1、1FDS 4 使用说明前言这本指南描述怎样使用火灾动力学模拟模型 (FDS)。 它不提供背景理论,但提供了一份配套文件-FDS 技术参考指南 1 ，其中包括了详细的控制方程，数值方法和验证工作。 尽管用户指南中包含进行火灾模拟全部必要的信息， 读者也应当熟悉技术参考指南里的一些背景理论。 软件和用户向导只能以对输入参数适当描述的形式提供有限的指导。FDS 用户指南中结合 FDS 可视化程序只给出了怎样操作 Smokeview 的有限信息， 它的全面描述在“ Smokeview 版本 4 的用户指南“里给出 2. 这本指南也包含关于怎样使用Smokeview 设计 FDS 计算的内容，并提供关于
2、使用两个模型的简短的指导。 免责声明美国商业部没有对 FDS 的用户作出保证、表达或暗示，并且对它们的使用不承担任何责任。在联邦法律的许可下，FDS 用户假定有唯一的责任决定它们在一些具体应用中适当的使用；一些从它们的计算结果中得出的结论；使用或不使用来自这些工具分析的结果。用户必须注意 FDS 是专供那些在流体力学、热力学、燃烧学以及传热学有研究能力的用户使用和作为那些已有资格的用户在决策时的辅助。当它被应用于一个精确的现实环境时，软件包是一个可以包含或不包含预测值的计算机模拟。从关注火灾安全方面考虑，缺少了精确预测的模拟会导致错误的结论。所有的结果都应该由一位有经验的用户进行评价。本指南中
3、所提及的计算机硬件或者商业软件未得到 NIST 的认可，也不表明其对于预定目标是最佳的选择。 说明各种形式的火灾动力学模拟模型开发研究已将近 25 年，但软件的公开发布只是从 2000 年开始。很多的个人对模型的开发和验证作出了贡献，计算机程序的编写由一个相对较小的小组负责，FDS 技术指南包含了一个全面的模型发展贡献者的名单。但这里我们只认可参加程序实际编写的个人。最初， 基本流体力学方面由罗纳德雷姆（Ronald Rehm）和霍华德鲍姆（Howard Baum）， 在 NIST 的计算与应用数学实验室(CAML)的 Darcy Barnett, Dan Lozier ， Hai Tang
4、以及建筑与火灾研究实验室(BFRL)的丹;科利（Dan Corley）的协助下设计完成。软件最初的可视化由 CAML 的吉姆;西姆斯（Jim Sims）完成。 纵向压力问题由国家大气研究中心（NCAR）的 Boulder 和 Colorado 解决。Kevin Mc-Grattan 扩展包括火灾发展轨迹的基本程序，并保留了 FDS 管理程序源代码（and he remains the custodian of the FDS source code.）。Glenn Forney 开发了相关的可视化程序 Smokeview 。Kuldeep Prasad 为其增加了多网格的数据结构，为平行处理做
5、准备。William (Ruddy) Mell 为其增加了特殊的火灾发展程序使模型可用于微重力条件燃烧和荒原火灾蔓延的评估。Charles Bouldin 设计了并行处理代码的基本框架。贾森弗洛伊德，一前尼斯特文件后，写混合物小部分和小滴蒸发常规。 Simo Hostikka，尼斯特 VTT 大楼的客人研究人员和运输，芬兰，那些辐射解答者和那些炭热解常规写。 虽然不再在尼斯特，两个继续对源码做出显著贡献。 Jason Floyd ，NIST Post-Doc 的起草者之一编写了混合物部分和液滴蒸发部分的程序。NIST 来自芬兰 VTT 建筑与运输的访问学者 Simo Hostikka, 编写了
6、辐射和高温分解产物部分的程序。两位研究者虽然目前都已离开 NIST, 但仍然对 FDS 的源代码的发展作者杰出2贡献。1 引言火灾动力学模拟模型(FDS)是一个对火灾引起流动的流体动力学计算模型。软件对于低速、热驱动流的定量计算使用那维尔-斯托克斯方程（粘性流体方程）， 其侧重于火灾产生的烟气和引起的热传输。方程的公式和数值运算法则在配套文件火灾动力学模拟模型(4.0 版本) - 技术参考指南 1中给出。 Smokeview 是用于展示一次 FDS 模拟结果的可视程序。本指南中给出了 Smokeviewis 的一些示例详细的描述在配套文件 Smokeview 4 版本的用户指南 2中给出。1.
