数值模拟在我国火灾研究中的应用

濮 凡 李 杰,2 李贤斌

（1.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306；2.上海海事大学 安全科技趋势研究中心，上海 201306）

0 引言

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧现象，一旦发生火灾事故，往往会对人员生命以及财产造成巨大威胁。近年来，我国火灾事故发生起数仍然突出，事故损失严重。据统计，2013～2016年，我国年均发生火灾事故36万起[1]。2018年，我国因火灾事故死亡1407人，受伤798人，已统计直接财产损失达到36.75亿元。2019年3月30日，四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村发生森林火灾，截至4月2日木里县山火的过火面积约达20公顷，至4月5日火场才基本被控制，在灭火过程中30名救火英雄牺牲。

火灾发生和发展中的规律主要分为随机性和确定性两种。研究随机规律的手段主要是以大量历史火灾统计数据为基础，应用数理统计方法对火灾的随机性特点进行归纳总结；而研究火灾中确定性规律则主要依靠理论分析和模拟研究两种方法，其中模拟研究又分为实验模拟和计算机数值模拟[2]。火灾数值模拟以描述火灾过程的数学模型为基础，对火灾的发生发展、烟气的蔓延、温度的上升等过程进行模拟。与实验研究相比，计算机数值模拟方法具有成本低、速度快、效率高、可模拟理想条件等优点，在火灾科学领域得到了广泛的应用。

随着计算机技术的发展以及火灾模拟软件的不断完善，数值模拟已经被广泛地应用于安全科学的研究当中。据李杰[3]等研究分析，数值模拟已经成为安全科学与工程硕博学位论文中最为基础和广泛的研究方法之一，被大量的应用于火灾和煤矿等安全工程领域。在以往的对火灾数值模拟的关注中，大量学者就具体问题使用火灾模拟的分析进行了大量实践工作。例如，在我国火灾的数值模拟研究中，张锁春[4]在1992年首次通过计算机数值模拟方法研究了火灾对城市建筑的烧毁情况；1994年，戚宜欣[5]使用编制的计算机程序TEMC，建立了描述矿井火灾烟流流动的微分方程组及求解此方程组的差分方程组，对SIMPLE算法进行了改进, 提出了全断面压力校正方法。2000年，随着FDS第一版发布，谢晓刚[6]于2003年首次对FDS中特殊建筑如弧形墙、倾斜墙及其墙上开口的边界给出了合理的定义。此后随着火灾模拟软件的不断更新和完善，以及更多新的模拟软件的产生，数值模拟方法被更多地应用到了火灾模拟当中，2012年，方伟[7]对FDS在隧道中的建模方式进行了研究。2017年，刘志刚[8]利用Fluent软件模拟了高层建筑单层消防排烟方式对火灾发生时温度以及烟气分布的影响。

为进一步研究数值模拟方法在火灾研究中的应用概况，本文将采用科学知识图谱的方法对我国以火灾数值模拟为主题的期刊文献进行分析。

1 数据与方法

《中国学术期刊（网络版）》是世界上最大的连续动态更新的中国学术期刊全文数据库，以学术、技术、政策指导、高等科普及教育类期刊为主，内容覆盖自然科学、工程技术、农业、哲学、医学、人文社会科学等多个领域。收录国内学术期刊8千种，全文文献总量5400万篇。在其中以主题包含“数值模拟”和“火灾”两个关键词进行检索，时间设置为1992年至今，数据来源设置为期刊文献，共得到1992年至今的火灾数值模拟主题的期刊文献1265篇。

本文将使用CiteSpace可视化分析软件对取得的火灾数值模拟文献数据进行分析。CiteSpace是一款着眼于分析科学文献中蕴含的潜在知识，并在科学计量学、数据和信息可视化背景下逐渐发展起来的一款多元、分时、动态的引文可视化分析软件[9]，这种通过可视化手段来呈现科学知识结构、规律和分布情况的分析得到的可视化图形也被称为“科学知识图谱”。近些年随着可视化分析方法的普及，CiteSpace也在学者的综述研究中得到了更广泛的应用。李杰等曾将科学知识图谱应用于研究安全疏散[10]、建筑火灾研究现状[11]等问题，并在2019年以中文社会科学引文索引（CSSCI）中收录的653篇科学知识图谱文献作为研究样本，通过CiteSpace等相关工具对社会科学领域知识图谱的应用趋势、高频施引与被引期刊、作者、研究热点的演化以及知识基础进行分析。结果显示，自知识图谱方法被引入到我国以来，在社会科学领域的应用亦增长迅速[12]。

