FDS说明书打印

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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/doc/9914381001.html,/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。

3 运行FDS
运行FDS 相对来说是简单的。

描述给定火灾场景的所有参数创建一个文本文件作为“数据库”或“输入”文件。

在本指南中数据文件为job name.data, 其中―job name‖代表可以确定模拟的任意特征，与计算相关的所有结果输出文件名都具备这一共有前缀。

除了输入文件以外，还有一些包含模拟输入参数的外部文件。

因为其包含描述一般材料和燃料的参数，每一个这样的文件被认为使
“数据库”文件。

通常数据库文件保存在一个独立的地址目录中。

包含具体喷头信息的文件也随数据库文件一起保存，数据库和喷头文件可以进行修改或移动。

建议新用户在创建新输入文件前从一个已存在的数据文件开始，运行，然后对其输入文件进行合适的改动。

通过运行实例，用户可以熟悉操作过程、学习使用Smokeview以及确定其计算机配置能否胜任。

3.1 创建FDS输入数据文件
输入数据文件为程序提供描述火灾场景的参数。

参数编进相关变量组中。

例如：SURF组包含描述固体表面性质的参数。

输入文件的每一行包含同组的参数，这些行用Fortran格式化语言写。

每条记录以字符&开始，其后紧随名录组的名称(HEAD, GRID, VENT,等.)，接下来是该组的相关输入参数，最后以一个斜线结束。

关于输入参数的细节可参见第4章。

3.2 启动FDS计算
有两种方法运行FDS。

一种是使用单个处理器(CPU), 另一种是使用多个CPU运行。

单个CPU执行时(fds#.exe) 与以前的版本类似，当并行处理时(fds# mpi.exe)其工作方式与传统的方式不同，下文将解释差别之处。

应注意，单处理和并行处理的输入文件是相同的。

3.2.1 进行一次 FDS运算 (单处理器方案)
建议新用户在编写输入文件前先进行一次给出实例的计算，输入文件的实例已给出。

假定有一名为job name.data 的输入文件存在于某地址名录，使用如下DOS 或Unix 命令提示符：
Windows: Open up a Command Prompt window, and change directories (―cd‖) to where the input file for the case is, 然后键入以下内容运行
fds4 < job_name.data
在输入文件中“job name ”字符串通常被指定为CHID。

建议输入文件的命名和CHID相同，以便在一次运算中的相关文件名一致。

FDS 读取输入文件作为标准输入(用符号“<”指明)，并在屏幕上写出鉴别后的输出结果。

与FDS 的以前版本不同，诊断信息自动写入
一个CHID.out.文件，不改动屏幕输出至一个文件。

Unix/Linux: 改变地址名录至当前例子的数据文件，然后键入以下内容运行：
fds4 < job_name.data
输入参数在标准输入中读取，错误陈述和其他诊断信息在屏幕中写出。

在后台中运行：
fds4 < job_name.data > job_name.err &
注意，在以上的后一种情况中屏幕输出结果保存在输出文件job name.err 中，其详细的诊断信息自动在文件CHID.out 中保存，其中CHID 是一个字符串，通常在输入文件中名字是job_name 。

最好在后台运行以便不影响控制台进行其他工作。

3.3 进展监控
对于一个给定计算的诊断写入一个名为CHID.out.的文件。

关于CPU 使用和模拟时间的内容在这里给出，以便用户可以了解该程序的进展程度。

在一次运算的任何时间都可以运行Smokeview 直观地观测程序的进展。

要在预定结束时间前停止运算，可以直接关闭程序，更好的方法是在同一个地址名录中创建一个CHID.stop文件。

此文件的存在可以顺利的停止程序，并忽略Smokeview中为可视化存在的流动变量。

因为计算可能会持续数小时或数天，FDS具备了重新起动功能，使用的详细情况见第5.1部分。

简单地说，即在计算运行的开始应指明重新起动文件的保存频率。

如果发生意外打断计算，如停电，则计算将从最后一次保存的重新起动文件开始。

3.4 错误陈述
FDS计算可能会在用户预定地时限内结束，以下是常见错误陈述和诊断清单：
输入文件错误：最常见的错误是输入误差，这些错误会导致程序即时中止并出现陈述如―ERROR: Problem with the HEAD line.‖ 对于此类错误，检查错误陈述指明的输入文件中对应的行。

确定参数名正确拼写；确定在记录句末有一斜线“/”；确定每个参数键入正确的信
息，如一个真实的数字或若干整数或者其他；确定未使用非ASCII 语言字符（因有时可能存在从其他应用或文字处理软件剪贴内容）；区别0和“O’s”、区别“1’ s ”和“!’s ”。

