基于FDS的室内火灾模拟研究

1、基于FDS的室内火灾模拟研究目录基于FDS的室内火灾模拟研究1基于FDS的室内火灾模拟研究2目录21.引言32、FDS软件概述32.1 FDS软件介绍及发展42.2 Pyrosim相关简介52.3FDS特点52.4 FDS软件操作62.4.1 文件设置62.4.2 操作步骤73 室内火灾研究发展状况83.1 国外火灾模拟研究发展状况83.2 国内火灾模拟研究发展状况94 FDS软件建立模型104.1模型的建立104.2点火器和地板104.3热电偶的布置115模拟结果115.1热电偶125.2热释热率145.3结论146.结束语157 参考文献15摘要：室内装饰材料在建筑物中得到越来越广泛的运用

2、，大多数室内装饰材料都是可燃甚至易燃材料，从而使其成为潜在火源并增加了建筑物的火灾荷载。基于大涡模拟理论的FDS模型模拟了室内火灾中的温度和热释放率，结果证明运用FDS软件模拟室内火灾是可行的。关键词：室内火灾 FDS 火灾模拟1.引言室内火灾是指烧损室内可燃物的现象。室内火灾如果得不到好的控制就有可能发展到某些防火分区或整个建筑火灾，随着人们生活水平的提高，各式各样的室内装饰材料如雨后春笋般出现。建筑装饰材料因其美观的效果在建筑物中得到了越来越广泛的应用。通过分析火灾过程中的重要参数，如热释放速率和室内温度，证明了用FDS对室内建筑装修材料的火灾特性的研究是很可靠的1。2、FDS软件概述近年

3、来，受益于计算机技术的飞速发展，火灾数值模拟技术也在其原有的基础上得到了进一步提升。火灾本身是一个非常复杂的过程，根据所模拟的现象、研究层次和研究方法的区别，当前应用于火灾研究方面的数值模型主要有专家系统 (Expert System)、区域模型 (Zone Model)、场模型 (Field Model)、网络模型 (Network Model)和混合模型 (Hybrid Model)L292。数值模型的特点如下：1、专家系统是一种经验模拟，常用的有美国标准与技术研究院(NlST)开发的FPETOOL模型和丹麦火灾研究所编制的ARGOS模型；2、区域模型是一种半物理模型，相当近似和粗糙，CF

4、AST、ASET、BR12、CCFM一VENTS、CFIRE一X和中国科学技术大学研发的FAC3等是区域模型中的佼佼者；3、网络模型主要适用于受限空间，它只适合于将远离火场的区域作为对象，如日本的BR工、加拿大的FIRECAM、英国的 BRE、美国的NlST、荷兰的TNO等是比较典型的代表3；4、场模拟可得到较详细的物理量时空分布，能精细体现火灾现象，通用的商业软件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STARCD等为代表，它的专用软件针对性强，如瑞典Lund大学的SOFIE、美国NlST研发的FDS和英国的JASM顶E等。上述诸多数值模型的典型研发软件在火灾建模及消防安全评估方面均有相当

5、大的实用价值，成为研究火灾及消防安全必不可少的工具软件。场模拟在上述多种数值模型中以其特有的优势（可以得到比较详细的物理量时空分布，可精细地体现火灾现象）得到了人们的推崇，特别是近年来高速、大容量计算机的迅猛发展，更多的研究者选择场模拟模型，使其得到了越来越广泛的应用4。2.1 FDS软件介绍及发展FDS （Fire Dynamics Simulator）是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件，由美国国家标准技术研究所（NIST）开发。在前述诸多软件中具有观察界面友好、可视性强、针对性强等优点，并且可以得到物理量比较详细的时间分布及空间分布，能精细模拟火灾现象，同时对计算机的

