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基于FDS的火灾仿真研究

文档作者：陈伟，崔浩浩，秦龙，尹全军文档来源：国防科技大学机电工程与自动化学院		点击数：	更新时间： 2021年11月19日
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第28卷第12期计算机仿真2011年12月
文章编号：1006—9348(2011)12-0227一05
基于FDS的火灾仿真研究
陈伟，崔浩浩，秦龙，尹全军
(国防科技大学机电rI=程与自动化学院，湖南长沙410073)
摘要：研究火灾中人员优化疏散、减少损失问题，为获取各种火灾数据，克服实际火灾数据获取困难及体现疏散过程中人员
的个体差异性，研究了在公共火灾中的疏散方法，并构建了具有个体差异性的人员疏散模型。研究了火灾仿真软件及摹本
控制方程。利用FDS(Fire Dynamics Simulator)火灾研究工具软件可较为准确快速地分析复杂的三维火灾问题。以某KTV
场所为应用实例，研究FDS的具体应用方法。根据FDS火灾数据，在Java环境下实现了上述模型，并进行了相应的仿真验
证。结果表明可为火灾研究和人员疏散提供手段，并对建筑物的布局设计具有一定的指导意义。
关键词：火灾仿真；火灾数据；人员疏散
中图分类号：TIP391．9 文献标识码：A
Research of Fire Simulation Based on FDS
CHEN Wei，CUI Hao—hao，QIN Long，YIN Quan—jan
(College of Mechanical Engineering and Automation，National University of Defense Technology，
Changsha Hunan 410073，China)
ABSTRACT：The Fire DyRamies Simulator(FDS)is one of the important fire simulation softwares on fire research．
The FDS Can analyze complex three—dimensional fire issues quickly and accurately，meantime，various fire data ale
obtained．In order to solve the difficulty of obtaining actual fire data and incarnating human variability，the paper is
mainly about the application approach of the FDS in public building fire researeh and personnel evacuation model with
human variability．First，the FDS and its basal governing equations were introduced．Second，the detailed method about
how to use the FDS Was given by all application example of KT、r．Last，based on the fire data of the FDS，a
personnel evacuation model Was constructed and a relevant simulation experiment Was conducted with Java．All the 8-
bore provide the means to fire research and personnel evacuation，and also some instructions to building layout．
KEYW0lIDS：Fire simulation；Fire data；Personnel evacuation