确定省略号用于指定字符串；确定在Unix/Linux 创建的文本文件不用于DOS 环境，反之亦然。

确定所有列出的参数都被使用――新版的FDS经常放弃或改变参数以强制用户对旧的输入文件检查。

数值不稳定:在FDS计算中，时间步长缩短引起的数值误差有可能引起某些位置流动速度的增加。

其中，代码中的逻辑决定了结果的非物理性并且在CHID.out.文件中的一个错误就中止计算。

在这种情况下，FDS 将忽略最后的Plot3D 文件中止，使用户可检查计算范围内的错误。

通常，假定计算范围内的大速度向量起源于小区域时易得到不稳定的数值。

这种不稳定性的通常原因是网格单元的长宽比大于2:1、高速流经过小开口、热释放速率的突变或者是流场内发生多个突变。

依据不同的情况，解决的方法不同。

应在报告之前尽量的诊断和修正问题，但这对于输入文件编写者以外的人员来说很难。

计算机资源不足:计算可能需要使用大于计算机RAM的空间，或者输出文件用完了所有的磁盘空间。

在这种情况下计算机就不能保证产生有效的错误信息。

有时计算机不能响应。

用户应保证有足够的计算机资源运行计算。

应注意，对于FDS计算没有多大和多长时间的限制，其取决于计算机的资源配置。

对于开始任一新的模拟时都应尽量采用最合适的网格（grid），并在计算机允许范围内逐渐精炼，然后在规模上稍微缩小以便计算机可以顺利的运行。

尽量以90运行。

运行错误: 计算机操作系统或者FDS程序都有可能出错。

计算机操作系统把错误信息在屏幕上打出或者写入诊断输出文件。

大多数错误信息对于对于大多数人即使是程序员来说都是难以读懂的，但尽管如此，有时当涉及到一些具体细节还是可以获得一些启示，比如―stack overflow,‖ ―divide by zero,‖ 或―file write error, unit=...‖这些可能由于FDS得一些缺陷造成。

例如，一个数字被0除、一个序列在分配之前使用或者其他得一些问题。

在错误报告之前，应尽量简化输入文件消除错误。

这一过程经常可明确计算特征并有利于故障排除。

泊松初始化:有时在运算的一开始就出现错误陈述―Poisson initialization.‖出现问题。

在FDS中的压力方程是泊松方程，泊松解算包含一个在计算开始必须初始化的大的线性方程组，大多数情况初始化阶段的错误是因为控制格（grid）是少于四维的（2维计算的情况除外）。

也有可能是在相关计算领域中的某些基础性错误。

这种问题的解决，应检查输入文件的GRID 和外形尺寸(PDIM)行。

3.5 Reporting Bugs缺陷报告
FDS正处于发展之中，不可避免会出现各种各样的问题。

开发者应明白一旦某种特性不再有效，就应有错误报告，且应明确确定问题。

最好的方式是尽可能的简化输入文件以便故障诊断。

同时对不再发挥作用的特性界定故障报告。

物理性的问题如火灾未被点燃、火焰没有传播等，也可能与控制格方案或场景组成有关。

用户应在被报告之前进行调查。

如果错误是因为与FDS相应的操作系统，应首先考虑几种明显的情况，如存储容量、磁盘空间等。

如不能解决问题，应发送关于错误信息和问题相关环境尽量详细的错误报告。

输入文件应尽量简化，使计算中的故障尽早发生。

输入文件和外部数据库无关。

因此，开发者可以尽快检查问题输入文件，并发现问题。

4 建立FDS的输入文本
计算阶段的第一步是要形成一个输入文本，它提供了要考虑到的能描述情景的所有必要说明信息。

最重要的输入文本限定了所有的长方形领域的物理尺度，限定了格子以及添加了几何学特征。

第二步，火
灾和其他边界条件必须详细说明。

最后，有大量的参数，它限定了输入文本以致能获得许多重要的数量。

输入的数据被写出的文本和被设计好的记录名单所限定。

每行的开始是字符&紧接着名单群（开头、表格、开口等等），接着是一个空格或逗号，用来划分那个群组中正确的输入参数列，每一列用一个分隔符(/)终止。

注意那些被列出的参数，它们仅仅需要在预设时被更改，输入文本的结构以下给出。

&HEAD CHID=’sample’, TITLE=’A Sample 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’, ’INERT’,’INERT’ /
&VENT CB=’CBAT’, SURF_ID=’OPEN’ /
&VENT CB=’ ZBAR’, SURF_ID=’OPEN’/
&SLCF PBY=0., QUANTITY=’TEMPERATURE’ /
&BNDF QUANTITY=’HEAT_FLUX’ /
输入文本参数可以是整数、实数、数组实数、字符串、数组字符串、或逻辑词，一个逻辑参数是“正确”或“错误”，——是Fortran程序中的语言元素，被列出的字符串是使用者自制的，应该在手写时被完全的抄下来——代码是敏感的并且重要的是在do下画线，仍要注意的是字符串可以被撇号（’）或引号(―‖)所包围。

