消防评估软件中的烟雾能见度和遮挡

消防评估软件中的烟雾能见度和遮挡

烟雾的可见性和遮挡是火灾模拟的关键输出。这篇文章回顾了如何在 FDS 中计算能见度，将计算与实验数据进行比较，并讨论如何在新的 PyroSim 结果查看器和 Smokeview 中可视化烟雾。VTT实验图像与使用PyroSim/FDS预测的烟雾可视化的比较显示出很好的相关性！

能见度是观察者可以识别物体相对于背景的距离，而遮光度是光强度在穿过烟雾降低的量。计算出的能监督通常用作居住者的耐用性要求，  而遮光度则用于视觉显示烟雾。在这篇文章中，我们旨在描述和介绍如何在PyroSim中使用核心计算引擎FDS中计算可见性和遮挡的一些背景知识。我们希望确保新的PyroSim结果查看器正确读取FDS结果并非正确显示烟雾。消防评估软件

 

2、烟雾能见度和遮挡

在使用简单化学方法的火灾计算中，烟雾与其主要燃烧产物一起被跟踪。这意味着对于模型中的每个单元格，烟雾密度都是已知的。消光系数，K是用于计算能见度和光遮挡的关键参数。强度I通过一段距离的单色（单波长）光L通过烟雾衰减如下：

在I₀是射入强度。

消光系数K可以使用质量比消光系数计算K_m和烟雾迷都latexmath：[\rho_{s}

默认FDS值为K_m=，建议的不确定性为。为明火产生的烟雾推荐了这个值，他们总结了涉及29种燃料的气象研究的结果。对于阴燃（热解）产生的烟雾，该范围从8700m2kg±1100m2/kg  K_m=到4000m2/kg=K_m ,由于这种烟雾的光吸收较短，因此值较小。Mulholland和Croarkin烟雾的可见性和遮挡是火灾模拟的关键输出。这篇文章回顾了如何在 FDS 中计算能见度，将计算与实验数据进行比较，并讨论如何在新的 PyroSim 结果查看器和 Smokeview 中可视化烟雾。

分析了明火（化学计量和过渡通风）的数据，并发现了波长之间的相关性λ_nm（nm）和K_m是（等式3）

这绘制在图1中。可见光谱从大约400nm（紫色）延伸到700nm（红色）。评估波长-波长Wie633nm（用于获得默认值的波长）处的质量比消光相关性Km在FDS中给出的消光系数为，该系数小于FDS（）中使用的默认值，但接近推荐的不确定性下限。7626m2/kg8700 m2/kg

知道消光系数K后，可使用以下公式计算能见度：

其中（Jin1997）推荐了一个范围C=5~10用于照明标志。FDS中使用的默认值是C=3。用于确定这些值的实验适用了从外面通过玻璃窗观察到的充满烟雾的房间中的标志，因此能见度不受烟雾刺激的影响。能见度测量依赖于测试对象来确定物体不在可见的距离，而不是对比度的测量。

我们可以看到，在遮光和能见度的计算中存在一些不确定性。碳烟产量存在不确定性。碳烟产量存在不确定性，作为碳烟密度函数的消光系数存在不确定性，以及作为消光系数函数计算能见度的不确定性。FDS 中使用的默认值对于燃烧的火焰和反射标志的可见性应该被认为是合理的。

 

3、验证问题

我们现在将集成到PyroSim的结果查看器中的烟雾显示。验证问题基于smok_testSmokeview验证指南中提出的问题。图2显示了模型。白色障碍物（灰度255）被定为在距离的0.5m，1.0m，2.0m，3.0m，4.0m，5.0m深度。黑色块（灰度50）位于障碍物上以评估对比度和可见性。烟雾密度统一初始化为值。这给出了消光系数，应对于穿过烟雾后的强度下降。7.922E-5 kg/m30.68890.51m

 

