进行的综合仿真。
本发明在连续空间多智能体行人仿真模型的基础上，构建整合以介观格子Boltzmann方法模型为基础的火灾演变模型，集成可用于人员疏散与火灾演变同时进行的综合仿真模型，并借助面向对象编程语言C++，实现该仿真工具进行地铁车站的仿真模拟。
从方法论的角度来看，火灾烟流扩散的仿真方法可以分为宏观方法、介观方法和微观方法三类。其中，介观方法是将流体离散成一系列的流体微团，这些微团要比分子级别大，但在宏观上又非常小，通过对应的微团状态演变函数来模拟流体的运动。介观方法的空间尺度和时间尺度大于微观方法，不存在微观方法中的模拟程序复杂、计算量大，对计算机配置要求较高等问题，能模拟空间尺度较大时间较长的系统；同时，没有宏观方法的连续性假设，可以更好地模拟大部分流体的运动状态。常见的介观方法有格子气自动机、格子Boltzmann方法(LBM)等。本发明中，采用介观方法中的LBM进行火灾演变仿真，具有物理意义清晰、边界条件简单、程序易于实施等特点，针对地铁站内火灾特点融合相关理论方法以完善模型，建立了二维火灾演变仿真模型，优化火灾演变仿真。
建立人员疏散仿真模型是将智能体模型中的感官模型、心理模型及生理模型与社会力疏散模型进行结合得到。
紧急状态人员疏散具有临时性和突发性，因此在疏散空间瓶颈处很容易出现高密度拥挤状态，此时行人行为受相互间接触作用的影响，采用以作用力驱动为基础的分子动力学模型来构建行人模型更能反映实际。同时，在火灾条件下，行人与环境的互动更为显著和即时，智能体行人模型仿真可以得到较好应用。本发明在已有的智能体行人模型的基础上，设计智能体在火灾环境下的交互行为，构建紧急状况下具有生心理属性信息的智能体行人模型。
建立人员疏散仿真模型主要包括：构建感知模块，感知烟雾浓度分布、火场温度等外界环境信息；引入恐慌因子，反映行人的心理状态；引入生理因子反映行人的生理状态；以及构建行为控制模块，根据环境信息采用有限状态机实现行为状态选择切换，根据不同情况来切换至对应的行为，同时也可辅助以规则策略来表达行人的行走行为。
人员疏散仿真模型通过所构建的模块之间协作，实现行人的疏散行为，具体包括以下步骤：先由感知模块感知环境信息，所述环境信息包括周围火场情况、人群密度情况以及火场温度高低等；接着行为控制模块根据环境信息进行行为状态选择切换，做出相应的反应；然后将反应反馈给智能体行人模型的自身调节系统，实现行人的生心理参数与行走参数的综合调整，如恐惧导致的加速、生理状况下降导致的速度降低、高密度人群中行走速度的降低等。
本发明综合仿真的实现是根据以上建立的行人疏散模型和火灾演变模型，借助面向对象编程语言C++实现理论模型，再将两种模型仿真程序融合到一个仿真系统中。本发明两种模型在建模思路上存在一定差异，火灾演变模型属于离散空间模型，行人疏散模型属于连续空间模型，在进行两种模型融合时，需要进行空间特征处理，空间特征处理主要包括单位转换和空间转换。
(一)单位转换
在LBM格子化建模过程中，主要涉及两个系统：真实物理系统P和离散系统LB；为了便于理解，通常会引入无量纲系统D作为中间系统进行转换。对于不可压N-S方程组来讲，三个系统只要保证雷诺数(Re)一样，就可以能够获得相同的解。
本发明，在保证雷诺数(Re)相同的条件下，对真实物理系统P选择特征长度L0和特征时间t0进行无量纲化，得到无量纲系统D；然后，再对无量纲系统D选择空间步长δx和时间步长δt进行离散化，得到最终的离散系统LB，这样离散系统LB中各物理量的单位即为格子单位。转换步骤如图2所示。
(二)空间转换
本发明为了降低计算复杂度，设计了局部遍历算法予以实现。该算法的核心思想如图3所示，实现步骤如下：
S1、映射行人i所处位置到离散系统，找出距行人i最近的格点坐标(Px,Py)，如图中的圆点；
S2、由长度参考量离散行人i的视距，求出行人i的格子视距GV；
S3、依据格点坐标和格子视距，求出行人i附近处于视距范围内的格点集，如图中的方点；
S4、行人i遍历格点集中所有点，找出位于自身视域范围内的格点坐标，并存储格点编号；
S5、读取视域内格点的信息，并进行计算处理。
