FDS地铁车厢火灾发展蔓延特性研究(6)
2.2FDS简介
（1）简介
FDS （Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准研究所NIST：National Institute of Standards and Technology）建筑火灾研究实验室（Building and F ire Research Laboratory）开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的 NS 方程（粘性流体Navis Stokes），重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于 FDS 是开放的源码，在推广使用的同时，根据使用者反馈的信息持 续不断地完善程序。因此，在火灾科学领域得到了广泛应用。 其源码可以从 www.fire.nist.gov/fds/下载并学习。 该软件 发展到现在已有 25 年的历史，在九十年代中期，LES（large-eddy simulation ）、 NIST-LES 、 LES3D 、 IFS （ Industrial Fire Simulator）和 ALOFT(ALarge Outdoor Fire Plume Trajectory) 等代码统一被整理发展成为 FDS，从 2000 年开始对外发布。该 程序源码包括 25 个独立的 Fortran 文件，每个都是模型相关的 程序，比如：质量方程、动量方程、能量方程、压力求解、灭 火洒水等。该软件就有很大的开放性，其源码放在特定的 ftp 上，即使做了小的改动，也可以在 ftp 上发现新文件；除此之外，专门的讨论区便于使用者交流经验与发现问题。 Smokeview 是用于展示 FDS 模拟结果的可视化程序。
2.2.1软件理论特点及方法
FDS 自 2000 年公开发布以来受到了非常普遍的关注，据统计，该软件制作模拟的模型大约一半应用于烟气控制系统和喷头、探测器的激活启动的研究设计，另一半应用于居民和工业建筑火灾后重建和修复的设计工作。通过一系列的发展，FDS 致力于解决火灾保护工程中 的实际消防问题，与此同时，也为火灾动力学和燃烧的理论研究提供工具。FDS 几个重要理论组成部分及方法：
（1） 流体动力学模型： FDS数值求解热驱动下低速流 动的N-S方程。其核心算法为显式预估校正方案，时间和空间 采用二阶精度，湍流采用 Smagorinsky 形式的大涡模拟（LES， Large Eddy Simulation），在足够细的网格下能实施直接模拟（DNS, Direct Numerical Simulation），缺省状况下使用 LES。采用了拉格朗日粒子法追踪洒水和燃料喷雾模型。
（2）燃烧模型：对于大多数应用，FDS 采用混合物燃烧模型。该模型假设燃烧混合控制，燃料和氧 气反应速度无限快。主要反应物和生成物的质量分数通过”状态关系”从混合物分数中得到，通过简 单分 析和测量的结合得到经验表达式。
（3）辐射输运：辐射热传递 通过求解非扩散气体的辐射输运方程得到，在有些特殊情况下 采用宽 带模型。与对流输运方程一样，此方程求解也采用有限 体积法。此方法使用约 100 个离散的角，有限体积解法需要 15% 的计算机 CPU 运行时间，对于解决复杂的热辐射传导问题这个 代价是适度的。水滴可以吸收热量辐射，在包含水幕喷雾的情 况下是很重要的，在所有设自动喷水灭火系统的情况下都很有 用。吸收系数通过 Mie 理论得到。
（4）几何：FDS 基于直线性网 格求解控制方程。所以在直接建模时，要注意所建实体区域为矩形以 适应背景网格。
（5）多重网格：多网格用来描述计算中需使用多个矩形网格的。当计算区域的划分不可能只用一种矩 形网格完成时可以设置多个矩形网格。（6）边界条件：所有固 体表面都指定热量边界条件和燃料燃烧信息。通常，燃料属性 储存在数据库 中用名称调用。表面之间的热和质量用经验公式 计算，但 DNS 模拟时热和质量的传导可以通过计算直接得到。
（7） FDS 模型除了输出各种原始数据外，还提供了多个图形输出模式， 有助于直观地观察数据，如“截面文件”、“等值面”、“电热偶” 及“边界条件”等。截面文件为彩色的切片，或贯穿整个模型体的断面，通过这个断面可以直接观察气体温度的动态变化。（8）FDS5.0 新增特点：FDS5 在处理固体边界以及气相燃烧方 面有着重要的改变。主要体现在：采用多步燃烧可以模拟局部火焰的熄灭、CO的生成，更准确地计算热释放率；可以用以模拟多层材料的固体 结构；更加灵活地处理洒水器、热探测器以及烟雾探测器等设备的启动以及洒水模拟启动后对火灾发展的影响；提高了多重网格能力，增加了处理背压与大气压不同状况的能力，增强了运用MPI的并行处理能力。