认真不要出凭借输入文本过期的文本而应使用一个简单的文本编辑器，它的标点符号可以完全地输入文本文件中。

输入参数可能被逗号、空格或打断线分离开，只要没有&和/出现评注和注意应能写入文件，除了对于那个特殊的名单组响应的适合参数。

注意FDS是个敏感的程序，完全抄录的参数需要自行命名并且不要假设如果条件改变就能反应的程序。

实际上，很少有人开始就能写出一个输入文本。

通常人们做出一个简单输入文本，它已被FDS做出分类并适当的修改，它十分支持当看到一个新的说明，就能首先挑选出一个与那种情况类似的输入文本摸板，写出必要的改变。

然后在非常薄弱的决定下运行给出如果系统设定正确的定义。

最好以一个相对简单的文本结束，它获取没有逐步解决的问题形态，伴随有很多细节以至于运算的时间少于一小时并且很容易地纠错而不浪费很多时间。

4.1 初步的措施
首先，一些行在输入文本中处理了许多保管的细节。

例如，工作命名和创建模拟时间，工作命名是很重要的，因为一般一项工程包括在个别模拟名称能构成结果的情况下进行数字化模拟。

4.1.1 工作命名：Head名单组
为建立一个输入文件首先要做出的是给出一个工作名称，Head包括2个参数，CHID是30个字符串或通常至少给出使用的字符串标记输出文本。

假设，举例CHID=’sample’，它简单地命名了输入数据文件为sample.data。

以至于输入文本能够与输出文本联系起来，在CHID中允许有空格和没有元素，是因为输出文本被后缀标记，那对于计算机操作系统是很有意义的。

4.1.2 设置时间限定：Time名单组
Time是一组参数的名称，用来定义模拟持续的时间和最初开始的时间阶段，通常提出独立方程来解决。

通常，只有模拟需要持续进行。

用参数TWFIN（在完成的时间里），如果TWFIN是0，H是计算机的版图高度，G是重力加速度，预设时间就为1秒。

一个附加参数在Time名单组里是同步发生，一个逻辑词（TURE 或FALSE）说明用相同的计算时间阶段网格是相同的。

这样确保了每个网格在每次重复时被处理，更多的细节在第4.2.3节中会提到。

4.2 数字化栅格
所有的FDS计算必须在一个由许多矩形网眼组成的界面下进行每一个网眼又都有其自身的线性栅格。

所有的数据出/入端口都必须与数字化栅格相适应。

建立一个栅格时，第一步是要通过PDIM名称列表组来具体指定每一矩形栅格的物理尺寸；第二步是通过GRID名称列表组来具体指定每一连动方向的栅
格数量范围；最后，如果有需要，可以通过TRNX、TRNY、TRNZ命令来规定在2～3个连动方向的拉伸和收缩（详见第5.2节）。

在实际计算中一般会有超过一个栅格被用于计算，详见第4.2.3节。

4.2.1定义计算机操作界面：PDIM名称列表组
PDIM是物理界面尺寸定义参数组的缩写。

着以系统方向的定义符合右手法则（见图4.1），物理界面是一个简单的长方体，有平行边
界。

界面的原点是点（X0，Y0，Z0），对角点坐标为（X，Y，Z）。

预设时，可将X0，Y0，Z0值设为0，这样主界面的尺寸就可以直接从X，Y，Z轴上得到。

另外除非特殊指明，还可通过GRID名称列表组中KBAR命令再加入I轴和J轴。

如果希望栅格单元在尺寸上整体变化，那么可使用TRNX、TRNY、TRNZ命令来进行统一更改（详见第5.2节）。

任何一个数据出/入端口如果超过物理边界将被删除。

若所定义的实物超过主界面，虽然得不到出错提示，但是越界部分将不被显示。

4.2.2设置栅格单元尺寸：GRID名称列表组
GRID名称列表组包含了栅格单元的各种尺寸。

它一般包含X（表示I方向尺寸），Y（表示J方向尺寸），Z（表示K方向尺寸）三个方向的尺寸，其中Z方向通常被设为垂直方向，而较长的水平边方向可被当作X方向。

注意栅格单元越接近于立方体越好，也就是说，单元长宽高应尽量接近。

另外，因为计算中的一个重要部分必须使用基于傅立叶快速转换公式（FFTs）的泊松分布法，栅格单元尺寸应符合2l3m5n 这一模数，此处l，m，n均为整数。

例如，64=26，72=2332，108=2233都是好的栅格单元尺寸。

而37，99或109就不合适。

以下是在1～1024间符合模数的数字：
2 3 4 5 6 8 9 10 12 15
16 18 20 24 25 27 30 32 36 40
45 48 50 54 60 64 72 75 80 81
90 96 100 108 120 125 128 135 144 150
160 162 180 192 200 216 225 240 243 250
256 270 288 300 320 324 360 375 384 400
405 432 450 480 486 500 512 540 576 600
625 640 648 675 720 729 750 768 800 810
864 900 960 972 1000 1024
图4.1：一个建立网眼的复合处理几何体的实例
注意：除了两个方向的计算外，I方向，J方向，K方向长度设置。