火災(zāi)動態(tài)模擬器FDS軟件介紹

1、火災(zāi)動態(tài)模擬器FDS軟件介紹摘要：FDS（Fire Dynamics Simulator）作為研究火災(zāi)中煙氣傳播規(guī)律以及火災(zāi)預(yù)防研究的開源代碼，在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中得到日益廣泛的應(yīng)用，本文簡要介紹了該軟件的特點(diǎn)、安裝平臺、編譯、使用方法以及注意事項，在文章末尾給出了幾個典型的應(yīng)用實(shí)例。1. 簡介FDS（Fire Dynamics Simulator）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）建筑火災(zāi)研究實(shí)驗室（Building and Fire Research Laboratory）開發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動

2、的計算流體動力學(xué)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的NS方程（粘性流體NavisStokes），重點(diǎn)計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程。由于FDS是開放的源碼，在推廣使用的同時，根據(jù)使用者反饋的信息持續(xù)不斷地完善程序。因此，在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其源碼可以從/fds/下載并學(xué)習(xí)。該軟件發(fā)展到現(xiàn)在已有25年的歷史，在九十年代中期，LES（large-eddy simulation）、NIST-LES、LES3D、 IFS（Industrial Fire Simulator）和ALOFT(ALarge Outdoor Fire Plume

3、Trajectory)等代碼統(tǒng)一被整理發(fā)展成為FDS，從2000年開始對外發(fā)布，2001年12月發(fā)布第二版，2002年12月發(fā)布了第三版，2004年8月發(fā)布了第四版，2005年發(fā)布了第五版，當(dāng)前版本為5.2。該程序源碼包括25個獨(dú)立的Fortran文件，每個都是模型相關(guān)的程序，比如：質(zhì)量方程、動量方程、能量方程、壓力求解、滅火灑水等。該軟件就有很大的開放性，其源碼放在特定的ftp上，即使做了小的改動，也可以在ftp上發(fā)現(xiàn)新文件；除此之外，專門的討論區(qū)便于使用者交流經(jīng)驗與發(fā)現(xiàn)問題。Smokeview是用于展示FDS模擬結(jié)果的可視化程序。2. 軟件特點(diǎn)FDS自2000年公開發(fā)布以來受到了普遍的關(guān)注

4、，據(jù)統(tǒng)計，該模型大約一半應(yīng)用于煙氣控制系統(tǒng)和噴頭、探測器的激活啟動的研究設(shè)計，另一半應(yīng)用于居民和工業(yè)建筑火災(zāi)后的重建和修復(fù)設(shè)計。通過一系列的發(fā)展，F(xiàn)DS致力于解決火災(zāi)保護(hù)工程中的實(shí)際消防問題，與此同時，也為火災(zāi)動力學(xué)和燃燒的理論研究提供工具。1流體動力學(xué)模型： FDS 數(shù)值求解熱驅(qū)動下低速流動的N-S方程。其核心算法為顯式預(yù)估校正方案，時間和空間采用二階精度，湍流采用Smagorinsky形式的大渦模擬（LES，Large EddySimulation），在足夠細(xì)的網(wǎng)格下能實(shí)施直接模擬（DNS, Direct Numerical Simulation），缺省狀況下使用LES。采用拉格朗日粒子法

5、追蹤灑水和燃料噴霧模型。2燃燒模型：對于大多數(shù)應(yīng)用，F(xiàn)DS采用混合物燃燒模型。該模型假設(shè)燃燒混合控制，燃料和氧氣反應(yīng)速度無限快。主要反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過”狀態(tài)關(guān)系”從混合物分?jǐn)?shù)中得到，通過簡單分析和測量的結(jié)合得到經(jīng)驗表達(dá)式。3輻射輸運(yùn)：輻射熱傳遞通過求解非擴(kuò)散氣體的輻射輸運(yùn)方程得到，在有些特殊情況下采用寬帶模型。與對流輸運(yùn)方程一樣，此方程求解也采用有限體積法。此方法使用約100個離散的角，有限體積解法需要15%的計算機(jī)CPU運(yùn)行時間，對于解決復(fù)雜的熱輻射傳導(dǎo)問題這個代價是適度的。水滴可以吸收熱量輻射，在包含水幕噴霧的情況下是很重要的，在所有設(shè)自動噴水滅火系統(tǒng)的情況下都很有用。吸收系數(shù)通

