浅析FDS火灾模拟软件及应用

天津理工大学

安全检测课程学习报告

浅析FDS 火灾模拟及应用现状

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2013年9月1日

浅析FDS 火灾模拟及应用现状

摘要：FDS （Fire Dynamics Simulator）是火灾模拟中一款重要的软件，它根据建筑和火灾的特性，以简单直观的形式动态的显示出火灾发展的全过程，并通过计算获得较为准确的火灾信息的相关参数，例如，烟气的流动，有毒气体的浓度，温度场的分布以及热辐射等。本文概述了FDS 在不同建筑和火灾场景中的应用现状，并结合相关火灾实例证明FDS 火灾模拟软件在 较为可信的准确性，另外，对FDS 在火灾模拟方面提出了笔者的相关意见和建议。 关键字：火灾模拟；FDS ；应用现状

0前言

近些年，计算机技术的飞速发展，引导了科学领域的各个方面，成为科研深讨中不可或缺的工具。其中，计算机模拟和仿真技术已经成为火灾科学研究重要手段，各种火灾模拟软件也在不断的涌现, 比较有名的火灾模拟软件有FDS, CFAST 和FA3 等[1]。FDS( 火灾动力模拟) 是由美国国家标准局建筑火灾研究实验室开发的基于场模拟的火灾模拟软件, 在火灾安全工程领域中应用十分广泛[2]。FDS 是一个由CFD( 计算流体力学) 分析程序开发出来的专门用于研究火灾烟气传播的模型, 可以模拟三维空间内空气的温度、速度和烟气的流动情况等[1]。

1 FDS计算步骤

FDS 火灾模拟软件包含FDS 和SomkerView 2部分。FDS 是软件的主体部分, 主要完成模拟场景的构建和计算, 而SomkerView 是FDS 计算结果后处理程序, 它既能处理动态数据也能显示静态数据, 并将这些数据以二维或三维形式显现出来。模型的输入数据包括:空间环境温度, 建筑内物品的燃烧性质, 灭火系统的影响, 烟气的性质, 是否考虑某些障碍物的影响, 为收集有用数据所需的模拟时间, 网格划分(计算精确度), 所需要测量的数据类型及位置, 火源种类及初始温度等。FDS 计算结果二维数据随时间变化的数据输出格式为Office Excel程序格式, 可以通过各种数据处理软件进行处理。三维图形直接通过SmokeView 的程序进行处理, 并可得到动画效果短片在FDS 中, 可以设置“切片”,或贯穿整个控制体的断面, 通过这个断面或切片可以使用户直观地观察气体内的温度分布、毒气分布、烟气分布，图一描述了FDS 和Smokeview 使用的基本流程：

使用FDS 和Smokeview 的一般步骤:

①建立一个FDS 输入文件case - name1d2ata 。FDS 的输入文件包括以下信息:计算域的大小、数字栅格的大小、计算域内物体的几何形状、火源的设定、燃料类型、热时放速率、材料的热物性、边界条件等。

②运行FDS ,然后FDS 生成一个或多个输出文件。FDS 的输出参数主要是密度、温度、压力、热释放率、燃烧产物的浓度、混合分数以及热流和辐射对流等。计算中想要得到什么参数的数据, 在哪个位置的数据, 计算前必须在输入文件中提前设定, 一旦开始计算就无法进行更改。FDS 数据的输出主要有以下几种形式:

a 、以在计算区域内任何位置设置测点, 获得所需参数在该位置随时间的变化趋势。

b 、获得任意位置二维平面各种参数的变化。

c 、得到特定参数在三维空间内的等值面图。

d 、获得某一特定时间内所设定参数的静态数据, 这些数据可以用二维或三维图片的形式表现出来

③运行Smoke view 来分析由第2 步产生的输出文件, 运行Smoke view 可以双击文件case - name1smv 或直接在命令行键入Smoke viewCase - name1Smoke view 。Smoke view 也可以用于创建新的障碍物和修改原来障碍物的属性, 这种对障碍物的修改将被保存在一个新的FDS 输入数据文件case - name1data 里。