2 研究结果

2.1 产出趋势分析

本文统计了CNKI数据库中1992～2019年（2019年的数据截止到4月份）以火灾数值模拟为主题的期刊文献年度数量与累积数量，结果如图1。由图1可见，1992～2002年期间，以火灾数值模拟为主题的文献发表数量均不足10篇，结合我国计算机普及历史[13]不难发现，在20世纪80年代，我国首次展开全国性的计算机普及，当时计算机学习的重点是高级计算机语言，20世纪90年代，随着Office等软件问世，我国第二次计算机普及的重点转变为办公软件的使用。因此2000年以前，火灾数值模拟类文献发表较少，内容多以模型计算为主；而到21世纪，随着计算机行业的不断发展，以及以FDS为代表的数值模拟软件开发成熟，火灾数值模拟开始呈现高速发展趋势。2003年开始，年度发表文献数量逐年快速增长，2010年已突破80篇，并在2015年达到峰值124篇，此后虽然文献发表数量有小幅度减少，但每年仍保持在100篇以上，表明数值模拟方法在经过多年的高速发展之后，仍不断被应用于新的火灾问题研究当中。

图1 1992～2019年火灾数值模拟文献数量与时间分布Fig.1 Number and time distribution of fire numerical simulation literature from 1992 to 2019

图2 火灾数值模拟研究机构合作网络Fig.2 Institutions' cooperation network of fire numerical simulation research

2.2 机构合作网络

为研究各火灾研究机构对于数值模拟方法的应用，利用CiteSpace对1992～2019年的1265篇火灾数值模拟文献进行机构合作网络分析，选择网络大小排名前10的子网络重点分析，合作网络，如图2。由图2可知，以中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室为核心的合作网络最大，共发表文献71篇，占到文献数据总数的5.6%。火灾科学国家重点实验室依托中国科学技术大学，利用世界银行贷款和国内配套投资兴建的我国火灾科学基础研究领域唯一的国家级研究机构，拥有大空间建筑火灾实验厅和室外试验场，以及建筑火灾、森林火灾、工业火灾、火灾化学、光电技术、计算机模拟与理论分析等6个研究室，代表了国内火灾研究的顶尖水平，其应用数值模拟所进行的火灾研究也涵盖了各个方向，研究对象包括高层建筑、隧道、地铁、密闭空间、大空间等，凭借优越的科研条件，在这71篇文献中，有15篇还进行了实体实验或缩小尺寸实验与数值模拟结果相互验证，其他未进行实验的文献多是以某实际火灾为背景或以地铁、建筑等作为研究对象。可见数值模拟可以应用于解决许多无法通过实验研究的问题，然而在具备科研条件的情况下，进行火灾数值模拟的同时进行实体实验或缩小比例实验则可提高数值模拟结果的说法力。网络大小排名第二的是以中国矿业大学安全工程学院为核心的合作网络，共发表文献47篇，并与火灾科学国家重点实验室有一定数量的合作[14]，中国矿业大学安全工程学院关于火灾数值模拟以应用性研究为主，如人员疏散、烟气控制等问题，理论研究相对较少。其他排名靠前的合作网络，见表1。

表1 1992～2019年国内火灾数值模拟文献发表数量前10名机构Tab.1 The top 10 organizations published the most papers of domestic fire numerical simulations from 1992 to 2019(Institution)

图3 火灾数值模拟研究作者合作网络Fig.3 Authors' collaboration network of fire numerical simulation

2.3 作者合作网络

为进一步研究学者在火灾研究过程中对于数值模拟方法的应用，利用CiteSpace对1992～2019年的1265篇火灾数值模拟文献进行作者合作网络分析，选择网络大小排名前10的重点分析，网络如图3。在所有学者中，朱国庆发表火灾数值模拟的文献数量最多，达到22篇， 2007年朱国庆分别以大空间卷烟制丝车间[15]和含天井的高层建筑[16]为研究对象，使用FDS数值模拟方法研究了烟气流动以及烟气控制等问题，此后发表的文献中对数值模拟的应用逐渐转变为疏散方向[17]，并且使用了如Pathfinder，EVAC等软件与FDS相结合；学者周汝发表火灾数值模拟相关文献也达到16篇，前期研究方向主要为烟气扩散[18]以及烟气控制[19]，近年研究方向转为细水雾灭火[20]，细水幕[21]等前沿问题；其他发表文献较多的作者中，李炎峰主要使用数值模拟方法研究地下结构火灾烟气[22]问题，徐志胜则主要以隧道为研究对象[23]，发表火灾数值模拟文献数量排名前十的学者，见表2。各位学者对数值模拟方法的应用对象各不相同，解决的问题包括应用性的如烟气蔓延、火灾疏散，以及理论性的如温度场、临界风速等。可以看出，数值模拟在火灾研究中的应用之广泛，且功能强大，适用于各种场景，各种问题。

