FDS火灾数值模拟

人们在生产生活中经常遭受各种灾害，如旱灾、洪涝、台风、地震、海啸和火灾等。在这些灾害中，火灾之所以受到广泛关注，主要是因为除森林火灾、草原火灾及雷电引发的火灾外，其他火灾均归结为人为灾害。天灾意味着不可抗拒，而人为灾害在某种程度上是可以避免的。另外，火灾造成的人员伤亡比其他灾害之和还大。正因为这样，各国政府都十分重视火灾的防治工作，成立专门机构承担灭火救援任务。

为更好防治火灾，必须研究火灾的发生、发展及蔓延规律。火灾的研究方法分为理论研究、试验研究和数值模拟研究。理论研究即借助自然科学规律研究火灾问题，消防燃烧学及火灾动力学即为研究火灾规律的学科，理论研究曾为人类探索火灾规律发挥了重要作用，遗憾的是当需要解决某些具体工程问题时，因影响火灾因素复杂，有关理论便失去了成立的条件。试验研究是较为直观的科学研究方法，利用不同规模的火灾试验，研究者得出了许多实用经验公式并指导防火设计。试验研究的缺点是可重复性差且费用高昂。随着计算机的普及，数值模拟技术在各行各业蓬勃开展，计算机辅助设计改变了传统的产品设计流程，节约了设计费用，缩短了设计周期，且取得了非凡成就。火灾的数值模拟工作开始于20世纪80年代，现已在建筑防火设计、火灾原因调查及灭火指挥等方面广泛应用。

火灾数值模拟软件可以分为两类，通用CFD（Computational Fluid Dynamics）软件和专业火灾模拟软件。前者如Fluent、CFX、PHOENICS、STAR-CD、OpenFOAM等，后者如FDS（Fires Dynamics Simulator）、FiveFOAM、Smartfire等。通用CFD软件的优势是计算流体动力学模型久经考验，前后处理功能完善。21世纪初，由于FDS建模软件匮乏，大型模型难以建立，因此通用CFD软件在火灾模拟领域有不少应用。由于该类软件不是专为火灾模拟开发，因此对消防系统的模拟比较困难，如喷淋系统、报警系统等，以Fluent而言，即便是设定非恒定功率的火源这种火灾模拟的常见设置，也要依靠自己编制UDF文件来实现，这就是说只是想模拟火灾，还要熟悉C语言编程，这无疑提高了软件使用的门槛，使得广大技术人员望而却步。因此，随着FDS建模工具的完善，通用CFD软件应用越来越少。就专业火灾模拟软件而言，无论从应用的广泛性、简便性还是实用性，美国国家标准技术研究院（NIST）开发的FDS无疑居首位。然而遗憾的是，国内外尚无这方面的教材，使用者只能通过查阅300多页的英文用户手册进行学习。在授课过程中，和与消防工程技术人员的交流中，深深感受到学生乃至技术人员对火灾模拟教材的需求。因此，我们觉得有责任与义务把自己多年来使用和讲授火灾模拟，尤其是FDS的使用经验进行总结，在授课讲义的基础上，适当增加火灾模拟的理论基础和应用部分，形成本著作，以供消防工程、安全工程及相关专业的学生和工程技术人员参考。降低FDS使用门槛，缩短掌握FDS的时间是本书编写的目标。

本书以火灾模拟的工程应用为出发点和目的，主要介绍FDS软件的基本假设、使用方法、火灾模拟技巧及火灾模型的简化方法，而且是将火灾模型的简化方法融入FDS具体模拟方法之中。在使用方法上，不仅介绍了FDS的基本建模方法，包括建筑结构布局设置、火源设置、输出结果设置和全局参数设置，还重点阐述了消防工程的机械通风系统、水喷淋系统、火灾自动报警系统和消防联动系统的模拟方法，较为全面地介绍了建筑火灾的模拟方法。为示范火灾模拟技术的工程应用，后一章提供了火灾模拟在防火设计、性能化评估、火灾调查和灭火指挥方面的应用。