6、過Mie理論得到。4幾何：FDS基于直線性網(wǎng)格求解控制方程。所以在直接建模時，要注意所建實(shí)體區(qū)域為矩形以適應(yīng)背景網(wǎng)格。5多重網(wǎng)格：多網(wǎng)格用來描述計算中需使用多個矩形網(wǎng)格的。當(dāng)計算區(qū)域的劃分不可能只用一種矩形網(wǎng)格完成時可以設(shè)置多個矩形網(wǎng)格。6邊界條件：所有固體表面都指定熱量邊界條件和燃料燃燒信息。通常，燃料屬性儲存在數(shù)據(jù)庫中用名稱調(diào)用。表面之間的熱和質(zhì)量用經(jīng)驗公式計算，但DNS模擬時熱和質(zhì)量的傳導(dǎo)可以通過計算直接得到。7FDS模型除了輸出各種原始數(shù)據(jù)外，還提供了多個圖形輸出模式，有助于直觀地觀察數(shù)據(jù)，如“截面文件”、“等值面”、“電熱偶”及“邊界條件”等。截面文件為彩色的切片，或貫穿整個控制體的

7、斷面，通過這個斷面可以直觀地觀察氣體溫度的動態(tài)變化。8FDS5.0新增特點(diǎn)：FDS5在處理固體邊界以及氣相燃燒方面有著重要的改變。主要體現(xiàn)在：采用了多步燃燒能夠模擬局部火焰的熄滅、CO的生成，更準(zhǔn)確地計算熱釋放率；可以模擬多層材料的固體結(jié)構(gòu)；更加靈活地處理灑水器、熱探測器以及煙霧探測器等設(shè)備的啟動以及灑水模擬啟動后對火災(zāi)發(fā)展的影響；提高了多重網(wǎng)格能力，增加了處理背壓與大氣壓不相同狀況的能力，提高了運(yùn)用MPI的并行處理能力。安裝編譯3.1 軟件推薦安裝編譯硬件需求：FDS需要較快的CPU和充足的RAM，推薦最小配置為1GHz CPU和512MB RAM，當(dāng)然配置越高越好，CPU速度決定計算需要多

8、長時間，RAM決定可以計算多少網(wǎng)格，同時需要較大的硬盤空間存儲輸出數(shù)據(jù)，一般來說，單個計算結(jié)果文件要超過1GB，較快的網(wǎng)絡(luò)有利于減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。計算機(jī)操作系統(tǒng)(os)和軟件要求：當(dāng)前的FDS和Smokeview可以在Microsoft Windows, Mac OS X及各種類型的Unix/Linux安裝并運(yùn)行。對于MS windows系統(tǒng)，可以從官方網(wǎng)站上下載到已經(jīng)編譯好的可執(zhí)行文件；而Linux、Unix和Mac系統(tǒng)推薦下載源碼在本機(jī)上進(jìn)行編譯（Fortran 90和C編譯器）進(jìn)行編譯后再使用，這樣可以避免直接下載得可執(zhí)行文件由于信息庫的不兼容性造成不可用。需要說明的是，Somkevi

9、ew作為后處理軟件在不支持圖形化的機(jī)器上是不能運(yùn)行的。若需進(jìn)行并行計算，需要安裝相應(yīng)的MPI。如果有舊版本在該機(jī)器上成功編譯并執(zhí)行過，新版不用編譯便可執(zhí)行，若是第一次執(zhí)行，則需要編譯。表1列出了目前版本包含的所有源碼，源碼主要是有25個Fortan 90的文件，加上用于監(jiān)控輸出文件的C代碼 isob.c。串行版本的FDS采用main.f90編譯 ，并行版本需要 main_mpi.f90編譯， 編譯時從可以從網(wǎng)站上下載Makefile文件，編譯時需要按照下表列出的順序，對于Unix/Linux用戶來說，不同平臺Makefiles可以用于協(xié)助編譯曙光4000A上的安裝編譯硬件：Cluster機(jī)群，

10、單節(jié)點(diǎn)四路 AMD Opteron850, 8G RAM操作系統(tǒng)：TurboLinux 8.0 64 Bit Server Edition編譯器：PGI6.0.8通訊庫： MPICH1.2.6 GM2.1.2軟件安裝與編譯：1. 下載FDS 的源代碼（ 目前下載到的為：FDS5_RCB_Source_Archive.zip）以及makefile文件。2. 拷貝下載的文件到用戶自己的安裝目錄（/fds），解壓文件，在提示符下輸入：mkdir /fds，通過ftp上傳下載的文件到該目錄下，在fds目錄下建立文件夾FDS5Source，解壓源碼文件到 /fds/FDS5Source目錄下。3. 建立