l 引言
随着社会的进步、公共场所的增多、人们集体活动的丰
富，公共安伞问题日益n最。如人员密集区的地震、火灾、恐
怖袭击等，不仅给社会财富带来了巨大损失，也给人类生命
带来了严蘑威胁。其中火灾足较为突f{j和常见的nd题，火灾
是包括流体流动、传热传质和化学反应及其相互作用的复杂
燃烧过程。近年来，大型火灾事故频发，造成r不可估量的
破坏。因此，研究公共聚集场所，尤其足人口密度大、影响范
围广的建筑物火灾的形成和演化机理，分析其中人员行为特
征、再现火灾场景、获取火灾数据等具有蓖要意义。火灾数
基金项目：国家自然科学基金(60904055)；国家部委基金
(9140A040101 IOKGOI 10)
收稿日期：2010一11—0r7修同日期：2011一Ol—14
据的获取足上述几项工作的重中之重，没有真实可靠的数据
做支撑，任何疏散模型都是空谈，仿真结果也毫无意义。由
于危险大、成本高等原因，实际火灾数据的获得较为困难。
随着计算机技术的快速发展，计算机仿真技术已成为火灾研
究领域的蘑要手段。相应的火灾仿真软件也不断推出，如
FDS，CFAST，FA3等，为火灾研究发挥了重要作用⋯。本文
在研究FDS及其在KTv场所应用的基础之上，构建了具有
个体差异性的人员疏散模型，并对模型进行了仿真分析，验
证了模型的正确性和本文研究的可行性。
2 FDS及其使用
FDS火灾仿真软件是美国国家标准研究所(NIST)建筑
与火灾研究实验室(BFRL)开发的产品。FDS模犁是以大涡
模拟(LES)为基础的i维计算流体动力学(CFD)软件，可以
仿真火灾湍流流动过程。该软件采用数值方法求解受火灾
．．．—．227．．．．．
万方数据
浮力驱动的低马赫数流动的Navie—Stokes方程，重点计算火
灾中的烟气和热传递过程心】。FDS采用开放的程序体系结
构，计算结果也得到了很多实验的验证，因此被广泛应用。
另外该软件采用独特的快速算法和适当的网格密度，在保证
一定准确度的情况下，可较为快速的分析复杂的三维火灾问
题。随着计算机仿真技术的快速发展，FDS软件的优势愈显
突出，地位也越发重要，应用越来越广。
FDS的原理是火灾的场仿真计算，场模拟主要是求解火
灾过程中状态参数的空间及其随时间变化的模拟方式。场
是指状态参数如箍盂度、各组分的浓度等的空间分布。场模拟
理论是自然界普遍成立的动跫守恒、质最守恒、能量守恒以
及化学反应的定律等。
FDS计算求解的基本控制方程主要包括以下几个：
连续方程：
粤+v．p五=0 砸’
建筑物的尺
寸，布局结
构，开口，
通风．消防
设施等
产生输出文
件以供
Smokeview
显示
将FDS输H{
数据输入别
人员疏散模
型．观察人
员疏散的动
态效果
物理建模
编写FDS
输入文件
运{_iFDS
输入文件
．．．．．，，．．．．．．．1．．．．．．．一
垂行Smokeview
动态显示FDS
输出文件二二=[二
Java环境中运
行人员疏散
模型
确定建筑物
的汁算区
域，网格大
小，火灾参
数等
观察火灾
发展过程
圈1各软件的关系及使用流程
(1)
3基于FDS的KTV场所火灾建模与仿真
动量守恒方程：
P(詈+÷V·I五I 2一矗×to)+唧一Pg=7+V‘r(2)
组分守恒方程：
景(p yi)+V。(p yl五)=V(p D。VK)+rh"。(3)
能量守恒方程：
杀(p^)+V。(p矗五)=鲁+u’Vp一娟，+V‘(J|}vr)
+Σ；V(h。ph DirE) (4)
状态方程：
P。=P T RΣ。(Yi／M,)=P T R／M (5)
(1)式中，P为密度，t为时问，五为速度矢晟；(2)式中，
为作用于流体上的外力矢量，p为压力，r为黏性力张量，∞
为涡度，g为莺力加速度；(3)式中，i是第i种组分，K是第i
种组分的浓度，Di是第i种组分的扩散系数，，扩，是第i种组
分的质量产牛速率；(4)式中，h为比焓，；，为热辐射通量，r
为温度，七为导热系数；(5)式中，R为气体常数，肼为混合气
体的分子质量【31。
除』，以上几个基本控制方程外，还有湍流流动模型、燃
烧模型和辐射传输模型等。FDS通过大涡模型对这些方程
