关键词：烟气流动模拟分析软件，烟气流动模拟分析软件（CFD），消防评估软件，PyroSim中文网

烟雾的可见度和遮蔽是火灾模拟的关键输出。这篇文章回顾了如何在FDS中计算可见度，将计算结果与实验数据进行比较，并讨论了如何在新的PyroSim Results Viewer和Smokeview中可视化烟雾。

使用PyroSim / FDS将VTT实验图像与预测的烟雾可视化进行比较，显示出很好的相关性。 

介绍

可见性是观察者可以识别物体相对于背景的距离，而模糊度是光强度通过烟雾时降di的量。计算出的能见度通常用作乘员的持久性要求，而遮盖力则用于视觉显示烟雾。我在这篇文章中的目标是描述和介绍有关如何在PyroSim中使用的核心计算引擎FDS中计算可见性和遮盖力的背景。特别是，我想验证新的PyroSim Results Viewer是否正确读取FDS结果并正确显示烟雾。 

烟雾可见度和遮盖力

在使用简单化学方法进行的火灾计算中，烟雾会与其他主要燃烧产物一起被追踪（《 FDS用户指南》第17.10.2节，McGrattan等人，2017年）。这意味着，对于模型中的每个单元，烟雾密度都是已知的。消光系数K是用于计算可见性和遮盖力的关键参数。强度I通过一定距离的单色（单波长）光L通过烟雾衰减如下：

I₀入射强度，消光系数K可以使用质量比消光系数K_m和烟气密度ρ_s（公式2）来计算光消光系数。

FDS的默认值为K_m=8700m²/kg，建议不确定度为±1100m²/kg。Mulholland和Croarkin（2000）建议将该值用于燃烧火焰产生的烟气，他们总结了涉及29种燃料的7项研究的结果。对于通过阴燃（热解）产生的烟雾，该值的范围从K_m=4000m²/kg到K_m=5000m²/kg，由于该烟雾的光吸收低，因此该值较小。Mulholland和Croarkin论文中引用的全部实验均使用λ=366nm与可见光谱中红色相对应的波长进行。

Widmann（2003）分析了明火的数据（化学计量的和通风过度的），发现波长之间的相关性λnm(nm)和K_m（方程式3）：

这在图1中绘制。可见光谱从约400 nm（紫）到700 nm（红）。在633 nm的波长（K_m in FDS中用于获得默认值的波长）下计算方程3 得出的消光系数为7626 m ² / kg，比FDS中使用的默认值（8700 m ² / kg）小，但是接近建议的不确定性下限。 

图1：消光系数与波长的关系

一旦知道了消光系数K后，就可以使用（公式4）计算可见度：

Jin（2007）推jian了C=2~4对于反射标志和C=5~10用于发光标志的范围。FDS中使用的默认值为C=3。用于确定这些值的实验使用从玻璃窗向外观察的充满烟雾的室内的信号，因此可见度不受烟雾刺激的影响。可见度测量依靠测试对象来确定物体不再可见的距离，而不是对比度的测量。

我们可以看到，遮盖力和可见度的计算存在一些不确定性。烟尘产量存在不确定性，消光系数的不确定性取决于烟尘密度，而可见度的不确定性也取决于消光系数。对于火焰燃烧和反射标志的可见性，应将FDS中使用的默认值视为合理。

验证问题

现在，我们将在集成到PyroSim中的“结果查看器”中验证烟雾的显示。验证问题基于《 Smokeview验证指南》（《财富》，2017年）第3章中介绍的smoke_test问题。图2显示了该模型。白色障碍物（灰阶255）位于0.5、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 m深度处。黑色块（灰度级50）位于障碍物上，以评估对比度和可见性。烟气密度统一初始化为7.922E-5 kg / m ³。这样得出的消光系数为0.6889，对应于通过1 m烟雾后的强度下降为0.5。 

图2：用于验证烟雾可视化的模型。

Webhol对比C已经由Mulholland（1995）讨论过，并由Cleary（2004）实验性地使用。韦伯对比度的计算公式为（公式5）：

其中，B是物体的亮度和B₀是背景的亮度。Mulholland指出，对于在白色背景下观看的黑色物体，C=-0.02通常将的值用作定义可见度的对比度阈值。 

白色障碍物和黑色斑块的预期光强度在图3中给出，包括计算出的韦伯对比度。在此问题中，背景和黑色斑块均被烟雾均匀遮盖，从而使两者的强度均降di，并且计算出的韦伯对比度不变。如将显示的那样，随着增加的模糊度，可见性降di了，因此看来Weber对比度在这种情况下对计算可见性没有用。韦伯对比度的另一个问题是，对于纯黑色物体（灰度为0），等式5的常数为-1。 

