本書結合作者多年的教學和培訓實踐，在介紹火災仿真軟件和人員疏散模擬軟件算法原理及參數設置影響因素的基礎上，全面講解了FDS、PyroSim、Pathfinder 等各類型典型消防仿真軟件的操作與應用技術。全書內容編排緊密結合安全工程、消防工程、建筑安全工程教學需要和特點，選材新穎，注重實用，循序漸進，便于讀者學習掌握。
本書可作為高等院校安全工程、消防工程、建筑工程專業本科、研究生的教材，也可供廣大安全、消防科技工作者使用。

消防安全事關經濟發展和社會和諧穩定大局,各行業對消防安全高度重視，消防安全評估常用定量方法火災數值模擬及人員應急逃生數值模擬技術已經逐漸成為既有建筑消防改造和特殊消防設計的必用手段。 《消防工程數值模擬與仿真：PyroSim+Pathfinder》在介紹火災仿真軟件和人員疏散模擬軟件算法原理及參數設置影響因素的基礎上，全面講解FDS、PyroSim、Pathfinder等各類型典型消防仿真軟件的操作與應用技術。內容具有以下特點： 1 內容覆蓋廣：全面總結了了火災數值模擬的方法以及消防工程專業實踐中數值模擬技術的實際應用； 2 案例引導：結合算例與軟件應用實例，講解如何利用FDS等進行模擬計算, 經過Smokeview軟件得到形象逼真的建筑內煙氣流動二維云圖和三維動畫。 3 配套視頻等教學資源：軟件實操等通過視頻講解，直觀易懂。

在各種災害中，火災是普遍威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一。據統計，全球每天發生火災1 萬余起，日均致死2000 多人，傷3000-4000 人。經國家消防救援局統計，2023 年上半年全國共接報火災55 萬起，死亡959 人，受傷1311 人，直接財產損失39.4 億元。以上數據表明，火災給國家和人民群眾的生命財產造成了巨大的損失，總結以往造成群死群傷及重大經濟損失的特大火災教訓，最重要的是要增強火災煙氣的探測能力和提高人員火場疏散與逃生的能力。
一旦火災發生，火場人員會因吸入火災煙氣而窒息或中毒死亡，但只要消防系統設置合理，火場人員冷靜運用火場自救知識就能順利逃生。同時，火災發生時的逃生個體會出現恐慌、從眾等心理，逃生時經常出現一個出口擁擠不堪，而另一個出口卻無人通過的低效率現象。因此，利用數值模擬軟件可以得到一系列有關煙氣、溫度、毒氣等相關參數，以此為依據對實際工程進行性能化設計，以保證一旦火災發生，熱煙氣和毒氣濃度能控制在安全范圍內，從而避免威脅群眾生命安全。此外，還可以借助數值模擬軟件模擬應急疏散恐慌人群行為，優化人群逃生空間，根據工程仿真結果，設計有效的疏散和干預方法，有助于減少群體恐慌行為造成的經濟損失和人員傷亡。
此外，筆者在教學和實踐中發現，學生及工程人員對火災動態仿真及人員疏散仿真學習熱情高，渴望了解火災仿真和人員疏散仿真的理論基礎。為滿足安全工程、消防工程、建筑安全工程以及制定疏散應急演練教學、科研及設計的需要，結合筆者多年教學實踐和科研工作編寫了本書。
全書內容結合安全工程、消防工程、建筑安全工程教學需要和特點，介紹了火災仿真的基本控制方法、火災模型、消防系統、疏散仿真模型等基礎理論；書中以PyroSim 及Pathfinder 的流行版本為基礎，重點說明了PyroSim 和Pathfinder 數值模擬操作，結合火災仿真案例對軟件應用做了詳盡解讀。
PyroSim 是由美國Thunderhead Engineering 公司研發的火災動態模擬仿真程序，其計算核心為FDS （Fire Dynamic Simulation）。Pathfinder 是一套由美國Thunderhead Engineering 公司研發的簡單、直觀、易用的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統，其涵蓋了SFPE 人員疏散算法和Steering 算法模式，精確每個個體特征及疏散行為。
本書可作為高等院校安全工程、消防工程、建筑工程專業本科、研究生的教材，希望本書的出版有助于我國安全工程、消防工程、建筑安全工程的人才培養。
本書由重慶科技大學黃有波、董炳燕，北京石油化工學院楊凱和首都經濟貿易大學呂淑然結合多年的研究與應用實踐撰寫而成。全書共9章，第1～6章主要由黃有波、董炳燕編寫，第7～9章主要由楊凱、呂淑然編寫。黃有波負責總體書稿編寫方案的制定和實施，劉茜、汪彬、羅成佳、廖梓富、王若彤、翟曼如、吳昊在數據處理、模型分析及具體內容編寫等方面做了大量工作，李炎鋒教授、李嘉欣博士、許德勝博士、蘇枳鶴博士對本書的編寫提供了很多建議和幫助。此外，本書的出版還得到了北京環中睿馳科技有限公司的協助，北京環中睿馳科技有限公司提供了 PyroSim（ 2024）試用版。在此謹向參與此書編寫和出版工作的個人和單位表示衷心的感謝。
由于作者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

