《消防工程数值模拟与仿真：PyroSim+Pathfinder》

黄有波 杨凯 主编 编

化学工业出版社

ISBN：9787122452283

内容简介

本书结合作者多年的教学和培训实践，在介绍火灾仿真软件和人员疏散模拟软件算法原理及参数设置影响因素的基础上，详细讲解了FDS、PyroSim、Pathfinder 等各类型典型消防仿真软件的演示与应用技术。全书内容编排紧密结合安.全工程、消防工程、建筑安.全工程教学需要和特点，选材新颖，注重实用，循序渐进，便于读者学习掌握。本书可作为高等院校安.全工程、消防工程、建筑工程专.业本科、研究生的教材，也可供广大安.全、消防科技工作者使用。

编辑荐语

消防安.全事关经济发展和社会和谐稳定大局,各行业对消防安.全高度重视，消防安.全评估常用定量方法火灾数值模拟及人员应急逃生数值模拟技术已经逐渐成为既有建筑消防改造和特殊消防设计的必用手段。

《消防工程数值模拟与仿真：PyroSim+Pathfinder》在介绍火灾仿真软件和人员疏散模拟软件算法原理及参数设置影响因素的基础上，全 面讲解FDS、PyroSim、Pathfinder等各类型典型消防仿真软件的演示与应用技术。

内容具有以下特点：
1 内容覆盖广：全 面总结了了火灾数值模拟的方法以及消防工程专 业实践中数值模拟技术的实际应用；
2 案例引导：结合算例与软件应用实例，讲解如何利用FDS等进行模拟计算, 经过Smokeview软件得到形象逼真的建筑内烟气流动二维云图和三维动画。
3 配套视频等教学资源：软件应用等通过视频讲解，直观易懂。

部分前言

在各种灾害中，火灾是普遍威胁公众安.全和社会发展的主要灾害之一。总结以往造成群死群伤及重大经济损失的特大火灾教训，蕞重要的是要增强火灾烟气的探测能力和提高人员火场疏散与逃生的能力。

一旦火灾发生，火场人员会因吸入火灾烟气而窒息或中毒死亡，但只要消防系统设置合理，火场人员冷静运用火场自救知识就能顺利逃生。同时，火灾发生时的逃生个体会出现恐慌、从众等心理，逃生时经常出现一个出口拥挤不堪，而另一个出口却无人通过的低效率现象。因此，利用数值模拟软件可以得到一系列有关烟气、温度、毒气等相关参数，以此为依据对实际工程进行性能化设计，以保证一旦火灾发生，热烟气和毒气浓度能控制在安.全范围内，从而避免威胁群众安.全。此外，还可以借助数值模拟软件模拟应急疏散恐慌人群行为，优化人群逃生空间，根据工程仿真结果，设计有效的疏散和干预方法，有助于减少群体恐慌行为造成的经济损失和人员伤亡。

此外，笔者在教学和实践中发现，学生及工程人员对火灾动态仿真及人员疏散仿真学习热情高，渴望了解火灾仿真和人员疏散仿真的理论基础。为满足安.全工程、消防工程、建筑安.全工程以及制定疏散应急演练教学、科研及设计的需要，结合笔者多年教学实践和科研工作编写了本书。

全书内容结合安.全工程、消防工程、建筑安.全工程教学需要和特点，介绍了火灾仿真的基本控制方法、火灾模型、消防系统、疏散仿真模型等基础理论；书中以PyroSim 及Pathfinder 的流行版本为基础，着重说明了PyroSim 和Pathfinder 数值模拟应用，结合火灾仿真案例对软件应用做了详尽解读。

PyroSim 是由美国Thunderhead Engineering 公司研发的火灾动态模拟仿真程序，其计算核心为FDS （Fire Dynamic Simulation）。Pathfinder 是一套由美国Thunderhead Engineering 公司研发的简单、直观、易用的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统，其涵盖了SFPE 人员疏散算法和Steering 算法模式，精准每个个体特征及疏散行为。