6、计算能力和运算时间均可根据所研究对象的实际需求调节，随着高速、大容量计算机的发展，FDS也得到了更广泛的应用，常用该软件对火灾进行研究，模拟再现火灾过程5。FDS重要作用为：FDS以火灾中流体运动为主要模拟对象，重点计算火灾中烟气开放和热传递过程。FDS旨在解决消防工程中的实际问题，也可为火灾科学的理论研究作指导6。进行FDS模拟是为了得到一系列有关烟雾、温度、毒气等相关参数，再对实际工程进行设计，以保证一旦火灾发生，其烟雾保持在一定的高度之上，毒气的浓度在一定的范围内，从而不会威胁到疏散人员的安全。FDS火灾动力学模拟模型是针对火灾引起气流等流动进行研究的流体动力学计算模型，其版本1在200

7、0年2月公开发布，版本2于2001年12月公开发布，目前，版本5已经推出7。FDS火灾模拟软件包含FDS和Smoke View两部分8：1、FDS是软件的主体部分，主要用于完成模拟场景的构建和计算。 FDS可以模拟：火灾驱动的传热；温度分布、毒气浓度、烟气流动；热辐射和对流；喷淋、探测装置的火灾响应。2、Smoke View是一个可视化程序，是FDS计算结果显示程序，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9。2.2 Pyrosim相关简介Pyrosim是美国国家标准技术研究所在FDS基础上发展而来的，是FDS进行前处理和后处理的图形用户界面，可以进行三维图形化前处

8、理，编辑效果可视。 PyroSim可视化的建模界面融合了FDS语言中的所有功能，用户从网格划分开始到输出设置都可以通过弹出窗口进行设置，随时可以修改建模中发现的问题，从而提高了建模的速度。与FDS命令相比，Pyrosim构建场景更直观简便，模块的辅助创建可直接调用FDS计算核心，实现Smoke view并输出数据10。Pyrosim软件是美国RJA公司开发的FDS建模工具， 建筑工程师和消防工程师对它广泛使用，用来建模； PyroSim被用来建立消防模拟，并对火灾中烟气的运动、温度、和毒气浓度进行准确预测分析，该软件可以建立模型，导入FDS软件。 PyroSim不仅能够比较方便的进行建模计算，

9、 可以快捷的进行模型预览，还可以自动编写FDS输入文件。2.3FDS特点FDS火灾动力学模拟模型发展到目前为止，约有一半将烟气控制系统的设计、喷淋喷头和探测器的启动作为对象进行研究，余者主要针对住宅和工厂等建筑的火灾消防进行研究。FDS在其十年有余的发展过程中，致力于解决防火工程中面临的各种实际问题，同时也为火灾模拟研究提供了一个有效的工具。FDS的主要功能特点如下11：1、FDS采用那维尔一斯托克斯方程（粘性流体方程）来对于低速、热驱动流进行定量计算，主要侧重于火灾产生的高温烟流的发生发展过程及其引起的热传输规律。2、FDS提供了两种数值模拟方法：直接数值模拟(Direct Numerica

10、l Simulation，DNS)和大涡模拟 (Large Eddy Simulation，LES)。DNS主要适用于小尺寸情况下的火焰结构分析，LES则适用于大空间建筑结构内的烟气流动过程研究。3、FDS采用了两种燃烧模型：有限反应率(FiniteRate Reaction)燃烧模型和混合分数燃烧模型。前者适用于直接数值模拟，后者适用于大涡模型。FDS默认大涡模型。4、FDS采用场模拟流行的矩形网格来近似表示所研究的建筑空间对象，使用者建立的建筑空间应与已设定的网格匹配，当出现不足一个网格的情况可将其视为一个网格或将其忽略掉。5、FDS对模拟空间的所有固体表面均赋予热边界条件，并规定了其材料

11、的燃烧特性，均采用经验公式进行处理。6、FDS软件还附带有一个独立的可视化Smoke view程序，用于展示和查看FDS的模拟计算结果。在前述诸多的火灾数值模型中，FDS火灾动力学模拟模型以其在室内火灾模拟中的突出优势，因此采用它进行室内火灾的数值分析研究。例如，FDS可以较为详细的模拟出室内火灾时的烟气的流动情况，并在Smoke view中展示；它提供的LES数值模拟方法可以较好的适应空间较大的建筑结构内的烟气流动过程；它的混合分数模型可以定义出多种组分的混合气体中某种气体的质量和总质量之比，对于研究室内火灾这种相对封闭的特殊空间十分有利；并且，它采用矩形网格来构建研究的空间的方法，有利于通