11、執(zhí)行文件夾/fds/FDS5，拷貝makefile文件到此目錄下，修改makefile文件中VPATH 的值，在此處為：VPATH=./FDSSource。4. 編譯，登陸到相應(yīng)的計算節(jié)點(diǎn)，分別編譯完成串行以及并行，make target。編譯完成后，生成相應(yīng)的執(zhí)行文件， fds5_intel（串行） fds5_mpi_intel（并行），文件名稱與makefile中的輸入以及所使用的編譯器相匹配。使用步驟FDS軟件包含F(xiàn)DS和Smokeview兩部分，F(xiàn)DS是主體用于模擬計算，Smokeview是用于查看FDS計算結(jié)果的可視化軟件。其計算流程如圖1所示，具體使用的步驟為：4.1 建立輸入文件

12、在使用FDS5.0進(jìn)行計算時，用戶需要準(zhǔn)備一個輸入文件，其擴(kuò)展名為.fds，在以前版本中其擴(kuò)展名為.data，它提供了要考慮描述情景必要的說明。FDS輸入文件用來指定工程名、計算區(qū)域的大小、網(wǎng)格的大小、計算時間、周圍環(huán)境情況、建筑物的幾何特性、材料屬性、燃燒特性、固體邊界條件、探測器設(shè)置、煙氣特性等，以及要預(yù)期輸出的計算結(jié)果，其中工程名、計算區(qū)域、網(wǎng)格和計算時間是最基本的設(shè)置。輸入文件中每行都是以“&”開頭緊接著名單群（如開頭、表格、時間等等），接著是一個空格或者逗號，用來劃分群組中參數(shù)列，每行以“/”結(jié)尾，下面給出簡單的例子：&HEAD CHID=sample, TITLE=A Sample

13、 Input File/&GRID IBAR= 24, JBAR= 24, KBAR= 48/&PDIM XBAT0=-.30, XBAR=0.30, YBAR0=-.30,YBAR=0.30, ZBAR=1.2/&TIME TWFIN=10. /&MISC RADIATION= .FALSE. /&SURF ID=burner, HRRPUA=1000. /&OBST XB=-.20, 0.20, -.20, 0.20, 0.00, 0.05, SURF_IDS=burner/&VENT CB=CBAT, SURF_ID=OPEN /&VENT CB= ZBAR, SURF_ID=OPEN/

14、&SLCF PBY=0., QUANTITY=TEMPERATURE /&BNDF QUANTITY=HEAT_FLUX /在建立一個輸入文件時，推薦的做法為在簡單例子基礎(chǔ)上修改。當(dāng)計算結(jié)束后，可以輸出點(diǎn)數(shù)據(jù)、面數(shù)據(jù)、物體表面數(shù)據(jù)、等值數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)等，每種數(shù)據(jù)都包含有溫度、速度矢量、壓力、組分體積分?jǐn)?shù)、碳黑密度、可見度、減光系數(shù)等等。并可以利用FDS后處理軟件SmokeView來動態(tài)顯示計算結(jié)果。4.2 運(yùn)行FDS以版本5為例進(jìn)行說明，F(xiàn)DS既可以單機(jī)運(yùn)行（執(zhí)行命令為fds5.exe），也可以mpi的并行（執(zhí)行命令為fds5_mpi.exe），不管單機(jī)運(yùn)行還是并行運(yùn)行輸入文件是一樣的。單機(jī)運(yùn)

15、行在命令提示符輸入fds5.exe job_name.fds，并行運(yùn)算時使用得命令為mpirun -np n fds5_mpi.exe job_name.fds，其中，n為計算使用的cpu數(shù)目；job_name.fds為輸入文件的名稱，“jobname”代表可以確定模擬的任意特征，與計算相關(guān)的所有結(jié)果輸出文件名都具備這一共有名稱，除了輸入文件以外，還有一些包含模擬輸入?yún)?shù)的外部文件，其包含表述材料的參數(shù)、噴頭信息等，把這些文件放在一個特定文件夾下。由于FDS計算采用大渦模擬，計算時間較長，F(xiàn)DS可采用STOP文件對中途體計算運(yùn)算后續(xù)算。具體做法是FDS輸出目錄里新建*.stop文件，當(dāng)FDS監(jiān)測到該文件時即建立一個P