7、1 FDS 的特点FDS 的版本 1 于 2000 年 2 月公开发布。版本 2 在 2001 年 12 月公开发布。 到目前为止，模型约一半的应用用于烟气控制系统的设计和喷淋喷头或探测器启动的研究，另一半用于住宅和工厂火灾模拟。在整个的发展过程中，FDS 的目的是在致力于解决防火工程中实际问题的同时为火灾动力学和燃烧学的基础研究提供一个工具。流体动力模型 FDS 对于低速、热驱动流的定量计算使用那维尔-斯托克斯方程（粘性流体方程），其侧重于火灾产生的烟气和引起的热传导。核心运算是一个明确的预测校正方案，在时间和空间二阶上精确。湍流通过大涡流模拟(LES)的 Smagorinsky 来处理。
8、如果基础的数值表足够清晰，则可进行直接数值模拟(DNS)。 LES 默认这种操作。燃烧模型 对大多数应用来说，FDS 使用一个混合物百分数燃烧模型。 混合物百分数是一个守恒量，其定义为起源于燃料的流动区给定点的气体百分数。模型假定燃烧是一种混合控制（mixing-controlled），且燃料与氧气的反应进行非常快。所有反应物和产物的质量百分数可通过使用“状态关系”燃烧简化分析和测量得出的经验表达式由混合物百分数推导出。辐射传输 辐射传热通过模型中的非扩散灰色气体的辐射传输方程解决，在一些有限的情况下使用宽带模型。方程求解采用类似于对流传热的有限体积法，因而，命名为“有限体积法”(FVM)。选
9、用约 100 个不连续的角度，由于辐射传热的复杂性，有限体积解算程序在一次计算中需占约 15的 CPU 处理时间。水滴能吸收热辐射，这在有细水雾喷头的场所起很大的作用，在其他设置喷淋喷头的场所也起到一定作用。这种吸收系数以 Mie 理论为基准。几何结构 FDS 将控制方程近似为在直线的栅格（网格）上，因此用户在指定矩形障碍物时须与基础网格一致。多网格 这是用来在一次计算过程中描述使用不止一个矩形的网格的一个术语。当使用单网格不易计算时，可采用多于一个的矩形网格。 边界条件 给定所有固体表面的热边界条件，以及材料的燃烧特性。通常，材料特性储存于一个数据库中并可用名称调用。固体表面的热量和质量转换
10、通常可使用经验公式解决，但当执行直接数值模拟（DNS）时可直接进行估算。1.2 FDS4 的优势FDS4 具备 FDS3 的所有性能，同时，进行了一些完善、重组和缺陷修正。其中比较重要的方面有：平行处理 通过使用信息传送接口(MPI) 可用多台计算机进行一次 FDS 计算。详细情况见第 3.2.2 部分。多网格 对多网格性能进行了改善，使模拟设计具有更多灵活性。详见第 4.2.3 部分。孔洞 现在障碍物可以以一个具体的剪切块代表。这对于固体墙面的雕花门和窗很有意义，因其不需要把墙拆成散片。详细情况参见第 4.4.5 部分。炭化模型 实现了炭化模型，可对固体材料的薄热解正面进行跟踪。正面原始燃料
11、与炭化的3材料分离。燃料和炭的热性质应由用户提供。详见第 5.7.2 部分。随温度变化的材料特性 现在可认为固体材料性质是一个温度的函数，应注意的是这种精确改变了一些在 FDS 以前版本中使用的常规热解。在第 4.4.1 部分给出这种变化对输入文件的影响程度。拉格朗日粒子 涉及到拉格朗日粒子的输入文件格式发生了变化，拉格朗日粒子包括喷淋,液滴和跟踪粒子。基础的物理模型是相同的，但在程序代码中与 NIST 研究现行使用的不同。FDS 3 的输入文件在 FDS4 中仍可运行，但是作用效果发生了变化。粒子参数转换的详细情况见第 4.5 部分。烟气层高度 加入了一个关于烟气层（界面）高度的简单计算，以
12、便用户可以与区域模型计算进行比较或者能以更简单的方式表达 FDS 的结果。详见第 5.11 部分。2 启动火灾动力学模型(FDS) 是一个 Fortran 90 计算机程序，用于计算热流体和火灾的控制方程。关于方程以及怎样数值求解的详细描述见参考文献1。FDS 的输出结果由程序Smokeview.可视化，Smokeview 的用户指南见参考文献 2。2.1 怎样得到 FDS 和 Smokeview关于 FDS 和 Smokeview 的所有文件可以在以下地址获得：http:/fire.nist.gov/fds ，在网页上可以找到关于新版本、缺陷修订等信息。因为 FDS 不总是兼容，新版本的执行