12、过控制网格的尺寸来逼近和拟合室内结构空间发生变化的非线性空间结构，为室内火灾的模拟提供了方便12。2.4 FDS软件操作2.4.1 文件设置FDS的输入文件中需要包含：1、控制区域内建筑的几何形状；2、计算单元的尺寸；3、网格划分；4、火源的设定；5、燃料类型；6、材料的热物性；7、边界条件； 8、探测器布置；FDS的输出文件应该包括：密度、温度、速度、压力、热释放速率、燃烧产物的浓度、混合分数、以及热流和辐射热等等。2.4.2 操作步骤使用FDS和Smokeview的一般步骤：1、建立一个FDS输入文件；2、运行FDS，然后FDS生成一个或多个输出文件。 FDS数据的输出主要有以下几种形式：

13、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Smokeview来分析由第2步产生的输出文件。具体操作步骤如图1所示：预备工作：将现实转化成物理模型，确定所建模型空间数据、所需物质材料，搜集材料性质相关数据等。 网格划分：网格划分关乎模拟精度，故划分网格应尽量满足一下两点要求。网格在三个方向的尺寸最好接近；划分好的网格应符合2u3v5w，其中u、v、w为整数。 预备工作输材料数据创建网格创建表

14、面创建实体定义边界条件核对运行查看结果分析结果图1 FDS具体操作步骤3 室内火灾研究发展状况3.1 国外火灾模拟研究发展状况经济社会发展带来的消防安全需求和科学技术的不断进步，推动了火灾科学和消防技术的长足发展。19 世纪末、20 世纪初电气控制技术与水力学的发展，促进了自动喷水灭火系统的出现和灭火控制技术的应用。20 世纪 40 年代以后，控制燃烧系统预测技术的显著进展，使得消防工程工具逐步得到应用。60 年代至 70 年代，世界范围内一系列灾难性的高层建筑火灾，极大地促进了对高层建筑中烟气运动规律的研究，使更为系统化的人身安全设计方法在建筑设计中得到应用。1985 年，庄斯特教授出版的火

15、灾动力学导论对此前 10 年间与室内火灾特性有关的消防工程基本原理研究成果进行了总结。80 年代后期，旨在提高消防投资效益、扩大国际贸易和促进新材料使用的性能化防火设计方法开始得到研究和应用，并涌现出了大量用于分析和评价火灾风险的火灾模型。火灾模拟研究可以追述到上个世纪 60 年代，在过去的几十年里，各式各样的火灾模型不断改进、完善，并已用来指导建筑规划、防火设计、消防和人员疏散等13。美国哈佛大学的埃蒙斯（Emmons）教授首次提出了区域模拟理论，既把所研究的空间分成少数几个区域，然后根据火灾各个分过程的理论与实验数据，确定这些过程对各区域中典型火灾参数的影响，以求得该类参数在建筑物内部随时

16、间的变化和分布。这种理论可以较好地反映出火灾发展的整体特征。80 年代初，埃蒙斯采用数学分析的方法，创造性地把质量守恒、动量守恒和能量守恒原理以及化学反应原理应用于建筑火灾的研究之中，奠定了区域模拟的理论基础，后被称作“火灾科学之父”。在埃蒙斯研究的基础上，国外火灾研究从 70 年代初期开始出现由单纯着眼于扑救到探讨火灾机理的重大转变。美国、英国、日本、俄罗斯等许多国家都在原有基础上相继建立了多层次的从事火灾应用基础研究的机构，促进了火灾机理研究的进程。初期阶段研究的重点是如何用数学语言来描述在火灾成长和传播过程中观察到的各种现象，即数学建模。这些专题性的描述只能分别表现火灾特性的一小部分，把

