一、FDS 模擬軟體簡介
FDS 模 擬 軟 體 是 由 美 國 NIST( National Institute of Standards and Technology)於西元2000 年2 月公開發表第一版，2001年發表第二版，2002 年 11 月發表第三版，2004年7月發表第四版，2007年10月已發展到第5.0版。FDS 是 一套計算流體力學(CFD Computational Fluid Dynamics)軟體，亦即所謂的場模 式(Field Model)，採用大渦流模擬LES（Large Eddy Simulation）以及直接數 值 模 擬DNS （ Direct Numercal Simulation ）解控制 方程式 ， 軟 體 的核心 是 Navier-Stokes 方程組推導簡化而來，是符合質量守恆、動量守恆、物種守恆以 及能量守恆的流體力學方程式，適用的範圍為低馬赫數(low mach number)的流 場分析，亦即火場中由熱驅動的低速流場，著重在煙流及熱傳遞的現象，在燃燒 理論方面採用混合分率模式(mixture fraction model)，解出計算區域中之各物 理量變化情形，可預測室內外之多種火災問題、建築物之排煙系統、撒水頭動作、
火災探測以及其他非壓縮流體之熱對流現象，目前已成為分析火災現象之最主要 軟體，也有學者利用FDS 進行火場重建，由FDS 的模擬重建火場推估火災成長的 方式。
二、FDS 的架構與功能
FDS 為 一 動 態 火 場 氣 流 體 流 動 計 算 軟 體 (CFD ； Computational Fluid Dynamic)，使用DNS 及LES 方程式，將模擬範圍切割成若干正立方體之數值網格 (Computational Grid)，所有之計算必須在此諸格點完成，因此格點劃分的愈細 計算上也愈煩複所須之時間愈久，但結果會較為合理精確，計算完成後透過 Smokeview 瀏覽軟體，將空間狀況與模擬結果以實體比例輸出至螢幕上，以方便 使用者可以清楚地從螢幕上了解整個火災發展之過程，如圖 2- 1 所示：
圖 2- 1 SmokeView 畫面[NIST(2007)1]
此軟體可應用於建築物室內火災、室外火災、流體流動及熱力學上熱傳之計算。
軟體架構如圖 2- 2 所示：
圖 2- 2 FDS 運算架構圖[NIST(2007)]
首先針對欲模擬之對象物及所須輸出(Output)之結果建立一輸入檔(Input)
*.data，經FDS程式之計算後，製造輸出計算結果檔*.smv、*.sf、*.bf、*.part、
*.iso、*.q、*.ini，再經由瀏灠程式smokeveiw觀看整個模擬計算過程, 其功能 包括：模擬火場中煙層(氣流)流動方向、煙層溫度、煙層下降速度、火場能見度、
燃燒釋熱率(HRR)、可燃物燃燒速度、自動灑水頭灑水動作及灑水分佈、感熱式 探測器動作、火場溫度分佈、壓力、O2、CO2及CO濃度、排煙設備動作等。
1 NIST,User’sGuideforSmokeview Version 5-A Tool for Visualizing Fire Dynamics Simulation Data,pp4 and pp39,2007
三、FDS 模擬內容設定與一般程序
(三)設定模擬範圍大小(Computational Domain) (四)決定格點大小(Grid、Multi-block geometry) (五)模擬時間(Time Limits)
(六)設定火災境況及決定起火源大小位置(Design Fire & FireScenario) (七)設定燃燒反應參數與材料邊界條件(Combustion Parameters & Boundary
Condition)
(八)實物輸入(Creating Obstructions) (九)VENT & SURFACE