Pyrosim是工程中广泛使用的FDS建模软件并具有丰富的后处理功能。该软件提供命令对话框、绘图工具绘制和导入工程图纸三种建模方式，其中工程图纸可以是二维图纸，也可以是DXF、DWG、FBX、DAE、OBJ和STL格式的三维图纸。本书对Pyrosim的介绍也另辟蹊径，包括两部分内容：一是FDS命令对话框，不再单独列章节，而是和FDS命令合并介绍，即阐述完命令的功能后读者既可直接采用FDS命令建模，也可以使用Pyrosim的命令对话框建立模型；对于绘图工具和导入工程图纸两种建模方式，考虑到读者均具有一定的软件使用经验，不再逐个介绍绘图工具的使用方法，而是通过精心设计的第4章中5个工程案例，讲解Pyrosim的建模方法。相信这种处理方式，对于Pyrosim软件的学习能起到事半功倍的效果。即使是首次接触火灾模拟的技术人员，也能够通过火灾模拟案例，掌握火灾模拟的绝大多数内容。

本书由李胜利和李孝斌共同撰写，李胜利撰写第1章至第3章，李孝斌撰写第4章和第5章。我们在撰写过程中，参考了前辈和同行的不少资料，已列于参考文献。尤其感谢不断向我提出问题的学生们，这些问题是我在火灾模拟领域不断进步的动力。后要感谢武警学院青年英才基金的支持，才得以使本著作出版。

我们水平有限、研究不足，再加上FDS和Pyrosim的使用主要参考英文使用手册，错误纰漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

编著者

2019年6月

《FDS火灾数值模拟》是国内***介绍FDS软件的图书，本书全面介绍了火灾动力学模拟软件FDS及其建模工具Pyrosim的使用方法。FDS部分包括全局参数设置、建筑结构建模、火源设置、输出变量设置及等值线图的绘制方法，消防设施模拟包括通风系统、水喷淋系统、火灾自动报警系统及逻辑控制的数值模拟方法。Pyrosim建模软件的介绍分为两部分，一是介绍FDS命令的同时给出Pyrosim操作步骤；二是通过工程案例展示Pyrosim的建模功能。本书*后给出火灾模拟技术在消防设计、建筑防火性能化评估、火灾调查及灭火指挥方面的应用。《FDS火灾数值模拟》通俗易懂、深入浅出，可供广大消防安全领域工程技术人员参考，也可作为高等院校消防工程、安全工程及相关专业的教材。

李胜利，中国人民警察大学，副教授，一直从事研究生课程《火灾数值模拟》、《建筑防火性能化设计》和《人群疏散概论》，本科课程《建筑技术基础》、《建筑结构》和《结构倒塌评估》的教学和科研工作。参与国家自然基金项目2项、科技支撑计划项目2项、公安部应用创新计划项目5项，发表相关学术论文十余篇。