17、它们综合起来就形成一个完整的火灾数学模型，最终实现计算机模拟，输入相关的参数终端将输出模拟结果。据 Friedman 1992 年的统计，目前建筑火灾计算机模型共有 74 种，包括：室内火灾的区域模拟、室内火灾的场模拟、火灾动力环境（主要是温度）的模拟、火灾烟气流动的模拟、计算火焰生长速度的模型、预测火灾极限（轰燃）模型、描述探测器和喷淋装置在火灾中的反应的模型、人员安全疏散模型、计算建筑物构件火灾承受极限的模型等。火灾计算机模型较大的不同之处在于复杂程度和应用范围不同。火室（单室）填充模型如适用于单室的 ASET（Available Safe Egress Time )，FIRST(Fire

18、 Simulation Technique)及计算轰燃后火室温度的 COMPEF2 等，而 LAVENT 是专门处理顶棚射流问题的软件。除上述单室火室模型外，还有少数多室模型如 BRI 传输模型、CCFM（Consolidated Compartment Fire Model Version VENTS)、FAST(Fire and Smoke Transport)，CFAST（Compartments Fire and Smoke Transport）等。另外还有一些场模拟大型通用程序（如 PHOENICS， FLOW3D， JASMINE 等）、网络模拟程序和专家系统形式的实用软件14。3

19、.2 国内火灾模拟研究发展状况我国的消防科研事业起步于 20 世纪 80 年代中后期。中国科学技术大学在燃烧、传热传质、流动、测量以及计算机模拟等方面培养了素质较强的科研队伍，近年来针对我国火灾科研中的薄弱环节，密切关注国际上最新动态，及时在火灾的计算机模拟、实验模拟、材料热物性测量等方面展开了广泛研究，率先提出了火灾双重性的思想及有关理论和建筑火灾计算机模拟的场-区域模拟和场-区域-网络化模拟理论，引起了国内外火灾学术界的关注和重视。中国科技大学火灾科学国家重点实验室开发了区域模拟软件FAC3。区域模拟在对火灾燃烧系统进行较大简化的同时，尽可能保留火灾燃烧系统的复杂性机制，从而有可能以较少的

20、计算量来揭示火灾系统的复杂性特征。但是这种方法却无法得到流场的某些细节。同时对诸如气体卷吸、烟流回流（滚退）等现象予以模拟却相当困难。中国矿业大学（北京校区）在火灾网络模拟技术方面的研究处于国际先进水平，并已将一维网络模拟技术应用到高层建筑火灾的研究中。总体来讲，我国的火灾科学正在快速的发展之中。目前已建立的成熟的建筑火灾烟气运动数学模型有三种，分别为网络模型，区域模型及场模型。对于高层建筑火灾中的烟气运动，这三种模型各有优缺点，只有把它们两者或两者以上结合起来，充分发挥其各自的优势，才能找到一种较合适的解决建筑火灾烟气运动的数值模拟方法15。4 FDS软件建立模型4.1模型的建立选择一个位置

21、保存模型，由于FDS模拟会生成许多文件和大量的数据，所以最好是建立一个新文件夹。在本例中网格大小0.1m，在几何学上，便于燃烧物的热释放率得到精确的仿真结果。 燃烧间内部尺寸为5.2m×4.6m×2.4m，墙的四周由石膏组成，地板材质为黄松木。在东墙和北墙分别有一个沙发，地板上有个衬垫，东墙有一副画。门的尺寸为0.2m×2.0m，位于西墙，目的是能够收集房间内的燃烧产物。点火器放在靠东墙的沙发上。4.2点火器和地板在FDS中，用通风孔来描述2D平面对象，所以现在要用通风孔来定义点火器和地板。点火器以稳定的热释放率释放热量120秒，引起了火灾，相邻的物质达到了引燃温

