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姓名：张志魁学号：123140301学院：环境科学与安全工程学院专业：安全技术与工程_班级：2012级研究生_2013年9月1日浅析FDS火灾模拟及应用现状摘要：FDS（FireDynamicsSimulator）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]。1FDS计算步骤FDS火灾模拟软件包含FDS和SomkerView2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OfficeExcel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: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（firedynamicssimulator）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。参考文献：[1]丛北华,廖光煌,韦亚星.计算机模拟在火灾科学与工程研究中的应用[J].防灾减灾工程学报,2003,23(2):63-69.[2]KevinMcGrattan,GlennForney.FireDynamicsSimulator(Version4)User’sGuide[R].U.S.GovernmentPrintingOffice,2006:1-31.[3]J1E1Floyd,K1B1McGrattan,S1Hostikka,eta11CFDFireSimulationUsingMixtureFractionCombustionandFiniteVol2umeRadioactiveHeatTransfer[J]1JournalofFireProtectionEngineering,2003(13):11～361[4]赵哲，姚浩伟，刘飞，梁栋.基于数值模拟的某地下商场人员疏散评价[J].消防科学与技术[J]，2013，32（1）：12-14.[5]李引擎．建筑防火性能化设计[M]．北京：化学工业出版社，2005．[6]霍然．性能化建筑防火分析与设计[M]．合肥：安徽科学技术出版社，2003．[7]王媛，唐玲，雷成宝，黄灿.基于FDS某地下商场火灾分析[J].消防科学与技术,2012,31(12):1282[8]张云明．大型商业建筑火灾疏散性能化分析方法研究[D]．西安：西安科技大学，2006．[9]庄磊，杨庆云，孙志友，等．某地下大型商业建筑防火分隔方案设计和评估[J]．火灾科学，2007,3(6)：166．[10]郑雁秋．地下商业建筑防火设计[J]．消防科学与技术，2011，30(1)：31-34．[11]徐茜．大型地下商业建筑防火分隔方案优化[J]．消防科学与技术，2011，30(11)：998-1002.[12]黄浩，李波.ＫＴＶ受限空间火灾及人员疏散模拟[J].消防科学与技术，2013,32（2）136.[13]赵泽文．常用火灾数值模拟软件ＦＤＳ的应用探讨［Ｊ］．山西建筑,2010，36（13）：364-365．[14]姜立春，陈锦添．ＫＴＶ火灾人员安全疏散研究［Ｊ］．消防科学与技术，2012，31（11）。[15]王春，方惠惠，黄显青，汪芳迪.地铁火灾数值模拟研究最新进展[J].消防技术与产品信息，2013（3），33-35.[16]史聪灵，钟茂华，涂旭炜，等．深埋地铁车站火灾实验与数值分析［M］．北京:科学出版社，2009:4-5[17]鲁嘉华，张志英．地铁火灾数值模拟研究综述［J］．上海理工大学学报，2008，30(5):502-506．[18]龚伟，游伟．地铁车站火灾烟气蔓延数值模拟分析［J］．建筑防火设计．2009，29(4):294-296．[19]韩凯旋,任神,河何娣.基于ＦＤＳ地铁火灾烟气蔓延数值模拟研究[J].现代电子科技.2012,35(3):147[20]杨凯吕淑然王超群.基于FDS的木成涧煤矿井下火灾数值模拟[J].安全科学技术.2013(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