2 FDS的应用现状

随着2000年美国国家标准与技术研究院（NIST ）发布并开放火灾动力学场模拟软件FDS 。该款软件被广泛的应用在火灾科学的研究上，它能够较为准确的展示各种建筑和不同条件下火灾的发展状况，能够较为准确的提供有关火灾发展过程中不同时期的火灾相关参数[3]，对于火灾控制和人员疏散具有实际的指导意义，现阶段该软件主要应用以下建筑和火灾场景。

赵哲等[4]关于地下商场的人员疏散的数值模拟中，指出地下建筑具有相对封闭性，与外界的换热通风十分困难，因此其消防安全要求往往高于地面建筑。针对某大型商业街即将开业的地下商场进行人员疏散的安全性研究，通过设定一处火源，利用火灾场模拟和人员疏散模拟软件“FDS+EVAC

”对商场设置两处

出口与三处出口的疏散情况进行模拟计算，将结果与人员必需疏散时间进行对比，得到较优的疏散口分布设计。从疏散模拟来看。位于城市核心商业区的地下商场往往人流量较大，且商场与地面建筑通过上行楼梯连接，容易造成疏散时人员的拥堵。因此建议消除火灾隐患，增加安全出口的个数，使人员在每条疏散路线上平均分配，如此可保证疏散的安全和快速。王媛等[7]以武汉市某地下商场为例进行了模拟，，在地下商城超市和商城通道分别设置着火点，通过对发生火灾时商城内各测点的温度场、烟气浓度场的分布进行数值模拟分析研究，得出两种着火位置下商城的烟气层高度、烟气层温度及CO 2浓度的分布规律，

并给出了相应的人员逃生措施。

黄浩和李波[12]对KTV 受限空间及人员疏散的模拟，使用FDS 软件和BuildingExdous 软件，对某KTV 场所中的火灾和人群疏散情况进行模拟。FDS 模拟得出KTV 各区域内热辐射温度、烟气可见度、有毒有害气体浓度达到危险极限的时间，确定火灾的可用安全疏散时间。通过BuildingExdous 建立人群疏散模型，分析人员疏散时间、疏散距离、堵塞等待时间及各出口使用情况等，得出人员必需安全疏散时间（RSET ）。通过对比发现，人员在现有设计下火灾时可以安全疏散。

王春等有关地铁火灾数值模拟研究最新进展中指出，火灾是地铁系统中危害最大而发生频次最高的事故。由于火灾实验具有一定的破坏性，加之地铁运营、安全等因素的限制，以及技术手段的局限，数值模拟被更多地应用到地铁火灾的预测和防控研究中。本文主要论述地铁火灾数值模拟研究的前沿进展，对现有主要的模拟软件和软件中有待完善的问题进行综述和分析，为地铁火灾数值模拟的研究提供参考。文中指出了在运用FDS 进行地铁火灾模拟的优缺点，其中优点包括：(1) 使用场模型中的大涡模拟方法，在提高了计算精度的同时，减少了运算时间，即便对于体育场馆、地铁车站这样的大空间，随着电脑科技的不断进步，其对硬件能力的要求也得到了解决。(2) 开放原始代码，可以使用SmartSVN 客户端下载得到其使Fortran 90 编写的源代码，一方面可以让广大使用者验证其正确性，另一方面，也加速了程序的扩展和完善的速度，同时也可以让使用者根据自身需要进行再次开发。(3) 软件的获得是免费的，使用者可以从其谷歌代码网页直接下载适用于微软、苹果以及Linux 各种操作系统的版本，这为研究者节省了不少的费用，从而使其具有了众多的实际应用。(4) 作为专业的火灾模拟软件，FDS 在火灾场景的设定上比较简单、迅速，可轻易建构复杂的空间，面对复杂的火场信息，FDS 常常可用简单的程式即可完成描述。(5) 具有強大的后处理程式SMOKEVIEW ，对火场內的温度场、速度场、热传导、热辐射、热对流、CO 浓度、CO2浓度、能见度等参数均能以优越的3D 立体视觉效果呈现，甚至即使非消防专业人员也能一目了然。( 6) 由于源代码开放，FDS 被使用者不断扩展，目前比较完整地具备了火灾报警的探测器响应、自动喷淋以及人员疏散的功能。缺点有以下几点：1) 受网格划分的限制，FDS 目前的计算格点系统必须为立方体形，在模拟非立方体形建筑物或其内部的摆放物