13、文件包括版本号 fds#.exe。 用户也许愿意保留老版本 FDSU 的执行文件以便进行新旧版本输出结果的比较。而图示程序 Smokeview 以兼容为背景，因此鼓励用户以新的 Smokeview 文件取代旧的。 FDS 的分配包括个人电脑 Windows 操作系统的自提取安装程序， 引导 Unix, Linux 以及 Mac 用户 进入源程序代码、一些编译执行文件和生成文件等的文件传输协议（FTP）地址。下载安装程序之后，双击图标开始一系列的安装步骤。在安装中最重要的是目录(通常称作 c:nistfds)的生成，在目录下要安装 FDS 和 Smokeview 的执行文件、Smokeview
14、的选择文件 smokeview.ini 以及包括一些示例、参考手册和补充数据的文件。安装程序还定义了变量路径和 Smokeview 程序的相关扩展文件.smv ，这样用户即可选择在命令行键入命令提示符也可选择双击任意.smv 文件。已经下载了 FDS 早期版本并保留了文件结构的用户，只需对新文件进行不同的分配。为避免命名的冲突，不同版本的相关文件通常在文件名中插入版本号。2.2 计算机硬件要求FDS 需要较快的的 CPU 和质量好的随机存取存储器 (RAM)。对于基于 Windows 操作系统的个人电脑（PC）, 处理器至少需要 1 GHz Pentium III、512 MB 的 RAM。当
15、然配置越高越好，要求高的用户应考虑配备最快的 CPU 和最大的 RAM。 此外，需要一个大的硬盘驱动器用于储存输出计算结果。通常单次的计算结果就会生成约 1 GB 的输出文件。 现在大多数的计算机硬盘至少 20 GB。对于基于 Unix 的工作站，处理器和内存的配备至少应 达到PC 机（个人电脑）的要求。在近几年内购买的绝大多数计算机都满足运行的要求。Smokeview 需要额外的内存(RAM)，需达到至少 512 MB，目的是计算机不需要与磁盘进行“交换”就可以展示结果。对于 Smokeview，具备快速的图形处理器比快速的 CPU 更重要。如果已达到可以运行FDS 和 Smokeview，
16、则具备一个快速的 CPU 也是重要的。2.3 计算机操作系统(OS)和软件要求 开发 FDS 和 Smokeview 目的是使当前的防火工程能够在一个合理的花费下进行相当完善的火灾模拟。因此， 设计开发的 FDS 和 Smokeview 可以在 Microsoft Windows、Mac OS 4X、以及 Unix/Linux 的各种执行系统下运行。因为大多数的工程师使用的是 MS Windows系统， FDS 和 Smokeview 的编译版本适用于这种操作系统 ( OS.)。 FDS 或Smokeview 可在 Windows 95（其缺乏 Smokeview1 所需的程序库） 以外的任何
17、版本运行。Unix, Linux 和 Mac 用户可在下载合适的提前编译执行文件并进行适当的安装后也可以运行 FDS 和 Smokeview 如果提前编译的 FDS 执行文件不能工作（通常是因为信息库不兼容），可以下载 FDS 源码并使用 Fortran 90 和 C 编译器(详细信息，参见附录 A)。 如果 Smokeview 在 Linux或 Unix 工作站不工作，应使用 Windows PC 观看 FDS 输出结果。对于欲进行并行处理的用户，应在集群的每台计算机上的安装信息传送接口(MPI)。在Windows PC 安装 MPI 的有关内容在附录 A 中给出。对于其他的操作平台，有各种