表2 1992～2019年国内火灾数值模拟论文发表数量前10名学者Tab.2 Top 10 productive authors of fire numerical simulation in China from 1992 to 2019

图4 火灾数值模拟研究关键词共现网络Fig.4 Co-keyword network of fire numerical simulation research

2.4 关键词共现网络

词频分析方法就是在文献信息中提取能够表达文献核心内容的关键词或主题词频次的高低分布，来研究该领域发展动向和研究热点的方法[9]，而文献中作者提炼出的关键词是能够反映文章内容的，值得信赖的指标。利用CiteSpace对1265篇火灾数值模拟期刊文献进行关键词共现网络分析，Node Types选择Keywords，选择每个时间切片top100的关键词，得到关键词共现网络，如图4，图中标签越大，表明关键词出现频次越高。

一个领域作者给出的高频关键词反映了所关注领域的热点研究。由图4可见，“数值模拟”和“火灾”作为本文研究文献的检索词，词频排名前两位。其他词频排名靠前的关键词包括“隧道”、“FDS数值模拟”、“温度场”、“烟气流动”、“排烟”、“地铁火灾”、“建筑火灾”、“人员疏散”等高频词则代表了研究的热点。对排名靠前的关键词进行分类，以研究对象来看，可以看出在火灾研究过程中，数值模拟主要被用于隧道、地铁、建筑等体量大，难以进行实体实验的火灾场景中，此类研究多采用缩小尺度模型实验与数值模拟相结合的方式；以研究问题来看，数值模拟应用于温度场、烟气流动、烟气控制、临界风速、人员疏散等问题的研究，可以消除实体实验中各类探测器的约束，获得任意时刻任意位置的火灾参数数据；以模拟软件来看， FDS作为最具代表性、使用最广泛的火灾数值模拟软件，出现在火灾数值模拟的相关文献关键词中次数最多，此外CFD分析软件以及Pathfinder也是常用的数值模拟软件。

为进一步分析数值模拟在火灾研究中应用的热点方向，使用Kleinberg算法对关键词进行突发性检测[9]，这些具有突发性主题的时间特征分布反映了在特定时间的受关注程度或活跃度，呈现了相关研究的新兴趋势发展[11]。突发性关键词的分析结果，如图5。

图5 火灾数值模拟研究的关键词突变Fig.5 Keywords burst of fire numerical simulation

由图5可见，2010年以前，数值模拟方法并未完全成熟，如“场模型”、“大涡模拟”等数值模拟中原理性的关键词经常出现，1999～2008年，建筑火灾是数值模拟方法应用的热点，2006～2008年，数值模拟方法被应用于地铁火灾研究；而最近5年，数值模拟方法能够很好地适应新兴的研究方向，主要被应用于安全疏散、空气幕等新的火灾研究方向，研究切入点也从特定场景火灾过程模拟转向温度分布、热释放速率、能见度等问题；这展现了火灾数值模拟研究从宏观向微观转变的过程，表明火灾数值模拟方法正在不断成熟。

3 结论

火灾科学的研究对发生火灾时减少人员伤亡与财产损失有重大意义，本文应用科学知识图谱方法对CNKI《中国学术期刊（网络版）》数据库中1992年至今的1265篇火灾数值模拟相关文献的研究机构、作者和关键词进行了可视化分析，得到结论如下：

（1）通过对文献发表年份及数量的分析可以发现，2000年以前火灾研究中数值模拟方法应用较少，之后随着计算机的普及以及数值模拟方法的完善，2003年开始，年度发表文献数量逐年快速增长，2015年达到峰值124篇，此后虽然文献发表数量有小幅度减少，但每年仍保持在100篇以上，表明数值模拟方法在经过多年的高速发展之后，仍不断被应用于新的火灾问题研究当中。

（2）使用数值模拟进行火灾研究的机构中，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室发表相关文献数量最多，达到71篇，在应用性研究和理论性研究中均有使用，并且与发文数量第二的中国矿业大学安全工程学院有一定合作，而后者则主要将数值模拟用于应用性研究。

（3）我国学者使用数值模拟方法进行的火灾研究方向非常广泛，以几位发表文献量排名较高的学者为例，如朱国庆，周汝等，将数值模拟方法应用于各自不同的研究方向，体现了火灾研究中数值模拟方法的适用性广的特点。

（4）对火灾数值模拟文献中的关键词进行分析，发现火灾数值模拟主要应用于大体量火灾场景，用于取得实体实验难以监测的数据，使用最广泛的火灾数值模拟软件为FDS。2010年以前，数值模拟方法主要被应用于基础性的建筑火灾、地铁火灾研究，近5年不断发展成熟，被应用于安全疏散、空气幕等新兴火灾研究方向以及温度分布、热释放速率、能见度等微观问题。