本发明按照该局部遍历算法进行计算，可将疏散人员需要遍历判别的格点限制在自身位置范围内，计算效率较高，更好地实现了两个模型数据的传递交流。
本发明综合仿真实现将两种模型集成实现数据传递在程序内部交流，保证两种模型数据的转换传递；同时采用可视化界面能够更好地展示行人与火灾烟流演变在疏散过程中交互作用的场景，实现人员疏散与火灾演变的综合仿真。最终能够实现人员疏散和火灾演变仿真过程的可视化效果；并能统计出疏散人员在逃生过程中因火灾烟雾导致的疏散人员生理状态以及心理状态的变化情况。
实施例1
火灾演变仿真案例：
根据以上实验模型，建立二维格子Boltzmann模型，如图4所示，得到的模型参数信息见表1。转换后格子Boltzmann模型系统温度TL、时间tL，与缩尺模型系统温度Tm、时间tm的关系见式(1-1)。根据火源功率曲线，火源的温度按照式(1-2)关系输入。
表1计算模型信息
TL＝Tm，tL＝2500tm (1-1)
T＝3.39e-5t3-0.0102t2+1.12t+21 t∈[0,150] (1-2)
火灾演变一般经历发展、稳定和衰减三个阶段，本文仅分析发展阶段；为表达清晰，以下参量单位均采用全尺寸系统单位描述。依据消防安全疏散中关于烟层临界危险高度的定义，进一步分析烟层临界危险高度处温度的变化情况。本实施例系统的危险高度为2m，因此提取火源正上方以及火源左侧12m上方，高度2m处的温度数据，绘制温度随时间的变化关系图，其中，不同时刻站台层等温图如图5所示，仿真与实验的温度随时间变化对比图，对比图如图6所示。
通过对比分析，可以看出，火源正上方的温度较高，且仿真所得的温度变化与实验结果在误差允许范围内吻合较好，在火源发展结束时刻，即475s时仿真温度为73℃，实验温度为73℃。
距离火源水平距离12m处危险高度点的温度，随着时间的推移虽然呈现出仿真结果与实验结果呈现出差异，但是发展趋势基本相同，而且分析可知，差异主要是由于实验是在三维空间中进行，并且赋予了不同的边界条件，比如开启站台排烟系统、存在楼扶梯接口等，使得烟雾自然扩散受到一定影响，距离火源较远的地方温度下降较快；而该实施例模型是从二维层面实现的，并且没有考虑复杂的边界条件，烟雾的运动是自然扩散的结果。
实施例2
综合仿真方法案例：
北京地铁9号线七里庄站站台为地下二层车站，站台为岛式站台，平面图如图7所示。站台有效长度为118m，去除两侧设备用房部分，可供乘客自由活动的站台长度为106m，屏蔽门之间站台有效宽度11.2m；另外，在站台上分布着两部自动扶梯和两部步梯，站台左侧有通风风道夹层。
去除对仿真结果影响较小的站台结构，对实际站台布局进行简化；另外，为加快程序计算速度，本实施例仅建立站台中心线左侧部分进行计算，由此，建立模型如图8所示。本实施例模型假定站台起火位置位于1号扶梯后部，如图中方框区域所示。火源温度取常数200℃，环境温度取常数20℃。疏散人员位于火源左侧，图中圆圈表示行人；疏散出口为1号扶梯前部即1号扶梯口右侧。火灾扩散过程中，假设站台左侧的通风系统仍然开启，同时站台两侧屏蔽门开启，并启动隧道排烟系统排烟。
对模型初始化以后，每个行人按照最短距离原则规划出自身的最优逃生路径，图8中线条所示。疏散人员会按照该路线进行疏散，但是在遇到高温火焰区域时就会临时调整疏散方向以躲避高温区域。
对模型进行计算，分析可视化仿真结果可以看出，当疏散人员没有遇到高温烟雾时均按照规划路径进行疏散，如图9所示。但是当人员接近高温烟雾时，开始根据对偏离规划疏散路径，寻找低温区域进行疏散逃生，疏散路径如图10所示；然而，当到达出口附近，发现需要穿过高温烟雾区才能到达出口时，就直接穿过烟雾区向出口处疏散。
同时，对于可视化输出的火灾烟雾扩散仿真结果分析，可以看出高温烟雾在通风系统的作用下，遇到障碍物以后开始出现湍流流动，出现流动漩涡，与真实情况较为符合。