編者

第1章 概述 001
1.1 消防工程仿真發展現狀 001
1.1.1 火災煙氣模擬技術 001
1.1.2 人員疏散模擬計算 002
1.2 消防仿真理論研究現狀 004
1.3 消防仿真軟件概述 005
1.3.1 火災煙氣模擬軟件 005
1.3.2 人員疏散模擬軟件 008

第2章 建筑火災仿真基礎理論 011
2.1 火災仿真基本控制方程 011
2.1.1 火災控制方程概述 011
2.1.2 質量傳輸與熱焓 012
2.1.3 動量傳輸與壓力 014
2.1.4 湍流與黏性方程 015
2.2 火災仿真基本方法 016
2.2.1 火災仿真方法概述 017
2.2.2 區域模型 017
2.2.3 場模型 017
2.2.4 網絡模型 018
2.3 動量傳輸模型 018
2.3.1 DNS 與LES 概述 019
2.3.2 DNS 動量方程 019
2.3.3 LES 動量方程 020
2.3.4 亞網格動能 021
2.3.5 平均強迫速度場模型 021
2.4 湍流燃燒模型 022
2.4.1 反應時間尺度模型 022
2.4.2 預混反應時間積分 023
2.4.3 反應時間步長數值解 024
2.4.4 化學反應速率模型 025
2.4.5 熱釋放速率 026
2.4.6 熄滅模型 026
2.5 輻射模型 028
2.5.1 輻射傳播模型 028
2.5.2 數值求解方法 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 邊界模型 038

第3章 建筑消防系統基礎 039
3.1 消防系統簡介 039
3.2 火災探測與報警系統 039
3.2.1 火災探測系統 040
3.2.2 自動報警系統 042
3.3 消防給水系統 043
3.3.1 消防供水 043
3.3.2 消火栓系統 044
3.3.3 自動噴水滅火系統 045
3.4 防排煙系統 048
3.4.1 防煙系統 048
3.4.2 排煙系統 049

第4章 FDS 前處理器PyroSim 053
4.1 PyroSim 界面簡介 053
4.1.1 導航視圖 053
4.1.2 3D 視圖 054
4.1.3 2D 視圖 055
4.1.4 截圖 056
4.1.5 首選項 056
4.1.6 單位 057
4.1.7 配色方案 057
4.1.8 View 菜單 058
4.2 PyroSim 基本參數簡介 059
4.2.1 PyroSim 常用菜單與對話框操作指南 059
4.2.2 PyroSim 文件系統和文件操作 061
4.3 PyroSim 建模基礎 064
4.3.1 建模造型簡介 064
4.3.2 坐標系 064
4.3.3 創建樓層 064
4.3.4 3D 視圖創建幾何模型 066
4.3.5 2D 視圖創建幾何模型 071
4.3.6 創建復雜的幾何結構 075
4.3.7 幾何對象的工作 078

