Fire Dynamics Simulator (FDS) 是一款由美国国家标准与技术研究院（NIST, National Institute of Technology）开发的开源计算流体动力学（CFD）软件，专门用于模拟火灾中的烟气流动、热传递和燃烧过程。它广泛应用于建筑防火工程、消防研究、疏散设计、风险评估等领域。

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一、FDS 简介

1.1 基本信息

• 全称：Fire Dynamics Simulator
• 开发者：美国国家标准与技术研究院（NIST）
• 开源协议：Public Domain（免费、开源）
• 编程语言：Fortran（核心），支持 Python 等脚本辅助
• 平台支持：Windows, Linux, macOS
• 最新版本：截至2024年，FDS 7.x 是主流版本（建议使用 FDS 7.8+）

1.2 核心功能

FDS 采用大涡模拟（LES, Large Eddy Simulation）方法，专注于低速、热驱动流场，特别适合模拟火灾场景：

• 烟气流动与分层
• 温度场与热辐射传播
• 可燃物燃烧与热释放速率（HRR）
• 喷淋系统、排烟系统、挡烟垂壁等消防设施效果
• 人员疏散路径的烟气能见度与毒性分析（需配合 Smokeview 和 Pathfinder）

1.3 配套工具

• Smokeview (SMV)：FDS 的可视化后处理工具，用于查看模拟结果（烟雾、温度、速度矢量等）。
• PyroSim（商业软件）：提供图形化界面，简化 FDS 模型构建。
• fds2ascii / fds2matlab：数据导出工具，用于后处理分析。
• fds+evac：FDS 的扩展模块，支持人员疏散模拟（与 Pathfinder 功能类似）。

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二、FDS 输入文件结构（.fds 文件）

FDS 使用纯文本输入文件（扩展名为 .fds），通过关键字（&HEAD, &MESH, &VENT, &OBST, &SURF, &DEVC 等）定义模拟场景。

2.1 基本结构示例

&HEAD CHID='room_fire', TITLE='Simple Room Fire Simulation' /

&MESH IJK=20,15,10, XB=0.0,4.0,0.0,3.0,0.0,2.0 /

&TIME T_END=300.0 /

&MATL ID='GYPSUM'
      SPECIFIC_HEAT=1.0,
      CONDUCTIVITY=0.17,
      DENSITY=700.0 /

&SURF ID='WALL',
      COLOR='GRAY 80',
      MATL_ID='GYPSUM',
      THICKNESS=0.015 /

&OBST XB=0.0,4.0,0.0,0.1,0.0,2.0, SURF_ID='WALL' / 墙壁

&VENT XB=1.5,2.5,0.0,0.0,0.0,0.5, SURF_ID='BURNER' / 火源

&SURF ID='BURNER',
      COLOR='RED',
      HRRPUA=1000.0 /  热释放率 1000 kW/m²

&DEVC XB=2.0,2.0,1.5,1.5,1.0,1.0, QUANTITY='TEMPERATURE', ID='Thermocouple' /

&TAIL /

2.2 常用关键字说明

关键字	说明
&HEAD	定义案例名称和标题
&MESH	定义计算网格（最重要！需合理划分）
&TIME	设置模拟时长
&OBST	定义障碍物（墙体、家具等）
&VENT	定义通风口或火源（通过 SURF_ID 关联）
&SURF	定义表面属性（材料、燃烧特性、边界条件）
&DEVC	定义测量设备（温度、速度、能见度等）
&SLCF	输出切片数据（Slice File），用于 Smokeview 可视化
&BNDF	输出边界数据

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三、FDS 使用步骤

步骤1：安装软件

• 下载地址：https://pages.nist.gov/fds-smv/downloads.html
• 包含 FDS + Smokeview + 文档 + 示例
• Windows 用户可直接安装；Linux/macOS 需编译或使用预编译包

步骤2：构建模型

• 方法1：手动编写 .fds 文件（适合学习和小模型）
• 方法2：使用 PyroSim（商业软件，图形化建模，适合工程应用）
• 方法3：使用 BlenderFDS 插件（开源，基于 Blender）