18、合适的执行 MPI ，有关内容可请教系统管理员或硬件/软件供应商。1 注：Some users of 一些 Windows ME 的用户在操作 Smokeview 视窗时会遇到麻烦，在条件允许的情况下，建议使用 Windows 2000 及以上系统。3 运行 FDS运行 FDS 相对来说是简单的。描述给定火灾场景的所有参数创建一个文本文件作为“数据库”或“输入”文件。在本指南中数据文件为 job name.data, 其中“job name”代表可以确定模拟的任意特征，与计算相关的所有结果输出文件名都具备这一共有前缀。除了输入文件以外，还有一些包含模拟输入参数的外部文件。因为其包含 描述一般材
19、料和燃料的参数，每一个这样的文件被认为使“数据库”文件。 通常数据库文件保存在一个独立的地址目录中。包含具体喷头信息的文件也随数据库文件一起保存，数据库和喷头文件可以 进行修改或移动。建议新用户在创建新输入文件前从一个已存在的数据文件开始，运行，然后对其输入文件进行合适的改动。通过运行实例，用户可以熟悉操作过程、学习使用 Smokeview 以及 确定其计算机配置能否胜任。3.1 创建 FDS 输入数据文件输入数据文件为程序提供描述火灾场景的参数。参数编进相关变量组中。例如：SURF 组包含描述固体表面性质的参数。输入文件的每一行包含同组的参数，这些行用 Fortran 格式化语言写。每条记录
20、以字符如果多于一个网眼被使用，应在每个网眼操作时使用 GRID 线和 PDIM 线。这些命令会被输入一个文档文件中。总的来说，网眼应按从最精细到最粗糙的顺序输入。FDS 假设先输入的网眼优先于后出现的网眼。网眼可以重叠，相邻或根本无接触，在最后一种情况下，实际上两个独立的计算之间根本没有任何信息交换。数据出/入端口进入全部连动系统而不需应用任何一个特殊的网眼。每一个网眼会检查并决定它们是否应该被包括进去。避免网眼边界越限，尤其是对于火情。有时火情从一个网眼扩到另一个网眼是不可避免的，但是应尽量避免。因为跨网眼信息交换的准确性远没有一个网眼内单元之间准确。从其它网眼传来的信息仅能来自于外部已定义
21、好的网眼，这就意味着一个网眼能完全插入到另外一个可接受外部信息的网眼中。实际上，大的网眼通常会定义粗糙，也只能按照自身的程式进行工作，而不能引用更细小的，通常更精确的网眼，因此这种较大的网眼将无法从插入的较小网眼中读取信息。在细小栅格中的一些细节，尤其是有关于火情增势或蔓延势头的信息将无法被较粗糙栅格引用。在这种情况下，最好是单独隔离存有火情细节的网眼，而将较粗糙网眼置于此细小网眼边界之旁，这样粗细网眼中便能互传信息了。使用相对粗糙的栅格来确认信息是否能从各网眼中传送的不同网眼实验有两点值得注意。第一，信息流是否在网眼边界错误引用。如果是，那么就须要将网眼边界从操作区域内移出。第二，单元尺寸是
22、否差距过大。如果是，那么应考虑将信息从精细单元内导入粗糙单元时所造成的误差是否在误差容许值之内。当使用快捷命令来操作主界面时应小心，此时应将主界面设为 OPEN（打开）状态。这样每一个栅格都会表现出其属性。详见第 4.4.6 节。如果多于一个网眼被用于计算，那么就不会有计算机背景压力产生。事实上，我们已假设在不同的区域中信息可以做到相互渗透。在并行计算中，我们可通过设置 SYNCHRONIZE（同步值）=.TRUE.来调整所有网眼在同一时端上开始工作。在此设置下，所有网眼都会同步工作。对单一处理器系统，网眼联合计算将减弱甚至消除使用网眼联合运算的一切优势，但是，对一个并行计算来说，如果因为网眼未作好更新准备而在计算过程中无法响应命令，那么处理器会作出相应显示。如果处理器足够快，那么即使将那个网眼更新到更细小的理想化时段上也并不会耽误任何事情。这样做的好处是会在网眼间建立更紧密的联系。当然还可以按照同步性要求来选择网眼。为达此目的，可将“SYNCHRONIZE（同步值）=.TRUE.”加入适合的 GRID（栅格）线中，否则可将“SYNCHRONIZE（同步值）=.TRUE.”加入到 TIME（时钟）线中，因为它比 GRID 设置有更高的优先级。如果一个平面物靠近两个毗邻的网眼，应确认每一个网眼都能“看到”该平面物。