(十)輸入撒水設備或探測器(Sprinkler & Detector)
(十一)決定輸出內容(Output Files：THCP、SCLF、BNDF、ISOF、PL3D) (十二)執行電腦運算(fds<*.data)
(十三)結果分析與判斷(SMOKEVIEW) 四、FDS 平行運算簡介[黃育祥(2004)]
格點(Grid)大小對於FDS 運算使用LES model 預測建築物內火災產生的煙流 動與熱傳的計算上重大之影響及差異，網格劃分愈細者其結果較粗網格者理想，
但所花費之計算時間也就愈大，以目前桌上型個人電腦而言，100 萬個格點數尚 屬可負荷之範圍，超過此範圍在計算上曠日費時，無法因應目前工程上之須求。
模擬對象的格點數必須小於一定的尺度方能精確地計算出流場的黏滯應 力 。 火 羽 柱 (fire plume) 最 小 長 度 尺 度 (length scale) 為 火 災 特 徵 直 徑 (characteristic fire diameter) D* [McCaffery,1989]，亦即：
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入電腦大量運算的境界；雖然，隨著電腦科技的不斷進步，逐漸解決了FDS 對電 腦運算能力的要求，但是單機電腦性能再強，仍是以單機作業運算，即使使用較 高等級之Pentium 4、3.0GHz，並加大其記憶體容量(RAM=1.0GB)之個人電腦而 言，僅能處理100 萬以內格點數之計算，約為10m×10m×10m 之對象，以10cm×10cm
×10cm 格點來劃分之量，如格點再切細或對象尺寸加大，則電腦運算效率立即明 顯下降，對於大空間場所之模擬，無法在運算效率與精確度兩者之間取得平衡，
甚至電腦會對格點數過大之模擬退出運算，根本無法執行模擬。
有鑑於此，FDS4.0 版以後之版本即針對此項弱點，加入了平行運算之功 能，以資源分享之觀點將多台電腦之運算能力結合在一起，同一案件，先切割成 數個區塊，各個區塊均指定單獨的電腦來處理該區塊資料之運算，可大大降低單 一電腦處理之資料量，相鄰區塊之電腦間亦需資料交換，然後將處理完之資料傳 遞至主機電腦彙整，即可得到如同單機電腦運算之結果，此時運算時間較單機電 腦運算縮短甚多，視連結電腦之數量而定；如圖 2- 3 平行運算示意圖所示。
圖 2- 3 電腦平行運算示意圖
理論上，電腦數量愈多，則運算時間愈短，但在運算效率及電腦數量之成本 考量上，需取得有效之平衡值，並非一昧增加電腦數就可以有效縮短運算時間，
當電腦數超過合理值（如電腦間資料交換量達到網路傳輸量），或分配給各電腦 之資料量與增加之電腦數無明顯縮小時，即達到平行運算效率之臨界值，即效率
（時間）／成本(電腦數)達成平衡之最佳值，如圖 2- 4 平行運算之效率（時間）
／成本(電腦數)示意圖。
圖 2- 4 平行運算之效率 / 電腦數示意圖
第 二 節 國 內 使 用 FDS 模 擬 火 災 文 獻 回 顧
本研究由國家圖書館全國博碩士論文資訊網及各大學電子學位論文資訊，
蒐集國內建築火災研究方面使用FDS作為模擬工具之學位論文，由論文摘要中整 理其FDS之模擬對象，並將模擬項目以火災成長延燒、煙控避難、消防滅火、構 造防火、重建與其他加以分類整理如下：
一、成長延燒
作者 出版年 摘要
蔡清雄 2004 本研究針對核能電廠內安全相關開關箱室進行火災模擬案例 研究。以火災發生頻率高且火災後果嚴重之開關箱室作為火災 後果模擬對象，並使用FDS來模擬火場及相鄰開關箱室溫度之 變化。
