基于仿真模拟的港口火灾事件预防与分析方法

随着改革开放的深入推进，我国对外贸易发展迅速，港口成为国内外交流的大型集散地。近年来，我国航运事业货运量持续走高，货运种类与总量增加，一些燃料类、化工类物资易燃易爆，导致火灾几率提升。如何通过有效手段对港口火灾事故进行预判与分析，保障人员快速有效疏散，成为港口需要进行风险防控的重要内容之一。在港口火灾预防与分析领域，我国学者提倡基于 BIM 技术使用 Pyrosim 软件进行火灾烟气扩散发展过程进行模拟，使用Pathfinder 软件进行人员疏散的仿真模拟，提供消防人员进行港口火灾事故救援提供决策支持。

1 港口火灾事件软件建模

1.1 集装箱火灾事件建模

Pyrosim 是基于 FDS（Fire Dynamics Simulator）的火灾模拟软件，能够进行复杂的气体动力学和热传递分析。其功能包括火焰传播、烟气流动、温度分布、一氧化碳浓度和热辐射等。这使得其特别适合对集装箱火灾的动态行为进行深入研究。通过使用真实的材料特性（如热导率、比热容和燃烧特性）和环境条件（如风速、通风情况），可以提高模拟的准确性。此外，软件支持多种输入格式，便于整合实验数据和现场测量结果。与实际火灾实验相比，模拟所需的物理资源和时间显著减少。通过虚拟仿真，可以在不消耗材料和设备的情况下，快速评估不同设计方案的安全性，从而节省资金和时间。

本次仿真采用 PyroSim 软件，PyroSim 是面向消防工程和安全专家的一款高级工具，旨在简化火灾动力学模拟器（FDS）的操作流程。通过图形化的用户界面，使用户能够轻松构建复杂环境下的火灾情景，实现高精度的烟火传播模拟。这款软件不仅提供了直观的建模手段，还支持从建筑设计模型导入，便于快速搭建仿真场景。故以受限空间理论为基础，对典型集装箱码头的货物集装箱进行火灾模拟研究，建立集装箱FDS模型，通过设定不同的火灾场景，探究火源功率对集装箱火灾的燃烧过程及特殊燃烧行为的影响。对集装箱火灾救援及集装箱码头的消防管理提供理论指导。

散装粉状货集装箱是专门用于装载粉状货物的集装箱，如水泥、面粉等。典型集装箱主要分为两个型号：20ft 和 40ft 标准集装箱（如表 1），这种集装箱通常在顶部设有装货口，底部设有出货口，便于货物的装卸。

图 1 基于 PyroSim 软件的集装箱建模图

元胞空间是元胞在空间中分布的空间格点，为了便于在现有的计算机环境下进行火灾蔓延过程的展示，采用类似圆形的二维 Moore 正方形网格划分元胞空间。元胞空间网格大小根据 Hamada 提出的在一定风速下火蔓延的极限距离公式来确定，公式如下：

H=1.15×(5+0.5v)

式中， v 表示风速， (m/s):H 表示一定风速下火灾蔓延的极限距离， m 当风速为 0 时，火灾蔓延的极限距离是 5.75m , 如果元胞边长值大于 5.75m 不便于模拟火灾的真实蔓延情况，因此选取元胞边长 b=5m, 。模型元胞的状态代表当前时间该地理位置的相应网格的火势状态，将港口火灾模型元胞状态属性定义为 0、1、2 三种。其中 0 状态表示当前元胞所处地理位置存在不可燃烧的障碍物，且无法进行状态转换；1 状态为可燃烧而尚未燃烧，状态 1 可转换为状态 2;2 状态代表当前元胞正在燃烧，且具有点燃邻域中状态 1 元胞的能力。

