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CFAST简介一、CFAST概述CFAST是由美国国家标准和技术研究所（NIST）的火灾研究中心开发的火灾模拟软件，是继HAZARDⅠ和FASTLite之后应用在火灾危险计算上的第二代软件，现在的最新版本是CFAST6.0.10。CFAST是一个多室火灾模拟程序，是根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律建立的。CFAST建立的火灾模型是建立在双区域模型理论基础之上的，着火房间被划分为两个控制体，即上部烟气层和下部的冷空气层。CFAST6.0的运行界面如图2所示，菜单栏中有通常使用的“FILE”（文件），“RUN”（运行），“TOOL”（工具），“VIEW”（查看）和“HELP”（帮助）五个菜单选项。文件菜单栏用来新建、打开和保存文件，运行菜单中可对火灾进行模拟和打开可视化程序（smokeview）的模拟结果，工具菜单中可以打开可燃物和传热的介质的编辑界面，设置各种物理量的单位，查看菜单可以查看输入文件和输出文件，帮助菜单提供对用户使用说明。该软件主要由simulationenvironment（环境参数模块）、compartmentgeometry（房间参数模块）、horizontalflowvents（水平通风模块）、verticalflowvents（垂直通风模块）、mechanicalflowvents（机械排烟模块）、fire（火源设定模块）、detection/suppression（喷头及火灾探测器模块）、targets（目标物模块）、surfaceconnection（房间交界面设定模块）等九个模块组成。通过确定各个模块中需要设定的参数值，描述火灾发生前的场景，然后就可对火灾进行模拟。模拟结果的所有输出文件都将与输入文件保存在同一个位置，通过文件菜单中的“SAVE”可将文件保存在设定的文档中，如果没有保存，在对火灾进行模拟时，软件会提醒你先将文件保存，然后才能进行模拟。CFAST模拟的输出文件包括五类型文件，分别是模拟文件的txt文档、电子表格excel逗号分隔值文件、模拟可视化文件（smokeview程序文件）、可视化的火灾场景autocad打印文件和二进制输出文件。电子表格是主要用来进行数据处理分析的文件，具体又包括四类文件，分别以n.csv、s.csv、f.csv、w.csv为后缀。其中，以n.csv为后缀的文件提供两类数据，一类是房间的基本参数，如上下烟气层的温度、烟气层的高度、体积、压强和两个默认的目标空间的相关数据，第二类是火焰的基本参数，包括可燃物的燃烧速率、热分解速度、热释放速率，火焰高度和热对流等；以s.csv后缀的文件提供各个房间内的气体成分如CO、CO2、O2、HCN等体积分数和烟气的能见度等参数；以f.csv后缀的文件存放的是在水平和垂直通风口和机械排烟的烟气流量等相关参数的数据；以w.csv后缀的文件保存的是房间的各个表面和模拟者自己设置的目标空间的温度、热通量等参数以及报警系统和灭火装置的动作情况的数据。二、CFAST应用通过模拟一所普通的小型民用住宅，讨论CFAST模拟使用，并对小型住宅的火灾危险性和轰燃的发生做一个简单的分析。住宅立体简图如图1所示：电视沙发窗户窗户门门阳台房间图1住宅立体简图这所民用住宅由一个房间和一个阳台组成，房间的尺寸为长4m，宽6m，高3m，有两扇门，一个通向室外，一个通向阳台，通向室外的门距左侧墙壁2m，通向阳台的门距左侧墙壁0.5m，尺寸大小都为宽1.2m，高2m；通向阳台有一扇窗户，下沿离地高度为1m，高2m，宽2m，与左边门的右侧相距0.3m；阳台的尺寸为长4m，宽2m，高3m，有对外的窗户，距地高度1m，高1.5m，从墙的左侧贯穿到右侧。该房屋中有两个常见的家具，一具沙发和一台电视，运用CFAST模拟沙发着火引发的室内火灾，描述发生火灾时室内温度分布情况和烟气的流动。1、火灾模拟场景设置⑴、首先打开CFAST，进入到CFAST界面的simulationenvironment（环境参数模块）界面中，如图2所示：图2环境参数模块界面在界面里，可以在title中填写名称对每次模拟进行标注；在simulations框架中对模拟时间，电子表格输出时间间隔，可视化输出时间间隔等进行设置；在ambientconditions框架对周围环境参数进行设置，包括室内室外的环境温度、压强、湿度和相对位置高度，室外风速等参数；在error窗口中，程序记录了模拟者所有的操作过程。本例中将模拟时间设置为1800s，电子表格输出时间间隔为30s，其他都采用默认值。图3模拟条件设置图4室内外环境初始状态参数设置⑵、点击compartmentgeometry，进入到房间参数设置模块，如图5所示：图5房间参数模块界面截图在这个模块中可以添加房间，建立着火空间，对房间的尺寸、材料、类型和横截面进行设置。本例中，点击Add，添加第一个房间，在compartmentname窗口中命名该房间为fangjian1，按照要求在geometry框架中输入房间的尺寸和坐标。在CFAST中，房间的位置坐标设置如图6所示，以房间的左下方靠前的位置点为坐标原点，第一个房间的坐标位置是（0，0，0），其它房间的位置就应该是左下方靠前墙角在第一个房间的坐标系中坐标值；在martial框架中，对房间的屋顶、地板和墙壁的材料进行设置，这里都将它们设置为常用的GypsumBoard(5/8in)（石膏板）；flowcharacteristic框架选择设房间的类型，normal表示正常的房间，即采用双区域理论的房间模型，shaft和corridor分别表示竖井和走廊式的房间，本例中选用默认值normal；Variablecross-sectionalarea框架用来设置房间的横截面随高度增加的变化情况，显然本例中不需要设置此项内容。