模擬軟體簡介

一、FDS 發展與介紹

本研究所採用之火災煙控模擬程式為美國國家標準和技術研究 院 NIST(National Institue of Standrad and Technology)和建築物與火災 研究實驗室 BFRL(Building and Fire Research Laboratory)所發展的火 災模擬軟體 FDS(Fire Dynamics Simulator)來進行電腦的模擬。FDS 是 一開放原始碼的軟體，從第一版至今已經有十年的經驗並且經歷多次 的改版與修正，其主要是統御方程式(Governing Equation)來分析流場 流動情形。適合使用的範圍包括低流速下的流動與火源燃燒所產生的 熱傳問題和熱浮力所推動的流體問題。

FDS 是屬於場模型(Field Model)之模擬，其原理是將建築物空間 化分成許多細小的隔點，利用數值方法將描述火災現場的動量、質 量、組成成分、紊流參數等非限性偏微分參數方程式離散化代數方程 式 ， 能 正 確 地 預 測 火 災 發 生 過 程 中 的 各 種 現 象 。 FDS 直 接 由 Navier-Stokes 方程式來求解，而得到每個隔點的速度、壓力、溫度、

濃度值。

FDS 程式近年來被廣泛應用在大型公共建設、購物中心、機場、

捷運系統或是住宅大樓等建築物的火災煙控系統設計上。FDS 主要是

以 LES(Large Eddy Simulation)為基礎的 CFD 火災模擬軟體，可用於 模擬三維的火災情境，它將建築物空間分割成多隔細小隔點，利用數 值方法求解各個守恆之統御方程式，可以比較精確的預估火災發生時 火場的壓力、溫度、速度和煙流動等等火災的物理數據，因此也更適 合於形狀複雜的建築空間或大型建築物的火災模擬。

Smokeview 是結合 FDS 的一個數據後處理軟體，可將 FDS 所計 算出來的結果，利用 Open GL 繪圖軟體以圖行或 2D 與 3D 動畫的效 果呈現出來。軟體的主要架構分為以下三個部分。

1. 前處理：在前處理中，必須以純文字格式輸入要模擬之建築物的 模型尺寸、物件規格、格點配至以及邊界條件等等以做為模擬計 算的基礎。

2. 數值解：就是 FDS 的運算核心部分，將前處理所製作好的模型物 件幾何尺寸等參數讀入，再以數值法求解，並將所需的計算結果 輸出。

3. 後處理：FDS 的後處理部分與 Open GL 的繪圖軟體 Smokeview 結合，可將 FDS 所計算出來的結果，利用圖型或 2D 與 3D 的動 畫效果呈現。圖 3-1 即為 FDS 與 Smokeview 之組織架構與工作流 程圖。

圖 3-1 FDS 與 smokeview 之組織架構與工作流程圖 (資料來源：參考書目 9)

二、FDS 計算之重要公式 Conservation of mass

mb

t

 

     

 u (3-1)

方程式(3-1)中，m^b

項是表示由液滴或微小粒子(partical)的物質 產生率(the production rate of species)。

Conservation of Momentum

( ) p g f_{b ij}

t    

        

 u uu (3-2)

方程式(3-2)中，uu 為一並矢張量(dyadic tensor)是一個以特別標記

法寫出的二階張量，是由成對的向量並置形成的。Fb 項為流體外在 所施的力，如由液滴所形成的阻力。τij 是剪應力。

Conservation of Energy

( _s) _s Dp _b

h h q q q

t   Dt 

        

 u (3-3)

方程式(3-3)中，h^s表示顯焓為溫度的函數。q_{是由化學變化所}

產生每立方體的發熱量。q^b

是由於液滴蒸發時能量的轉換所形成 的。q則是由熱傳導與熱輻射所產生的熱通量。

Equation of state

( , ) /

pm z t TR Y_ W_



 



在低流速與固定焓值得架設下方可簡化成方程式(3-4)。其中，壓 力僅為高度與時間的數值是因為已經將空間中的壓力 P(x,y,z)代換成 空間中的「平均」壓力。Wa 為各物質的莫耳分子量，R 為通用氣體 常數(universal gas constant)。