和模型进行求解，可得到温度、压力、气体浓度等参数的空间
分布Ho。
结合使用Smokeview软件，对FDS仿真原始结果进行可
视化，以三维动态的形式显现火灾过程，可以较好地处理复
杂的几何场景p J。
由FDS火灾模拟软件获得的火灾数据输入到人员疏散
模型中，通过Java环境编程实现人员疏散的动态仿真，观察
和分析火场情景，为人员疏散提供指导。
FDS，Smokeview及Java之间的关系及使用流程如图1。
．--——228．———
本文以某一KTV场所为研究对象，总体尺寸为34m x
20m X2．8m。该场所具有多个独立的房间，走廊，障碍物和
安全出口。每个房问有门、窗、桌子、沙发和通风口等。由于
建筑结构复杂，人员分布随机等特点，具有较高的研究价值。
本文构建的建筑物平面结构，如图2。
图2建筑物平面结构示意图
上图中绿色部分为房间门和安全出口，有数字标号黑色
边框的方格是房间，有数字标号红色边框的是走廊。为突出
重点，简化模型的复杂度且不失真实性，假定所有房间布局
相同。
火灾模型的建立，主要包括窄间尺寸的定义、网格划分、
仿真时间的设定、火源没置、各种感烟感温及浓度温度传感
器的配置、通风El和喷水器的设置、障碍物的设定及其边界
条件等。为了仿真的逼真性，还要根据实际火灾动态过程，
设定火场内可燃物的逻辑时序等。下面，详细论述建立的火
灾模型。
3．1空间尺寸及网格划分
设定，建筑物尺寸为34m×20m×2．8m，单元格大小为
0．4m xO．4m×0．4m，所以网格划分为85 x50 x7。因此设定
模型空间尺寸及网格划分如下：
&amp;amp;MESH：UK=85．，50．，7．，XB=0．0，34．0，0．0，20．0，
0．0，2．8，RGB=200，0。255／
万方数据
通常，网格单元应尽量接近立方休，这样计算的结果更
加准确。另外，因为计算中的一个重要部分必须使用基于傅
屯叶快速转换公式(F兀1)的泊松分布法，网格单元几寸应符
合21315”这一模数，此处l，m，n均为整数。例如，64=26，72
=2332，108=2233都是好的栅格单元几寸，而37，99或109
就不合适。
3．2仿真时间设定
仿真的推进采用定步长法，其中TW兀N(time when fin—
i3h)表示仿真的时lⅥ，DT表示仿真步长。通过估计，需要采
集火灾前300秒的数据，步长为0 3秒。IN此设定如下：
&amp;amp;TIME TWFJN：300．DT=0 3／ 在实践中，可以设置mN=0，来快速检验模型的正确
性及建筑物的物理形状。另一种方法是4：DUMP中设置
NFRAMES的数值，即帧数，因此就不再需要’改置步长DT。
FDS每隔TWNN／NFRAMES输出一组相关数据。
3．3障碍物、房间、走廊及门设置
障碍物、房间、走廊和门的设置主要包括位置和尺寸。
障碍物的’吐置可通过OBST实现。例如某桌子的设定如下：
拉OBST XB=6．4．8 4，17 6．18 4。0．0，I．0，
SURF-ID=’BARRIER’／
定义多个墙壁(障碍物)即可实现房间和走廊的创建，这
里不再敷述。
门，就是在墙面的开孔。例如：
＆HOLE XB=6．8．8．0．15 8，16 2．0 0，2．0／
值得注意的是，所开孔的厚度要比墙壁厚螳，必须将墙
壁穿透，否则无效。
3．4通风口殛各种传感器设置
存输入文件中，通风口的设置是通过VENT来实现的。
例如：
＆VENT XB=6 8．7．2，17．6，18 0．2．8，2．8，
SURF ID=’OPEN 7．DYNAMIC—PRESSURE⋯2 4／
在描述通风的大小和方向上．有两种方式。一是给定风
速；二是给定压强差。这里使用的是后者，大小是2 4Pa。方
向是由数值的正负决定的，此处为负．表示流向是由里向外，
即排气。在每个虏问和走廊的顶棚都设置r若干个通风口。
建筑物中每问房『日J都安装有传感器．用于采集某点的温
度、烟气浓度和CO浓度参数。根据实际情况，多数人的眼
睛、鼻子的平均高度为1 6m，因此所有传感器的高度都设定
为l 6m。例如：
&amp;amp;DEVC ID=’SOOT’．QUANTITY=’SOOT’，XYZ=7．0．