邱晨瑋 2005 本論文共分兩部份。第一部份為火災房間實驗及數值模擬，係 針對火災房間探討回燃現象，以及天花板及牆壁裝修對閃燃現 象之影響為主要研究目標。總共進行了五次貨櫃屋全尺寸燃燒 實驗。在數值模擬方面，由於場模式與區域模式之燃燒模式均 運用完全燃燒的化學計量方程式，所以火災溫度有高估的現 象，且由於貨櫃本身係鑄鋼所構成，因金屬不易蓄熱導致其輻 射回櫃效應不如水泥，所以閃燃與回燃發生時間應較使用水泥 者為長，但整體而言，也與二種模式的模擬結果與實驗數據均 有不錯的近似。
本論文第二部分是以SFPE性能式設計程序來評估設計十二吋 晶圓廠無塵室煙控系統，本研究使用FDS模擬無塵室中火災煙 流動情形。
邱健倫 2007 本研究主要分為兩個部分，第一個部分主要是以FDS來模擬暫 態的密空間的火場，再以文獻的實驗驗證用大尺度渦流模擬 (LES) 法 在 模 擬 房 間 紊 流 流 場 及 溫 度 分 佈 之 能 力 ， 並 依 Smagorinsky模式裡不同經驗參數的模擬結果根據實驗數據來 加以分析比較。
黃雄義 2005 本研究以FDS為模擬工具，評估FDS 替代房間試驗之可行性。
FDS 模擬前需輸入格點配置及材料參數，因此本研究以「使用 者」角度探討格點與材料參數之最佳選擇方式，研究中發現軟 體準確度與使用者所輸入之格點配置條件及材料參數影響重 大。故本研究可分為三部份，首先進行最佳格點尺寸及配置條 件分析，之後決定適合之材料熱屬性參數，最終進行石膏板及 耐燃合板ISO 9705房間試驗並與模擬結果進行比對。
本格點配置研究結果顯示 ＝0.05時可獲得單一火源熱釋放 率、溫度、氣流速度、火焰高度準確模擬結果為最佳使用格點 尺寸。非均勻格點配置上以寬高比在1:2時可獲得最佳結果。
Multi-block區塊間格點重疊方式不同雖會影響模擬結果但差 異不大，另在非火源區塊較大格點與火源區塊格點有效使用比 例為1:3以下較為適當。
房間試驗模擬結果顯示火場條件未涉及可燃物延燒時較能準 確預測地板熱通量及天花板附近氣體溫度，但延燒發生時，則 無法準確評估房間溫度及閃燃現象，此外對於房間氧氣、二氧 化碳及一氧化碳濃度變化均無法準確預測，由結果顯示FDS即 使採用最佳格點配置條件及材料熱屬性參數仍無法準確預測 房間試驗結果，代表FDS 燃燒模式仍有待改善，無法完全取代 ISO 9705房間試驗。
萬復森 2005 本研究使用未具試體延伸板及具試體延伸板兩項裝置進行牆 面延燒，之PMMA進行實驗。模擬部份，FDS結果顯示，寬度影 響加熱強度及延燒速率，但其數值及趨勢均與實驗不符，無法 模擬牆面延燒及寬度效應。
莊英吉 2007 本研究透過文獻分析、BRI 2002電腦模擬、FDS電腦模擬及全 尺寸火災試驗，探討火載量、開口面積、居室大小、火災室溫 度分布、可燃物排列、可燃物材質、火災持續時間及周壁隔熱 性質...等相關因子對於建築物居室燃燒的影響，經研究評估 後，最後將試驗設備建立為一棟兩樓高的鋼構建築物可進行預 期的全尺寸火災模擬試驗。
蘇莫捷 2007 本研究假設公寓集合住宅某一住戶發生火警，運用火災模擬軟 體FDS加以分析，將其模擬的結果與消防介入搶救時間加以比 對，藉此了解閃燃之臨界時間，並提出閃燃與爆燃防範、因應 之建議，以供消防實務界及後續研究者參考。
張文龍 2004 本文以數值模擬方法，針對油槽區各式儲油槽做一分析，以場 模式FDS軟體模擬油槽區火災，以不同的油槽直徑、安全間距、
燃燒油料在不同風速下進行電腦模擬分析，以此模擬火場發生 情形來探討發生火災時的火災油槽對鄰近油槽的影響及油槽 安全間距恰當與否。
余家均 2007 本研究以CRT電視機為對象，進行火災燃燒試驗、煙毒性指數 試驗，並輔以FDS（Fire Dynamics Simulator）火災模擬軟體，
透過CRT電視機火災燃燒試驗之結果，進行住宅居室空間之模 擬，以探討CRT電視機火災之危害性。
透過CRT電視機火災燃燒試驗之結果，進行住宅居室空間之模 擬，以探討CRT電視機火災之危害性。