第5章 消防系統建模 084
5.1 火災探測設備 084
5.1.1 感煙探測設備簡介 084
5.1.2 感煙探測器模型 085
5.1.3 創建感煙探測設備 085
5.1.4 感溫探測設備簡介 086
5.1.5 感溫探測器模型 086
5.1.6 創建感溫探測設備 087
5.2 滅火系統建模過程 087
5.2.1 創建噴頭連接模型 088
5.2.2 創建噴頭連接 088
5.2.3 創建噴霧模型 089
5.2.4 創建干燥管 090
5.2.5 創建自動噴水滅火系統 090
5.2.6 噴嘴 091
5.3 防排煙系統建模過程 092
5.3.1 用HVAC 創建防排煙系統 092
5.3.2 用Supply 和Exhaust創建防排煙系統 095
5.4 聯動控制 097
5.4.1 激活控制介紹 097
5.4.2 創建激活控制 098
5.5 創建FDS+EVAC 逃生模型 099
5.5.1 FDS+EVAC 介紹 100
5.5.2 創建網格 101
5.5.3 創建一個出口 101
5.5.4 添加人員 103
5.5.5 指定模擬屬性 103
5.5.6 保存模型 103
5.5.7 運行分析 103 
5.5.8 查看結果 103

第6章 酒店火災模擬案例 105
6.1 酒店火災建筑模型簡介 105
6.2 酒店建筑建模過程 106
6.2.1 輸入材料與反應數據 106
6.2.2 創建網格 106
6.2.3 指定燃燒參數 107
6.2.4 創建表面 107
6.2.5 導入CAD 圖紙 108
6.2.6 創建地板和墻 110
6.2.7 創建窗 117
6.3 添加探測系統 119
6.3.1 使用通風口定義火源 119
6.3.2 定義開放邊界 120
6.3.3 設置探測器 120
6.3.4 設置水噴淋設備 122
6.3.5 設置切片 122
6.3.6 設置模擬屬性 122
6.3.7 保存并運行 123
6.4 模擬結果 123
6.4.1 Smokeview 查看3D結果 123
6.4.2 查看時間歷史結果 125

第7章 人員疏散仿真理論基礎 126
7.1 疏散仿真理論模型簡介 126
7.2 元胞自動機 128
7.2.1 元胞自動機模型理論及建模 129
7.2.2 人員模型假設 130
7.2.3 人員疏散模型建立 130
7.3 Agent-based 模型 132
7.3.1 Agent 模型 132
7.3.2 Agent 理論的人員疏散仿真應用 135
7.3.3 人員疏散模型 135
7.3.4 個體 136
7.3.5 路法規劃算法 137
7.4 SFPE 模式 138
7.4.1 SFPE 模式參數 138
7.4.2 速度 138
7.4.3 通過門 140
7.4.4 碰撞處理/響應 140
7.5 Steering 模式 141
7.5.1 速度 141
7.5.2 加速度 141
7.5.3 人員密度估計 141
7.5.4 Steering 142
7.5.5 評估運動 145
7.5.6 人員狀態 146
7.5.7 優先級 147
7.5.8 解決運動沖突 147
7.5.9 避免碰撞/響應 148
7.5.10 穿過門 149
7.6 人員疏散模擬軟件簡介 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 模擬軟件 157
8.1 軟件界面 157
8.1.1 圖形用戶界面 157
8.1.2 視圖 158
8.2 建筑模擬建模 165
8.2.1 創造運動空間 165
8.2.2 導入文件 183
8.2.3 編輯和復制對象 200
8.3 人群建模 205
8.3.1 人員檔案 205
8.3.2 運輸工具形狀 212
8.3.3 行為 214
8.4 疏散行為模擬 222
8.4.1 救援流程概述 222
8.4.2 準備被施救者 223
8.4.3 準備救援人員 223
8.4.4 準備團隊 223
8.4.5 人員分組 224
8.5 模擬與結果分析 226
8.5.1 模型分析 226
8.5.2 模擬 227
8.5.3 結果 232

第9章 酒店人員疏散模擬案例 238
9.1 模型創建過程 238
9.2 人員參數建模 251
9.3 模擬結果 253

參考文獻 255