17．0，1．6／
&amp;amp;DEVC ID=’TEM’．PROP—ID=’TEM’，XYZ=7 0，
17 0，I 6／
通过上面的工作，可得到建筑物的二维立体模型，如
罔3。
3．5火源设置
一般来说，火源模喇的设置包括两个方而，位置和大小。
一圈3 FDS建筑物模型
时火源位置的设置是通过OBS7r来实现的，火源的大小是通
过HRRPUA参数来i殳置的。首先定义材料：
&amp;amp;MATI，ID=’FIRE’，CONDUCTIVITY=0．1．SPECIFIC
—HEAT=10 0，DENSITY=200．O／
7FIRE’这种材料的热传导牢为0 1W／(m·K)．比热为
10 0kJ／(kg·K)，密度为200kg／m’。其次，在SURF定义中
的一个取要的参数就是HRRPUA，它表尔火源的恒定热释放
功率．单位是kJ／m2；另外一个比较重要的参数就是燃点。将
火源的燃点设置为室内温度．在仿真开始时，火源开始燃烧，
继而引起J￡它可燃物的燃烧。例如：
&amp;amp;SURF ID=’FIRE’，HRRPUA=2250．．IGNITION—
TEMPERA刊RE=20／
为得到准确的火灾输}I：数据．除r准确的模型外，输人
参数至关重要。单个房间内物品的参数均来自NIST官方网
站．见表1。
襄1物品参数表
3．6火灾仿真数据的获取
使用FDS的目的就足获取火场数据，用于人员疏散的分
析。用到的数据有火场内某一高度面的温度、烟气浓度和
CO浓度。这二类数据按照仿真的时间先后顺序，以Excel格
式存放在文件中，可以根便捷地调用相关数据进行仿真。经
过曲线拟合，可以直观形象地观察数据的变化趋势，如图4。
FDS直接输出的数据还有其它格式．结合Smokevlew软
件．可以二维显示火场某些数据的动态变化过程，如图5。
4人员疏散模型及仿真验证
4．1具有个体差异性的人员疏散模型
火灾是一个不可逆的过程，大体有起火、火势增大．充分
发展、火势减弱、熄灭等5个阶段，人员安全疏散需在前两个
——229——
万方数据
麈；；鎏
固4火源房间的温度及烟气浓度曲线
嘲．网
图5原始数据殛其动态显示
阶段完成。这里涉及到两个重要的概念：可用安全疏散时间
和必需安全疏散时问，如图6。
一4二面匠函匝砸口五五Ⅱ一
_[=面五五面面丑卫亘Ⅱ一_1
l匹面面盔瘟=一—EⅡ丑i]一
田6疏散时间示意圈
其中，可用安全疏散时间(ASET)是指从起火时刻到火
灾对人员安全构成危险状态的时间段，主要取决建筑结构及
其材料、控火或灭火设备等方面，与火灾蔓延以及烟气流动
密切相关。必需安全疏散时间(硒口)是指从起火时刻起到
人员疏散到安全区域的时间。
从上述两个时间概念可知，人员安全疏散的一个关键要
求是必需安全疏散时间必须小于可用安全疏散时间。建立
人员疏散模型时，需要用到这两个时间指标。
在火灾仿真研究中，大多集中研究人的共同模式．而对
影响行为的差异性因素，如人的个性、情感、经验、文化、能
——230——
力，以及环境等缺乏研究。出于没有考虑个体差异，所有虚
拟实体在面临棚旧态势时表现出相删的行为和决簏模式，即
实体在处置情况时，往往采用最优决策，这样的决策虽然体
现了虚拟实体的智能性，但却偏离r系统仿真的最根本要
求——相似性。因为现实世界中，不同人往往因受自身聿Ⅱ
力、能力、个性、betway必威官方网站
水平，或当时态势的影响，做出的决策小
尽相同，有时甚至会做出错误的决策。
火灾中人员的心理和行为特征相当复杂，在不同的区域
有着迥异的表现：在火灾初期，人员密度较小区域，人员的行
为具有很强的个体特性和差异性；在火灾中后期，人员密度
较大区域，人员的行为具有较强的从众性和群体性”1。
基于以上分析，将人员密度作为差异性因素，综合精细
网格模型和群体运动模型，建立了具有个体差异性的人员疏
散模型。该模型既体现出个体的差异性，又能体现群体行为
特性。在人员低密度区，采用精细网格模型能够准确地表示
建筑平面空间的几何形状及其内部障碍物的位置，也能确定
模拟疏散过程中的任一时刻每个人的准确位置；在人员高密
度区，采用群体运动模型则可较为精细地模拟人员密集场所
