FDS火灾模拟的汽车油漆车间喷房区域的消防设计(4)

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2.FDS介绍

2.1 FDS简介

FDS是由美国国家标准和技术研究院（NIST）开发的一个功能强大的火灾模拟器。FDS以计算流体动力学（CFD）为基础，适用于模拟低俗和热驱动流的火灾场景，可灵活地模拟多种火灾，如炉火、储油罐火灾等火灾现象。FDS和可视化的程序Smokeview集成到了PyroSim。

ProSim截面可直接输出反馈，确保FDS输入文件格式的正确性。用户可以在公制或英制单位之间进行选择，也可随时在两者之间进行切换。此外，ProSim还提供了高级的二维和三维几何创建功能，如斜墙、背景生成、灵活复制、对象分组，可灵活地显示选项，以及进行障碍物的复制。用户可以导入含有3D面或2D线的DXF文件，将在PyroSim中用于创建3D结构。

FDS作为市场上少有的免费的专业消防应用软件，使用者是十分多的。它主要可以用于模拟多种火灾场景，它的导出数据也有很多，例如在三维条件下再现真实火灾现场发生的每一个过程，它还能逼真的模拟出烟气的蔓延速度和蔓延状况。

它的模型中包括两大部分，分别求解微分方程的主程序和FDS附带的一个Smokeview处理软件。求解微分方程的主程序需要火灾场景的各种参数，也需要用户创建的文本文件提供；FDS附带的一个Smokeview处理软件是用来实现模拟结果的可视化输出，是一种动态场景显示程序，用户可以用它更加直接地观看计算结果，包括二维图、三维画面和动画效果等。此外，FDS模拟的结果还可以“热电偶”探测的方式通过Excel表格输出，“热电偶”所探测的物理量可以为温度、能见度、速度等，以此来进行较为深入的量化分析[19]。

FDS软件通过对火灾前处理软件建立的物理模型定义围护结构的热边界条件，确定构件的热物理参数，如导热系数等。并能够设置火场中火源位置、火源功率等一系列物理参数，还能够加入通风口的位置和大小、计算区域内的气流速度、消防设置等对火灾过程的影响。文献综述

火灾燃烧过程是祸合化学反应的传热、传质和运动过程，可用一组包括相关变量的偏微分方程来描述。具体方程式主要包括以下几个：

连续方程: ∂ρ/∂t+∇∙ρu ⃗=0 (2.1)

动量守恒方程：

ρ（(∂u ⃗)/∂x+1/2 ∇∙|u ⃗ |^2-u ⃗×ω）+∇p-ρg=f ⃗+∇∙γ (2.2)

组分守恒方程：

∂/∂t （ρY_i ）+∇∙(ρY_i u ⃗ )=∇(ρD_i ∇Y_i )+m_i^''' (2.3)

能量守恒方程：

∂/∂t （ρh）+∇∙(ρhu ⃗ )=∂p/∂t+u ⃗∙∇p-∇(q_r ) ⃗+∇∙（k∇T）+∑_i▒∇(h_i ρhD_i ∇Y_i ) （2.4）

状态方程：p_0=ρTR∑_i▒〖（Y_i/M_i ）=ρTR/M〗（2.5）

(2.1)式中，为密度，t为时间，为速度矢量；(2.2)式中，为作用于流体上的外力矢量，p为压力，为粘性力张量，为涡度，g为重力加速度；(2.3)式中，i是第i种组分，是第i种组分的浓度，是第i种组分的扩散系数，是第i种组分的质量产生速率；(2.4)式中，h为比焓，为热辐射通量，T为温度，k为导热系数；(2.5)式中，R为气体常数，M为混合气体的分子质量。

除了上面的几个FDS最基础的方程式之外，还有燃烧模型、湍流流动模型和辐射传输模型等。FDS通过大涡模型对模型和方程式进行运算和求解，最终结果可得到模型的压力、温度、喷淋的曲线图等参数。