本书可作为高等院校安.全工程、消防工程、建筑工程专.业本科、研究生的教材，希望本书的出版有助于我国安.全工程、消防工程、建筑安.全工程的人才培养。

本书由重庆科技大学黄有波、董炳燕，北京石油化工学院杨凯和首都经济贸易大学吕淑然结合多年的研究与应用实践撰写而成。全书共9章，第1～6章主要由黄有波、董炳燕编写，第7～9章主要由杨凯、吕淑然编写。黄有波负责总体书稿编写方案的制定和实施，刘茜、汪彬、罗成佳、廖梓富、王若彤、翟曼如、吴昊在数据处理、模型分析及具体内容编写等方面做了大量工作，李炎锋教授、李嘉欣博士、许德胜博士、苏枳鹤博士对本书的编写提供了很多建议和帮助。

此外，本书的出版还得到了北京环中睿驰科技有限公司的协助，北京环中睿驰科技有限公司提供了 PyroSim（ 2024）试用版。在此谨向参与此书编写和出版工作的个人和单位表示衷心的感谢。

目录

第①章 概述 001
1.1 消防工程仿真发展现状 001
1.1.1 火灾烟气模拟技术 001
1.1.2 人员疏散模拟计算 002
1.2 消防仿真理论研究现状 004
1.3 消防仿真软件概述 005
1.3.1 火灾烟气模拟软件 005
1.3.2 人员疏散模拟软件 008

第②章 建筑火灾仿真基础理论 011
2.1 火灾仿真基本控制方程 011
2.1.1 火灾控制方程概述 011
2.1.2 质量传输与热焓 012
2.1.3 动量传输与压力 014
2.1.4 湍流与黏性方程 015
2.2 火灾仿真基本方法 016
2.2.1 火灾仿真方法概述 017
2.2.2 区域模型 017
2.2.3 场模型 017
2.2.4 网络模型 018
2.3 动量传输模型 018
2.3.1 DNS 与LES 概述 019
2.3.2 DNS 动量方程 019
2.3.3 LES 动量方程 020
2.3.4 亚网格动能 021
2.3.5 平均强迫速度场模型 021
2.4 湍流燃烧模型 022
2.4.1 反应时间尺度模型 022
2.4.2 预混反应时间积分 023
2.4.3 反应时间步长数值解 024
2.4.4 化学反应速率模型 025
2.4.5 热释放速率 026
2.4.6 熄灭模型 026
2.5 辐射模型 028
2.5.1 辐射传播模型 028
2.5.2 数值求解方法 030
2.5.3 吸收和散射模型 033
2.6 HVAC 控制方程. 034
2.6.1 控制方程 035
2.6.2 方程求解 035
2.6.3 边界模型 038

第③章 建筑消防系统基础 039
3.1 消防系统简介 039
3.2 火灾探测与报警系统 039
3.2.1 火灾探测系统 040
3.2.2 自动报警系统 042
3.3 消防给水系统 043
3.3.1 消防供水 043
3.3.2 消火栓系统 044
3.3.3 自动喷水灭火系统 045
3.4 防排烟系统 048
3.4.1 防烟系统 048
3.4.2 排烟系统 049

第④章 FDS 前处理器PyroSim 053
4.1 PyroSim 界面简介 053
4.1.1 导航视图 053
4.1.2 3D 视图 054
4.1.3 2D 视图 055
4.1.4 截图 056
4.1.5 首选项 056
4.1.6 单位 057
4.1.7 配色方案 057
4.1.8 View 菜单 058
4.2 PyroSim 基本参数简介 059
4.2.1 PyroSim 常用菜单与对话框操作指南 059
4.2.2 PyroSim 文件系统和文件操作 061
4.3 PyroSim 建模基础 064
4.3.1 建模造型简介 064
4.3.2 坐标系 064
4.3.3 创建楼层 064
4.3.4 3D 视图创建几何模型 066
4.3.5 2D 视图创建几何模型 071
4.3.6 创建复杂的几何结构 075
4.3.7 几何对象的工作 078