体时，必须以分解为多个立方体的方式来建构，目前，研发组正在需求采用更高阶的数值处理方法来改善其物理模型的建模。(2) 为提高大梯度区域内的求解精度，需要使用更加高效的算法来求解输运方程，目前由于采用二阶有限差分方法求解雷诺时均方程，FDS 对火场内速度及温度模拟的准确度一般约在80% ～ 90%。(3) 大空间内多重网格边界上的不连续性对FDS 目前使用的压力求解器造成了很大的障碍，降低了其求解速度，需要开发新的低马赫数下大涡模拟的自适应网格划分方法，并提高新算法在大型计算机群上并行求解的效率。

(4) 对于灭火过程模拟依然比较粗糙，使用的是一个所谓“氧气极限”的简单经验模型，对于火场中的二次点燃、火焰自熄等复杂现象还无法模拟。韩凯旋等[19]基于FDS 地铁火灾烟气蔓延数值模拟研究，：为了有效解决地铁隧道火灾时烟雾分布对人员疏散的影响问题，以西安地铁2号线为研究对象，针对火灾列车停留在隧道中的火灾工况，重点研究不同规模火灾条件下隧道温度、烟雾蔓延范围、可见度等参数的分布情况及变化规律。根据该隧道特定的内部几何构造，建立FDS 仿真模型。利用该软件对隧道开展数值模拟研究，获得了隧道火灾发展及烟气蔓延的一般性规律。

杨凯等基于FDS 的木成涧煤矿井下火灾数值模拟中，针对矿井火灾逃生困难的问题，以木成涧煤矿矿井为背景，利用FDS 软件建立其通风系统的三维模型，通过在巷道安装探测器来检测温度分布和烟雾浓度的方法来检测火灾情况下烟气的蔓延、能见度以及火灾温度的分布，通过对FDS 模拟结果进行分析，得到了烟气、能见度、温度随时间的变化规律，确定火灾对人员逃生的主要影响因素，为矿井火灾时人员逃生提供参考依据。本文模拟了井下车场配电箱引起的火灾，并从火灾烟气蔓延浓度、能见度、温度三个方面分析了井下火灾对井下人员逃生的影响，由于井下空间有限，烟气只能沿着巷道蔓延，增加了烟气由顶板向地面蔓延的速度，因此烟气浓度迅速增加，随之烟气遮光率增加，在原本光线就不太好的井下，巷道的能见度在短时间内降低，引起人员恐慌，不利于井下人员的自救与逃生，而井下温度上升较慢，对井下人员逃生影响较小，因此本文得出烟气浓度和能见度是影响井下人员逃生的主要因素。文中存在的不足是没有考虑井下正常通风对火灾烟气蔓延、能见度、温度分布的影响，但是通风良好的情况下，烟气沿风流方向蔓延加快，增加了井下人员的逃生难度，这主要是由于火灾烟气顺风蔓延，当热烟气流经倾斜或垂直井巷时，可产生与自然风压类似的局部火风压，使相关井巷中的风量变化，甚至发生风流停滞或反向，常导致火灾影响范围扩大，人员不能安全撤退，无法进行灭火，有时还能引起瓦斯或煤尘爆炸。在上行风路中发生火灾，其火风压作用方向与主扇作用方向一致，使火源所在风路的风量增加，旁侧风路的风量减少；随火势发展，火风压增加，旁侧风路的风流可能反向，烟气将侵入。在下行风路中发生火灾，其火风压作用方向与主扇相反，使火源所在风路的风量减少，旁侧风路的风量增加；当火风压增大，火源所在风路的风流可能反向，烟气侵入旁侧风路。在矿井总进风流中发生火灾时，往往需要进行全矿性反风。以免烟气侵入采掘区。