22、度也开始燃烧。 这里，我要在沙发上的点火器使用一个通风孔，点火器如图2所示。在沙发上创建一个原始点火器，这个点火器以恒定的释放率释放热将会点燃室内装潢材料。 图2 点火器和地板（红色为点火器，黄边包围的区域为地板）4.3热电偶的布置为了获得准确的实验数据，本实验要安装6个热电偶来建立模型，最高的热电偶在2.1m处，在其正下面依次降低0.3m分布其它5个热电偶。6个热电偶如图3所示。图3 模型热电偶的分布（黄色圆点为热电偶）5模拟结果为了减少模拟时间，得到准确的模拟结果，把模拟时间定为600 s。如图4所示为FDS建立的整个模型。图4 整个模型从Smokeview模拟的图5中可以看到： 600s

23、内，每个时刻在X=0.79m平面的温度等温面，这便于用来研究分析不同时刻时室内火灾的温度分布情况。也可得到在火灾燃烧中，开始只是燃烧点燃烧，而后引起沙发更大面积的燃烧。图5 204S时X=0.79m处的温度等温线5.1热电偶如图611所示为六个热电偶测量温度的显示结果：1、每个时刻，不同点的具体温度；2、各处温度整体呈上升趋势；3、随着高度的下降，从第一个到第六个点的温度，逐渐减小：第一个热电偶：X=2.1m，最高温度21.2度；第二个热电偶：X=1.8m，最高温度20.9度；第三个热电偶：X=1.5m，最高温度20.5度；第四个热电偶：X=1.2m，最高温度20.25度；第五个热电偶：X=0

24、.9m，最高温度20.09度；第六个热电偶：X=0.6m，最高温度20.02度 。图6 第一个热电偶 图7 第二个热电偶图8 第三个热电偶 图9 第四个热电偶图10 第五个热电偶 图11 第六个热电偶在模型的中间安装了6个热电偶进行研究，如上图所示为模拟中6个热电偶的温度曲线。由图可知，5 条曲线比较接近，这是因为最左面的5个热电偶位于点火器的上方，记录下的温度主要是火焰的温度，因此开始的温度上升较快。从热电偶测得的温度曲线看出，最初的表面温度迅速升高，这标志着火蔓延的开始。当装饰材料表面被引燃时，此时温度迅速增加，这表明此刻该处由于快速的火蔓延而被点燃，转折点的温度即为装饰材料被引燃的临界温

25、度。需要指出的是，在不同的位置表面引燃温度是不尽相同的。5.2热释热率如图12所示，在模拟实验中的热释热率：1、在600s内，不同时刻燃烧面的热释放率值。2、热释放率的整体趋势，先上升，然后慢慢下降，且在t=350s，热释放率上升迅速，而后缓慢下降。3、600s内，热释放率最大值在t=400s处，为200kw。 通过对这些数据的详细分析，了解室内火灾的具体情况和特性，以便用于其他灭火设施或设备等装置的研究。 图12 热释热率5.3结论本文在模拟室内火灾时应用了FDS软件，通过对模拟后温度、释热率的分析，验证了用FDS模拟室内火灾的可行性，应用FDS可以模拟室内火灾蔓延的趋势。但是模拟结果也出现

26、了一些误差，经过分析造成这些误差的主要原因是：1、由于计算机条件的限制，必须减少一定的计算量，因此模拟中网格选用的偏大，使计算的结果不是很精确。2、FDS数据库中没有所需要材料的参数，因此选用相似材料来代替。3、实际实验点火源没有给出具体的尺寸，模拟点火源的大小是估算的。经过以上误差的分析，如果想要得到较准确的模拟结果，获得准确的数据是关键，在模拟时必须要有全面并且准确的数据来预设火灾条件，只有这样计算出来的结果才能准确。6.结束语计算机模拟可以大大节省研究和模型实验测试的费用，同时可通过设定多种火灾场景进行重复的模拟和演算。利用计算机模拟了室内火灾的实验，证明了FDS (Fire Dynamics Simulator) 软件对单房间或数目较少的房间作火灾预测分析时，是一个很好的分析工具。但在模拟过程中也发现了该软件的不足点：1、FDS只提供了建立沿坐标轴放置的长方形或长方体模型的方法，对于其它形状或放置姿态的