法國當?shù)貢r間2019年4月15日下午6點50分巴黎圣母院發(fā)生火災，這座人類著名歷史建筑被大火嚴重破壞。在扼腕嘆息之余，“學術小鎮(zhèn)”通過計算流體力學CFD模擬手段再現(xiàn)了巴黎圣母院的火災蔓延過程，為火災事故原因調查提供了初步的參考。

 

1. 火災蔓延CFD模擬

巴黎圣母院主體為砌體拱結構，上部覆蓋木結構屋頂，因此，本次大火的主要蔓延區(qū)域是木屋頂部分，如下圖深紅色區(qū)域。

（圖片源自BBC）

 

為模擬這次火災事故，我們在第一時間建立了巴黎圣母院的計算流體力學CFD數(shù)值模擬模型，如下圖所示。模擬平臺為美國國家標準與技術研究院NIST研發(fā)的軟件FDS（火災動力學模擬器）。圖中綠色部分為巴黎圣母院的木質屋頂，設置成可燃物，其他區(qū)域為惰性不可燃物體。

 

精細化的火災CFD模擬耗時巨大，一般需要大型計算機，長達數(shù)日才能給出結果。在此次模擬中，我們在材料燃燒性能和燃燒時間方面都進行了簡化和縮放處理，以最快時間給出結果。

歷經(jīng)12小時的資料收集、建模、模擬、討論后，我們給出了巴黎圣母院火災蔓延過程的CFD模擬結果，如下所示：

 

巴黎圣母院火災蔓延過程CFD模擬

通過上述巴黎圣母院的火災蔓延過程模擬結果，我們可以清楚的看到：火是從中間部分開始蔓延，先向上蔓延，燒毀了高塔Spire，然后向四周蔓延，燒毀了整個十字型木屋頂。

 

2. 與實際過程的對照

我們完成模擬后，恰好發(fā)現(xiàn)紐約時報梳理了巴黎圣母院火災蔓延過程（可點擊文末“閱讀原文”查看）。我們將模擬結果與紐約時報結果進行了對照，以驗證CFD模擬的合理性。

根據(jù)紐約時報的梳理，巴黎圣母院的火災過程分為了3個階段：

（1）尖塔周邊開始起火

法國當?shù)貢r間2019年4月15日下午6點50分，巴黎圣母院大教堂尖塔底部冒出火焰和煙霧。紐約時報與本文CFD模擬結果對照過程如下圖所示。可以看出，本文模擬結果清晰地展示了起火區(qū)域的火災煙氣。

 （2）火勢蔓延到塔尖

當?shù)貢r間4月15日晚上7時40分，火勢蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖頂上。可以看出，本文CFD結果蔓延范圍與紐約時報整理結果吻合，均為尖塔及尖塔周邊區(qū)域。

（3）火勢蔓延到整個木屋頂

后來，火勢逐漸蔓延到整個木屋頂，屋頂逐漸被燃盡。在本模擬結果中可以看出，模擬的蔓延范圍與實際相符，而且還模擬了木屋頂被燃盡的情況。

 

 

從以上結果可以看出，本文CFD模擬的火災蔓延過程與巴黎圣母院實際蔓延過程是相符的。因此，火災蔓延CFD模擬結果可以為火災事故調研提供參考。

需要說明的是：

（1）實際過程中，Spire尖塔由于底部結構被燒毀，無法承受上部重力，發(fā)生了倒塌。但CFD模擬中，無法加載重力并模擬其倒塌過程，這與實際過程所有不同。

（2）由于數(shù)據(jù)有限，本文CFD模擬不能做到很精細，只給出一種基本判斷。如需深入調研事故原因，必須結合現(xiàn)場調查，開展詳細的模擬。

 

3. 火災蔓延原因淺析

從各種新聞報道和現(xiàn)場視頻來看，大家不難發(fā)現(xiàn)：此次巴黎圣母院火災的火勢比較大（如下圖所示），蔓延速度也比較快。7時40分，火勢蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖頂上；7時59分，巴黎圣母院中部的尖塔坍塌。中間只花了不到20分鐘，木塔就被燒塌了。

（圖片源自 NYTimes）

這里面原因很多，但是從木屋頂結構而言，其實這種屋頂結構形式類似架篝火，如下圖所示。

 

 

這種架篝火形式，上部是木材可燃物，中間空洞部分可以提供空氣，使得燃燒更加充分。這也從某一角度解釋了火勢為什么這么大以及蔓延為什么比較快。

盡管巴黎圣母院的木屋頂從建筑學角度是非常美的，但一旦起火，容易充分燃燒，引起大范圍的破壞。

 

4. 結語，但并未結束

(1) 巴黎圣母院大火是人類文明的災難，也是防災減災工作者應該高度重視的火災事故。

(2) 本文的CFD模擬還原了巴黎圣母院火災蔓延過程，為火災事故調查提供了一種手段。但是，由于資料有限，此文模擬結果并不精細，有待進一步深入。

(3) 相信法國當局也會深入調查此次巴黎圣母院火災的詳細過程，為以后的文物防火提供重要借鑒，避免類似的悲劇發(fā)生。

 最后，感謝我的研究生魏煒以及鄭銘和薛巧蕊在12小時內完成了此次模擬，贊！

來源：學術小鎮(zhèn)