第1章绪论1

1.1火灾数值模拟方法1

1.1.1经验模型2

1.1.2区域模型4

1.1.3场模型5

1.2火灾模拟软件6

1.2.1PHOENICS6

1.2.2FLUENT7

1.2.3CFX7

1.2.4OpenFOAM8

1.3FDS软件特点9

1.3.1FDS的模型9

1.3.2FDS的假设10

1.3.3FDS的特点11

第2章FDS软件使用方法12

2.1火灾模拟过程12

2.1.1火灾模拟过程12

2.1.2简单的场景文件13

2.1.3Pyrosim概述14

2.2全局参数设置16

2.2.1HEAD命令16

2.2.2MESH命令17

2.2.3TIME命令21

2.2.4MISC命令22

2.2.5INIT命令23

2.3建筑结构布局设置25

2.3.1MATL命令25

2.3.2SURF命令28

2.3.3OBST命令42

2.3.4MULT命令46

2.3.5HOLE命令49

2.3.6VENT命令50

2.4火源设置54

2.4.1热释放速率55

2.4.2简单热解模型—设定热释放速率的火灾60

2.4.3复杂热解模型—设定热解参数的火灾67

2.4.4固体可燃物燃尽后的视觉消失77

2.4.5燃烧模型79

2.5输出变量设置96

2.5.1DEVC命令97

2.5.2SLCF命令103

2.5.3ISOF命令106

2.5.4BNDF命令108

2.5.5Plot3D静态数据108

2.5.6输出次数控制111

2.5.7等值线图绘制112

第3章建筑消防设施的数值模拟118

3.1机械通风系统118

3.1.1普通风机118

3.1.2暖通空调系统119

3.2水喷淋系统125

3.2.1拉格朗日粒子125

3.2.2喷头参数设置128

3.2.3水抑制作用的模拟方法136

3.2.4示踪粒子及其应用139

3.2.5燃料粒子及其应用140

3.2.6预作用灭火系统141

3.2.7干式灭火系统143

3.3火灾自动报警系统144

3.3.1感温探测器144

3.3.2感烟探测器146

3.3.3红外光束线型感烟探测器148

3.3.4主动吸气式感烟探测器149

3.4逻辑控制152

3.4.1基本逻辑控制153

3.4.2高级逻辑控制156

第4章Pyrosim火灾模拟案例164

4.1单室火灾——命令对话框建模164

4.1.1场景的FDS命令164

4.1.2Pyrosim建模过程165

4.2宾馆火灾——绘图工具建模173

4.2.1Pyrosim绘图工具173

4.2.2单室火灾简介174

4.2.3建模过程175

4.2.4标准间的FDS命令流182

4.3住宅火灾——背景图片建模184

4.3.1住宅建模介绍184

4.3.2建模过程184

4.3.3FDS命令流192

4.4 办公楼火灾——CAD平面图纸建模198

4.4.1建筑概况198

4.4.2模型简化198

4.4.3工程图纸处理199

4.4.4楼层管理199

4.4.5绘制计算网格199

4.4.6建立火灾模型203

4.5体育馆火灾——CAD三维模型建模211

4.5.1概述211

4.5.2体育馆建模211

第5章火灾模拟的工程应用214

5.1基于区域模型的地下车库火灾排烟量计算214

5.1.1烟气层沉降理论分析215

5.1.2计算条件217

5.1.3计算结果及分析218

5.1.4结论223

5.2人员可用安全疏散时间模拟计算223

5.2.1基于现行规范的疏散设计方法224

5.2.2性能化人员疏散评估方法225

5.2.3人员安全疏散的性能判定标准228

5.3燃气泄漏火灾自熄原因的数值模拟研究229

5.3.1案例介绍229

5.3.2数值重建230

5.4灭火救援行为对火灾发展影响的模拟研究234

5.4.1案例介绍234

5.4.2数值重建236

5.4.3结论239

附录1FDS常用输出变量241

附录2常用材料的热物理性质242

参考文献243

《FDS火灾数值模拟》是国内***介绍FDS软件的图书，本书全面介绍了火灾动力学模拟软件FDS及其建模工具Pyrosim的使用方法。FDS部分包括全局参数设置、建筑结构建模、火源设置、输出变量设置及等值线图的绘制方法，消防设施模拟包括通风系统、水喷淋系统、火灾自动报警系统及逻辑控制的数值模拟方法。Pyrosim建模软件的介绍分为两部分，一是介绍FDS命令的同时给出Pyrosim操作步骤；二是通过工程案例展示Pyrosim的建模功能。本书*后给出火灾模拟技术在消防设计、建筑防火性能化评估、火灾调查及灭火指挥方面的应用。《FDS火灾数值模拟》通俗易懂、深入浅出，可供广大消防安全领域工程技术人员参考，也可作为高等院校消防工程、安全工程及相关专业的教材。

李胜利，中国人民警察大学，副教授，一直从事研究生课程《火灾数值模拟》、《建筑防火性能化设计》和《人群疏散概论》，本科课程《建筑技术基础》、《建筑结构》和《结构倒塌评估》的教学和科研工作。参与国家自然基金项目2项、科技支撑计划项目2项、公安部应用创新计划项目5项，发表相关学术论文十余篇。