人员之间相互冲撞、挤压的拥挤情形，很好地体现出人员密
集场所中人群运动的群体特性”1。考虑到个体反应时问的
差异性，建立了人员预动作时问模型，得到人员的开始逃离
时刻。
4．2模型的仿真验证
基于FDS火场数据，在Java环境下编程实现上述模型，
形象地展现了火灾时的人员运动情景，软件运行如图7。
、蒋
圈7人员蘸散情形
注：图中不同颜色的圆点代表不同类型的人员(如男女，
儿童，青年，老人等)。
通过上述工作，得出如下结论：
1)人员火场逃生betway必威官方网站
和经验，以及对建筑物的熟悉程度
至关重要；
2)房间采用隔热好的材料，出口尽量相背。限制建筑物
中人员密度，合理设计疏散通道；
3)安装先进消防预警设备，降低人员预动作时间，抑制
火势发展，增长可用安全疏散时间。
万方数据
5总结
本文着重研究了基于FDS进行火灾建模和应用的方法。
通过建立基于多Agent的人员疏散仿真模型，以FDS输出的
火|火数据为支撑，在Java环境下对人员疏散模型进行仿真，
宴验验证r本文研究的可行性。以上工作为火灾研究和人
员疏散提供，手段，并对建筑物的布局设计具有一定的指导
意义，达到r预期的效果。
参考文献：
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UniveBity，2006
【作者简介】
胨伟(1986一)，男(汉族)，黑龙江省黑河市人，
硕士研究生．主要研究领域为行为建模。
崔浩浩(1997一)，男(汉族)，山西省晋城市人．硕
士研究生，主要研究领域为行为建模。
秦龙(1984一)．男(汉族)，贵州省安顺市人，博
}研究生．主要研究领域为概念建穰。
尹全军(1976一)，男(汉族)．湖南省益阳市人．副教授．博士．主要
研究领域为行为建模。
(上接第26页)
Pl=(qI×zi×(xi+6／?一4Lx，)一3q】《+
盟冀产加∽+妻， ㈣，
从而前翼翼根的应力为： ，～：学：生掣(11)
式中h为翼剖面厚度的一半，‘为翼剖面转动惯量，将各结构
参数以及气动力计算得出的参数代人后可以得到各状态下
的应力值。由图8可见，工程算法的计算结果比有限元的略
大，因为此时没有考虑弹翼的横向及扭转变形。
：：器萎薯职
：。0．8-马赫S赫盈藿嚣’ ，∥
丝∥∥／：；：孑， 许用应力值
攻角／o
圈8量大应力随攻角变化田
5结论
本文通过数值仿真的方法，使用MSC Patran建立结构
模型，通过Nmslran进行模态分析．得到了该巡飞弹的结构固
有特性，通过比较结构固有频率与色行自由振荡频率，说明
飞行中不容易发生共振；使用Gambit建立了扇式折叠翼巡
飞弹的气动模型．由Fluent计算出其气动特性，结果与文献
[4]实验规律一致；依据气动计算结果对巡飞导弹的折叠翼
进行了强度校核．采用有限，i及J：程算法分别进行静力计
算，得出了在各马赫数下满足强度要求的最大飞行攻角，为
总体设计及控制系统设计提供了依据。
参考文献：
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设计实用教程[M]J匕京：科学出版社，2004 35—122
[3] 1’勇，张明，荽连}H FLUENT人门与进阶教程[M]北京：北
京理上大学出版社，2008 23—205．
[4]雷娟棉，吴甲牛．钻石背弹翼气动特性风洞实验研究[J]兵
工学报，2007，28(7)：893—896
[5]张永吕Msc Nastran有限元分析理论基础与应用【M]北
京：科学出版社，2004 42—13l
[作者简介]
许兆庆(1976一)，男(汉族)，广东省紫金县人，博
士研究生．士要研究方向：毛行器测萤与控制。
晏军基(1955一)，男(汉族)，江苏南京市人．教授．
博士生导师，主要研究方向：飞行器测量与控制。
薛晓中(1945一)，男(议族)．江苏人，教授，博士生
导师．主要研究^向：E行器总体敬计。
孙慧(1981一)，男(汉族)．江苏南通市人．硕上，工程师．主要研
究方向：夺气动力学。
一231一
舟以
椭锄
啪

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