步骤3：运行模拟

在命令行中执行：

fds room_fire.fds

或使用 PyroSim 的“Run FDS”按钮。

注意：首次运行建议使用小网格测试，避免计算时间过长。

步骤4：结果可视化（Smokeview）

smokeview room_fire

Smokeview 支持播放动画、查看切片、探针数据、粒子轨迹等。

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四、关键技巧与注意事项

4.1 网格划分（最重要！）

• FDS 对网格分辨率敏感，尤其是火源附近
• 建议火源区域网格 ≤ 0.1m，其他区域可适当放宽
• 使用多个 &MESH 可实现局部加密（Multi-mesh）

示例：

&MESH IJK=40,30,20, XB=0.0,4.0,0.0,3.0,0.0,2.0, MPI_PROCESS=0 /
&MESH IJK=20,20,20, XB=1.5,2.5,0.5,1.5,0.0,1.0, MPI_PROCESS=1 /

4.2 火源建模

• 使用 HRRPUA（热释放率密度）或 RAMP_Q（随时间变化的热释放率）
• 可导入真实 HRR 曲线（如锥形量热仪数据）

&RAMP ID='fire_ramp', T=0.0, F=0.0 /
&RAMP ID='fire_ramp', T=60.0, F=1.0 /
&RAMP ID='fire_ramp', T=300.0, F=0.0 /

&SURF ID='fire_surf', HRRPUA=2000., RAMP_Q='fire_ramp' /

4.3 边界条件

• 默认为 OPEN（开放边界）
• 可设置为 PERIODIC, MIRROR, HVAC 等
• 外墙建议设为 INERT 或指定热属性

4.4 输出控制

• 使用 &DEVC 记录点数据
• 使用 &SLCF 输出平面切片（温度、速度、能见度等）
• 使用 DT_DEVC, DT_SLCF 控制输出频率，避免文件过大

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五、典型应用场景

1. 建筑中庭火灾烟气蔓延模拟
2. 地铁隧道排烟系统效能评估
3. 仓库高架存储火灾风险分析
4. 住宅火灾发展与探测器响应时间
5. 高层建筑外立面火灾竖向蔓延（如幕墙火灾）
6. 喷淋系统灭火效果模拟（需启用 sprinkler 模型）

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六、学习资源推荐

• 官方手册（必读！）：

  • FDS Technical Reference Guide（理论）
  • FDS User’s Guide（操作）
  • Smokeview User’s Guide
  • 下载地址：https://github.com/firemodels/fds/tree/master/Manuals

• 示例案例库：

  • 安装包自带 Examples 文件夹（涵盖各种场景）
  • GitHub: https://github.com/firemodels/fds

• 在线教程：

  • NIST 官方培训视频（YouTube）
  • PyroSim 官网教程（https://www.thunderheadeng.com/pyrosim/learning/）
  • B站/YouTube 搜索 “FDS 教程” 有很多中文视频

• 论坛与社区：

  • FDS Google Group（活跃）：https://groups.google.com/g/fds-smv
  • CSDN、知乎、ResearchGate 也有大量讨论

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七、常见问题（FAQ）

Q1：模拟运行太慢怎么办？

• 降低网格分辨率（尤其远离火源区域）
• 减少输出频率（DT_SLCF=10 而非 1）
• 使用 MPI 并行计算（多核/多机）

Q2：Smokeview 显示空白或报错？

• 检查 .smv 文件是否生成
• 确保路径无中文或特殊字符
• 更新 Smokeview 到最新版

Q3：如何模拟真实材料燃烧？

• 定义 MATL 和 SURF，设置热解参数（需查阅文献或实验数据）
• 使用 MLRPUA（质量损失率）或耦合热解模型（如 PYRO3D）

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八、总结

FDS 是目前全球最权威、应用最广泛的火灾数值模拟工具，具有物理模型严谨、开源免费、社区活跃等优势。虽然学习曲线较陡（需掌握 CFD 基础、Fortran 风格输入语法），但一旦掌握，可极大提升火灾风险评估和消防工程设计的科学性。

建议学习路径：官方手册 → 简单示例 → PyroSim 建模 → 复杂案例 → 参与社区讨论

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如需具体案例建模指导或错误排查，可提供 .fds 文件内容或错误日志，我可以进一步协助分析。