图6房间坐标系分布同理，添加第二个房间——阳台，命名为yangtai，可以通过使用duplicate键对第一个添加的房间进行复制，在第一个房间的基础上进行修改。如果在其他设计中需要调换房间的位置或删除不需要的房间时，可以点击moveup或movedown来移动到上边或下边，或Remove键用来移除。对阳台的房间参数按照要求进行设置，显然阳台的位置坐标应该是（0，6，0），如图7所示：图7房间yangtai的尺寸和坐标⑶、点击horizontalflowvents，对房间水平通风口进行设置，包括通风口的位置、尺寸、开口情况等，界面图8所示：图8水平通风模块截面通风口的添加与房间参数模块相同，点击Add，进行添加。ventoffset表示通风口与在右下角face框中选定值对应的墙壁的偏移距离。前后墙上的水平通风口offset值是通风口的左端与左墙壁的距离，左右墙壁上的水平通风口offset值是通风口与前墙壁的最近距离。Face值指示通风口在墙壁的前后左右的哪侧墙，对应的英文值分别为front、rear、left、right。通风口的尺寸参数由sill、soffit和width来确定，sill表示通风口的下沿与地面的距离，soffit表示通风口的上沿与地表面的距离，width表示通风口的宽度。Initialopeningfraction、finalopeningfraction、changefractionat表示在起始时和结束时通风口的开口面积占通风口总面积的比例和从模拟开始算起开口面积变化的时间点。这个参数的设置在研究通风对室内火灾的影响和轰燃的发生有很重要的作用。本例中，按照要求，需要设置四个通风口，fangjian1需要设置一扇门通向室外，一扇门和一扇窗户通向阳台，yangtai需要设置一扇窗户通向室外。具体尺寸按照题目要求输入，室内的门窗的始末开口比例都设置为0.5，fangjian1通向室外的门的初始开口比例设置为0.01，在500s以后，设置为1，yangtai通向室外的门的开口比例保持为0.01。通过这样的设置来研究轰燃的出现。⑷、点击verticalflowvents，打开垂直通风口的设置模块，可对垂直通风口的位置、面积、形状和开口情况等进行设置，界面图9所示：图9垂直通风模块截面同水平通风口的添加相同，点击add来添加通风口，在topcompartment中选择通风口通向的上部空间，一般选择outside，bottomcompartment中选择通风口属于哪个房间。在cross-sectionalarea中填写通风口的面积，shape中选择通风口的形状，其中有两种形状可供选择——圆形和正方形，开口面积比例设置与水平通风口的设置相同。在本例中，在fangjian1中设置一个自然排烟口，平时也可当作天窗来使用。面积为1㎡，形状为正方形，始末开口比例都为0.01，表示关闭。⑸、点击fire，打开火源设定模块，可以在这一个窗口中给房间添加可燃物，对可燃物位置、着火方式以及属性进行设置，其界面如图10所示：图10火源设定模块截面同前面叙述的模块相同，点击add、duplicate和remove键可以添加、复制和移除可燃物。添加好可燃物后，在compartment中选择可燃物所在的房间，在positionx、positiony、positionz坐标系中填写可燃物底面中心点的位置坐标，确定可燃物的位置。需要说明的是每个可燃物的位置坐标都是相对以这个房间的左下方靠前的位置为原点的坐标，坐标系的分布与图5所示是相同的。在type中选择受限火焰，Plume中选择火焰类型，都是唯一可选的。Normalx、normaly、normalz用来描述可燃物外表面的法线方向，默认值（0，0，1）表示可燃物水平放置，面朝正上方。Ignitioncriteria用来描述可燃物的着火条件，有三种条件可供选择，分别是按照时间、着火温度和热通量来确定，选择其中的一种，在ignitionvalue中设置其值的大小。在fireobject中可以选择可燃物的类型，点击edit，可打开图11界面，可对可燃物的性质进行编辑。在该界面中添加移除可燃物，对可燃物的各种属性进行设置，包括几何尺寸、质量、摩尔质量、燃烧热等等。在本例中，在fangjian1中添加两个常用家具，一具沙发和一台电视，沙发位置坐标（2，3，0），电视的位置坐标为（3，5，0），沙发是火源，把电视的着火条件设置为heatflux（热通量），值设置为10KW/㎡，其他值都采用默认值。图11可燃物编辑界面本例中只对这几个窗口进行设置，其他的几个窗口分别用来设置机械排烟、报警和喷水系统、目标空间的监测和房间交界面的设定，本例中暂且不予考虑。在对火灾场景设置完之后，要先对文件进行保存，可以点击界面下的save键或者从file菜单栏中点击save，给工程命名为“cfast示例”，进行保存，这样输入文件和输出文件都按照相同的工程文件名沿指定的路径保存到文件夹中。点击界面中的run键，或者从run菜单栏中点击“modelsimulation，cfast”就可对房间的火灾场景进行模拟。模拟界面如图12所示图12运行界面2、模拟结果分析处理打开模拟结果保存的文件夹，可以从中找到所有的输入文件和输出文件。对数据结果的处理，主要通过对电子表格的四个文件的分析，研究房间内烟气流动特征、环境的温度变化、可燃物的燃烧情况等，以认识火灾发展过程。通过对数据的处理，做出烟气层和可燃物的相关参数曲线，研究火灾的发展。在此分别做出了烟气层高度、温度、火源热释放速率、烟气向室外流动速率随时间的变化曲线，如下图：00.511.522.533.5025050075010001250150017502000时间/s烟气层高度/m0100200300400500600025050075010001250150017502000时间/s烟气层温度/℃0200400600800100012001400160018000500100015002000时间/s热释放速率/kW沙发电视烟气向室外的流速00.511.522.50255075100125150175200时间/s流速kg/s