1.2 人员疏散软件模拟

Pathfinder 是一款由 Thunderhead Engineering 公司研发的人员紧急疏散模拟软件，它通过计算机图形仿真技术，模拟人群在紧急情况下的疏散行为。软件能够考虑不同人群的特点，如年龄、性别、身体状况等，以及环境因素，如实验室、商场、地铁等场所的具体布局和结构。Pathfinder 能够帮助工程师和安全专家评估建筑物或交通工具的安全性，优化疏散策略，减少疏散时间，提高人员安全。建立一个简单的堆场，设置模型里面有30 个工人，堆场上下各设置一个紧急出口，模拟当火灾发生时，人员疏散的情况。

图 2 基于 Pathfinder 软件的人员疏散建模

2 工况模拟与方案设计

2.1 模拟工况设置

主要模拟不同开口方式下，不同火源功率的集装箱火灾燃烧特性，火源位置为集装箱左部，设定火源功率分别为 6.0MW、10MW、8MW、3MW、以及三个集装箱相叠的五种工况，观察其箱内温度变化，一氧化碳含量，热辐射变化，以及可见度分析。

在场模拟方法中 FDS 以网格作为最小计算单位，网格的大小决定了模型内部偏微分方程在空间上的精度，良好的网格划分能得到较准确的计算结果。 理论上，网格划分越细，计算结果越精确。 而一个计算模型通常有数十万甚至数百万的网格，以及成千上万个时间步长。因此，需要结合计算机的性能和对计算时间的控制，在模型精度和计算时间之间取平衡点。FDS 用户手册引入火源特征直径与单位网格的公称尺寸 Fx 的相对大小 ／ δx 来衡量网格质量的好坏， 越大表示丈量火源尺寸的网格数量越多，网格质量越好的计算公式如下所示。

Q 为热释放速率； P₀ 为环境空气密度； T_n 为环境温度； C_P 为定压比热； μ_g 表示重力加速 度，取 9.8 m ／ s FDS 用户手册中指出模型建立时，网格尺寸宜控制在 0.06 ～0.25 范围内，具体如表 2 所示。

表 2 基于 Pathfinder 软件的模型网格尺寸

设定网格尺寸为 0.2×0.2×0.2mm ，所 有工况中，火灾规模处于 0.625MW ～10.000MW之间，网格尺寸小于 0.25,因此，网格选取较为合理，能有效保证计算结果的精度及准确性。2.2 不同场景下的火灾情况

当火源功率为 10.0、8.0、3.0MW 时，将人体耐受温度设置为 20℃到 60℃，温度超过此值会对人体造成危害，按照高温出现、火势扩大、货物引燃并向箱门蔓延的顺序，仿真结果如表 3 所示。

表 3 不同火焰功率下火灾随时间变化情况

2.3 模拟结果

以得到该模拟效果显示危害半径都在 4m 左右，这是因为集装箱是一个密闭的环境，火灾产生的烟气和热量只能从箱门开口的方向发散，主要由于烟气和气流影响，火灾产生的烟气先到集装箱的顶部，一部分沉降，一部分再向箱门开口处流动，形成烟雨流，其中燃烧的粒子形成热对流，其中主要是烟气向上飘动影响热辐射和危害半径，因此在后续人员疏散模型，建立堆场模型，设置各个堆场的左右间距为 6m，堆场集装箱之间间距为 4m_⨀ 。模型中不同时间段内，两个紧急逃生出口的利用率、人员逃生速率、人员逃生距离如下图所示。

图 3 基于 pathfinderr 的仿真模拟结果

3 结论

随着计算能力的不断提升，火灾模拟软件（如 PyroSim 和 Pathfinder）的功能和性能将得到显著增强。这些软件将能够处理更为复杂的场景，模拟多种火灾发生的情境，包括不同类型的燃料、火势的发展和蔓延、以及环境条件的变化（如风速、湿度等）。同时，软件的计算效率将提高，使得模拟过程更加迅速，能够在较短的时间内生成高质量的结果。这种提升将使得仿真模拟不仅能涵盖更大范围的场景，还能提供更为细致和精确的细节分析，进而为港口堆场的火灾安全管理提供更强有力的技术支持。

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作者信息：夏泠锋 ，男 ，2004 年生，安徽合肥人，研究方向：交通运输。