第⑤章 消防系统建模 084
5.1 火灾探测设备 084
5.1.1 感烟探测设备简介 084
5.1.2 感烟探测器模型 085
5.1.3 创建感烟探测设备 085
5.1.4 感温探测设备简介 086
5.1.5 感温探测器模型 086
5.1.6 创建感温探测设备 087
5.2 灭火系统建模过程 087
5.2.1 创建喷头连接模型 088
5.2.2 创建喷头连接 088
5.2.3 创建喷雾模型 089
5.2.4 创建干燥管 090
5.2.5 创建自动喷水灭火系统 090
5.2.6 喷嘴 091
5.3 防排烟系统建模过程 092
5.3.1 用HVAC 创建防排烟系统 092
5.3.2 用Supply 和Exhaust创建防排烟系统 095
5.4 联动控制 097
5.4.1 激活控制介绍 097
5.4.2 创建激活控制 098
5.5 创建FDS+EVAC 逃生模型 099
5.5.1 FDS+EVAC 介绍 100
5.5.2 创建网格 101
5.5.3 创建一个出口 101
5.5.4 添加人员 103
5.5.5 指定模拟属性 103
5.5.6 保存模型 103
5.5.7 运行分析 103
5.5.8 查看结果 103

第⑥章 酒店火灾模拟案例 105
6.1 酒店火灾建筑模型简介 105
6.2 酒店建筑建模过程 106
6.2.1 输入材料与反应数据 106
6.2.2 创建网格 106
6.2.3 指定燃烧参数 107
6.2.4 创建表面 107
6.2.5 导入CAD 图纸 108
6.2.6 创建地板和墙 110
6.2.7 创建窗 117
6.3 添加探测系统 119
6.3.1 使用通风口定义火源 119
6.3.2 定义开放边界 120
6.3.3 设置探测器 120
6.3.4 设置水喷淋设备 122
6.3.5 设置切片 122
6.3.6 设置模拟属性 122
6.3.7 保存并运行 123
6.4 模拟结果 123
6.4.1 Smokeview 查看3D结果 123
6.4.2 查看时间历史结果 125

第⑦章 人员疏散仿真理论基础 126
7.1 疏散仿真理论模型简介 126
7.2 元胞自动机 128
7.2.1 元胞自动机模型理论及建模 129
7.2.2 人员模型假设 130
7.2.3 人员疏散模型建立 130
7.3 Agent-based 模型 132
7.3.1 Agent 模型 132
7.3.2 Agent 理论的人员疏散仿真应用 135
7.3.3 人员疏散模型 135
7.3.4 个体 136
7.3.5 路法规划算法 137
7.4 SFPE 模式 138
7.4.1 SFPE 模式参数 138
7.4.2 速度 138
7.4.3 通过门 140
7.4.4 碰撞处理/响应 140
7.5 Steering 模式 141
7.5.1 速度 141
7.5.2 加速度 141
7.5.3 人员密度估计 141
7.5.4 Steering 142
7.5.5 评估运动 145
7.5.6 人员状态 146
7.5.7 优先级 147
7.5.8 解决运动冲突 147
7.5.9 避免碰撞/响应 148
7.5.10 穿过门 149
7.6 人员疏散模拟软件简介 149
7.6.1 Pathfinder 149
7.6.2 STEPS 151
7.6.3 Building EXODUS 152
7.6.4 SIMULEX 153

第⑧章 Pathfinder 模拟软件 157
8.1 软件界面 157
8.1.1 图形用户界面 157
8.1.2 视图 158
8.2 建筑模拟建模 165
8.2.1 创造运动空间 165
8.2.2 导入文件 183
8.2.3 编辑和复制对象 200
8.3 人群建模 205
8.3.1 人员档案 205
8.3.2 运输工具形状 212
8.3.3 行为 214
8.4 疏散行为模拟 222
8.4.1 救援流程概述 222
8.4.2 准备被施救者 223
8.4.3 准备救援人员 223
8.4.4 准备团队 223
8.4.5 人员分组 224
8.5 模拟与结果分析 226
8.5.1 模型分析 226
8.5.2 模拟 227
8.5.3 结果 232

第⑨章 酒店人员疏散模拟案例 238
9.1 模型创建过程 238
9.2 人员参数建模 251
9.3 模拟结果 253

参考文献 255