所以主扇风机必须装有反风设备，必须能在10min 内改变巷道中的风流方向。

辛喆等[22]基于火灾模拟软件（FDS ）的草原火灾蔓延规律数值分析，：为了研究不同影响因素下草原火灾的蔓延规律，辛喆等针对某一实际草场，首先利用火灾模拟软件FDS （firedynamics simulator）建立其简化的草原火灾模型，并对影响计算精度的模型参数如网格密度、计算域高度、计算域尺寸的设定进行相关性分析；其次，基于相关性分析结果，对模型在不同风速下草原火灾的蔓延规律进行数值计算，将计算结果与野外试验结果进行比较，证明了模型的正确性；最后，对该模型在不同环境温度、不同坡度及不同可燃物含水率条件下草原火灾蔓延规律进行三维数值研究，分析比较各影响因素对草原火灾蔓延规律的影响，并给出了不同影响因素下火灾的热释放速率、燃烧速率等的变化规律，为制定有效的防火灭火措施提供理论依据。

王云等[27]基于FDS 模拟的动车车厢火灾烟气迁移特性研究，运用FDS 软件大涡模拟，建立动车组列车两列车厢的火灾模型。研究多火源和单火源情况下，不同风机排风速度对烟气在列车车厢内蔓延以及烟气层高度的影响。结果表明: 多火源情况下，当风机排风速率较小( 2. 5m/s) 时，风机在排烟的同时也在一定程度上助长了烟气的蔓延，导致烟区面积扩大，不利于车厢内人员疏散; 而当风机风速较大( 5. 0m/s) 时，烟气的横向蔓延会受到明显的抑制。单火源情况下，风机排风速率越大，烟气层高度越高，车厢内温度越低，此时应保持车厢间的连接处畅通，便于人员从临近车厢疏散。运用FDS 软件对两节动车车厢进行6 种不同工况下的火灾模拟，通过分析以上数据，得到以下几点结论。( 1) 当两节车厢有一处火源时，风机风速调至2. 5m/s 即可满足排烟要求，烟气蔓延几乎不会影响到其他车厢。建议保持车厢间的连接通道畅通，便于火源车厢人员及时疏散。( 2) 当两节车厢有两个火源时，烟气涌入车厢间的通道进行热气流交换，这对坐在此处的乘客有很大的危害。建议关闭车厢通道，增大风机速率，车内人员应从其他车厢疏散。( 3) 不同地点的烟气层高度不同，火源附近的烟气层高度要低，但在两节车厢的连接处，烟气层高度也很低，这说明烟气迁移到车厢连接通道处时，遇到顶棚而向下蔓延。导致此处的烟气聚集。此时人员疏散时应避免通过此通道，在此处聚集的烟气也应尽快排放。

3 结论

通过上述前人研究成果和目前研究现状的分析可以看出，其研究路线主要以试验研究为主，主要采用计算机模拟和经验进行火灾分析，由于实体全尺寸验证实验的昂贵和火灾发展的不确定性，所以，基本不进行实体验证实验。因此，在现实中火灾模拟只是作为火灾分析的一种参考，而不能作为依据进行火灾实体的评估和火灾预测的依据。所以，以后火灾模拟的趋势应该是更加注重模拟对象的现实情况和周边情况，进行全尺寸的模拟。

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