FDS4-使用说明(中文版)

FDS 4 使用说明（内部资料）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 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。

1.1 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。

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。

正面原始燃料与炭化的材料分离。

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：/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:\nist\fds)的生成，在目录下要安装FDS和Smokeview的执行文件、Smokeview 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，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。