图3：白色障碍物和黑色斑块的光强度理论值。

烟雾的FDS和PyroSim结果查看器如图4所示。理论值和显示值相同。根据消光系数，可见度为4.35 m。对图4的仔细检查显示，我们只能在4.0 m的距离处识别出黑色斑块，而在5.0 m处无法识别出斑块，因此可见性计算与显示匹配。但是，这也证明了在这种情况下不能使用Weber对比来确定可见性。 

图4：显示屏显示阻塞物和黑色斑点。

应该注意的是，在图4中，环境光被设置为零，而相机光被置于无限远。图5显示了使用默认环境光（0.2）和相机上默认光位置的结果。环境光值不会改变白色障碍物的强度，但深灰色斑块看起来会更亮。

图5：显示屏显示使用默认的环境光和灯光位置遮挡的障碍物和黑色斑点。

VTT可见性实验验证

Rinne等。（2007年）在芬兰VTT研究中xin进行了一系列实验，以验证FDS对烟雾和有毒气体浓度的模拟。这些计算是使用Fire Dynamics Simulator（FDS）版本4.05执行的。对于此帖子，我们使用FDS版本6.5.3重复了计算。该模型先前已在讨论火灾建模的帖子中使用。在这篇文章中，我们将特别关注出口标志的烟雾和可见性。图6和7显示了实验的侧视图和俯视图。 

图6：VTT实验的侧视图，显示出口标志和摄像头。图片来自Rinne等。（2007）。

图7：VTT实验的俯视图，显示了出口标志和摄像头。图片来自Rinne等。（2007）。

对于本研究，我们模拟了甲苯燃料实验，因为该燃料为计算烟气密度提供了实验数据。实验测得的峰值HRR为145.7 kW，对应于D*=0.444m。我们更改了模型，以使用多个网格大小为5厘米的网格进行射击和开孔。得出的值约为10，该值应正确捕获火羽中夹带的空气。该模型如图8所示。模型中符号的rgb值设置为对应于从实验的初始相机图像测得的rgb值。 

图8：VTT实验的PyroSim模型，显示出口标志位置和检ce器。

原始的VTT纸给出了20厘米和10厘米网格的结果。我们提供了两个代表性的图表，用于比较原始研究和本研究的结果。回想一下，更改包括使用FDS 6.5.3版（原始版本4.05）和完善网格。图9显示了4.5 m高处的温度。两种热电偶树的测量实验结果和模型结果基本相同。图10比较了CO浓度。图11比较了烟雾层的高度，该烟雾层是在FDS中使用温度曲线作为高度的函数提取的。5厘米情况下的烟雾层结果比实验测量时低10到20厘米。

图9：先前研究在4.5 m处的温度与当前研究的比较。通过将新结果叠加在原始VTT图表上而制成的图。

图10：先前研究CO与当前研究的比较。通过将新结果叠加在原始VTT图表上而制成的图。

图11：烟层高度。通过将新结果叠加在原始VTT图表上而制成的图。

为了比较由于烟雾引起的可见度和模糊度，我们可以先将实验测量的烟尘密度与FDS结果进行比较，如图12所示。读者可以参考VTT文章以获取密度测量的完整说明，但是该程序使用了公式1 ，2和3可通过计算作为波长函数的质量比消光系数，将使用MIREX器件进行的透光率测量转换为密度。可以看出，5 cm结果落在实验数据范围内。

图12：测得的烟尘密度和计算的FDS结果的比较。通过将新结果叠加在原始VTT图表上而制成的图。

我们还可以与排气孔外部的摄像机拍摄的图像进行直接比较。图13显示了6分钟时的图片。可以将其与图14中的PyroSim图像进行比较，该图像显示出稍低的烟雾层。我们还可以看到，实验中包括室内照明，有助于照亮出口标志。如烟雾层底部的红色调所示，火也有助于照明。

图13. 摄像机2 6分钟时的试验室视图。只有附近的出口标志可见。图片来自VTT文献

图14. PyroSim显示6分钟时的烟雾。几乎看不到出口标志的底部。

图15. PyroSim在2分钟时显示烟雾。全部出口标志仍然可见。

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