另外，对于输出的行人疏散过程中的心理状态和生理状态变化情况进行分析，绘制心理因子和生理因子时程曲线。从心理因子变化曲线图可以得出大部分疏散人员都能及时躲开高温烟雾，因此，在开始疏散过程中只有最前面的一个人遇到了高温烟雾，导致该人员的心理开始恐慌，但是随着他冲出烟雾区后心理因子又恢复正常。疏散人员快到出口时，需要穿过烟雾区到达出口，因此逃生人员依次开始穿过烟雾区，此时的心理波动表现的尤为明显。关于生理因子的变化，由于疏散人员身处火场环境中，生理因子随着时间会呈下降趋势；当疏散人员遇到高温烟雾时，下降较为明显。
Claims (10)
1.一种火灾演变仿真方法，其特征在于，该方法以介观方法中的格子玻尔兹曼方法为基础构建火灾演变模型，包括以下步骤：
在格子玻尔兹曼方法基础模型中添加温度分布函数演化方程，构建双分布函数热格子方法模型，模拟流体中的热传递；
采用大涡模拟法进行湍流模拟，并引入亚格子模型，利用物理黏度和涡黏度重构模型中的松弛时间，构建格子玻尔兹曼亚格子模型；
引入流体中障碍物的边界处理格式，模拟流体对于障碍物的绕流；
通过涡限制方法求解计算，重现烟雾浓度扩散过程。
2.如权利要求1所述的火灾演变仿真方法，其特征在于，所述双分布函数热格子方法模型采用两个分布函数，分别模拟速度场和温度场，其中，所述速度场采用格子玻尔兹曼方法求解，所述温度场通过建立对流扩散方程，结合速度场求解时划分的网格，采用有限差分法进行求解。
3.如权利要求1所述的火灾演变仿真方法，其特征在于，在湍流模拟中，湍流场满足纳维-斯托克斯方程，利用大涡模拟法进行求解的湍流场运动参量用大涡模拟量和亚格子涡模拟量表示，其中，大涡通过纳维-斯托克斯方程直接模拟，小涡通过近似模型来考虑。
4.如权利要求3所述的火灾演变仿真方法，其特征在于，在利用大涡模拟进行数值求解时，首先进行滤波，将小尺度涡通过滤波函数去除，从而分解出大尺度涡的运动方程，将纳维-斯托克斯方程进行过滤得到连续方程和动量方程，在该方程组中存在描述小波影响的未知项构建方程，进行封闭求解。
5.如权利要求1所述的火灾演变仿真方法，其特征在于，为模拟火灾中烟雾浓度的演化，将烟雾浓度的演化假定仅与烟雾速度有关，通过联立格子玻尔兹曼方程求得的速度结合烟雾的浓度与速度方程两个方程，通过采用所述涡限制方法求解。
6.如权利要求4所述的火灾演变仿真方法，其特征在于，所述涡限制方法包括以下步骤：
首先，由当前速度场计算出流场涡度ω，计算公式：ω＝▽×u，
然后，在得到流场涡度后，由如下公式得到标准化的漩涡位置向量N，N的方向是由低涡量浓度指向高涡量浓度，
η＝|ω|
根据以上推导，作为外力项的桨轮力，即涡限制力Fcon采用如下公式计算得出，
Fcon＝εh(N×ω)
其中，式中ε为用于控制涡限制力的大小，h为空间离散精度。
7.一种火灾疏散综合仿真方法，其特征在于，包括：
采用权利要求1所述的火灾演变仿真方法构建火灾演变模型；
建立人员疏散仿真模型；
根据建立的火灾演变模型和人员疏散仿真模型，借助面向对象编程语言C++实现理论模型，并将两种仿真程序充分融合到一个仿真系统中，实现人员疏散和火灾演变同时进行的综合仿真。
8.如权利要求7所述的火灾疏散综合仿真方法，其特征在于，在进行两种模型融合时，进行空间特征处理，所述空间特征处理包括单位转换和空间转换。
9.如权利要求8所述的火灾疏散综合仿真方法，其特征在于，所述单位转换包括以下步骤：
在保证雷诺数相同的条件下，对真实物理系统选择特征长度和特征时间进行无量纲化，得到无量纲系统；
然后，再对无量纲系统选择空间步长和时间步长进行离散化，得到最终的离散系统，这样离散系统中各物理量的单位即为格子单位。
10.如权利要求8所述的火灾疏散综合仿真方法，其特征在于，所述空间转换通过局部遍历算法实现，包括以下步骤：
S1、映射行人所处位置到离散系统，找出距行人最近的格点坐标；
S2、由长度参考量离散行人的视距，求出行人的格子视距；
S3、依据格点坐标和格子视距，求出行人附近处于视距范围内的格点集；
S4、行人遍历格点集中所有点，找出位于自身视域范围内的格点坐标，并存储格点编号；
S5、读取视域内格点的信息，并进行计算处理。
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