韦伯对比C ( Mulholland and Croarkin 2000 )已经讨论过，并被 Cleary (2004) 实验使用。

韦伯对比度计算公式为：

B是物体的亮度、B₀  是背景的亮度。

穆赫兰指出，对于在白色背景下观察的黑色物体，其值为C=-0.02通常用作定义可见性的对比度阈值。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。在这个问题中，背景和黑块都被烟雾同等地遮挡，因此两者的强度相同地降低并且计算出的韦伯对比度是恒定的。正如将要显示，可见度随着模糊度的增加而明显降低，因此在这种情况下，Weber对比度似乎在计算可见度时没有用。韦伯对比度的另一个问题是，对于纯黑色物体（灰度为0），韦伯对比度方程将给出一个常数值-1.

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，能见度为4.35 m。仔细检查图 4表明，我们只能在 距离处识别黑色块4.0 m，但无法识别 处的块5.0 m，因此可见性计算与显示相匹配。然而，这也表明在这种情况下不能使用韦伯对比来确定可见性。 

需要注意的是，在图4中，环境光设置为零，相机光位于无限远。 图 5显示了使用默认环境光 ( 0.2) 和相机的默认光位置的结果。环境光值不会改变白色障碍物的强度，但深灰色斑块显得稍微亮一些。

4、VTT 能见度实验验证
（Rinne、Hietaniemi 和 Hostikka 2007 年）在芬兰 VTT 研究中心进行了一系列实验，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) 4.05 版进行的。对于这篇文章，我们使用 FDS 6.5.3 版重复计算。该模型以前曾用于讨论火灾建模的帖子中。在这篇文章中，我们将重点关注出口标志的烟雾和能见度。 图 6和图 7显示了实验的侧视图和俯视图。

在本研究中，我们模拟了甲苯燃料实验，因为该燃料为计算烟雾密度提供了实验数据。实验测量的峰值 HRR 是145.7 kW，对应于D*=0.444 m米。我们将模型更改为使用单元大小5 cm为 的多个网格用于火和开口。这给出了一个值大约为10，这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量的 rgb 值。 

原始 VTT 论文给出了20 cm和10 cm网格的结果。我们给出了两个具有代表性的图表，将原始研究的结果与本研究的结果进行比较。回想一下，更改包括使用 FDS 6.5.3 版（原版 4.05 版）和细化网格。 图 9显示了高度处的温度4.5 m。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专注。 图 11比较了烟层高度，该高度是在 FDS 中使用温度曲线作为高度的函数提取的。该5 cm案例的烟层结果比实验测量的结果低 10 到 20 厘米。

为了比较烟雾引起的能见度和遮挡，我们可以将实验测量的烟尘密度与 FDS 结果进行比较，图 12。读者可以参考 VTT 论文了解密度测量的描述，但该过程使用公式 1、2 和 3，通过计算质量比消光系数作为函数，将使用 MIREX 设备进行的光透射测量转换为密度的波长。可以看出，5 cm结果落在实验数据范围内。

我们还可以与位于通风口外的相机拍摄的图像进行直接比较。 图 13显示了 6 分钟时的图片。这可以与图 14 中的 PyroSim 图像进行比较，后者显示的烟雾层稍低。我们还可以看到，在帮助照亮出口标志的实验中包括了室内照明。如烟层底部的红色调所示，火也有助于照明。

5. 总结
在这篇文章中，我们完成了三件事：

我们回顾了用于计算 FDS 中的可见度和遮挡的程序。烟灰密度是根据燃烧反应中定义的烟灰产率计算的。然后烟尘通过模型，每个单元的密度都可用。使用质量比消光系数（通过实验测量）和局部烟灰密度计算消光系数。使用与消光系数的 Jin 相关性计算能见度。
我们通过使用恒定的烟灰密度和距离观察者越来越远的白色障碍物来验证遮蔽问题。障碍物的强度随着光穿过烟雾的距离而正确降低。我们还使用在白色障碍物上显示黑色斑块的图像验证了计算出的能见度。在这种情况下，黑色补丁和白色背景都被烟雾同等地遮住了，因此韦伯对比度是恒定的，似乎不适用于这种情况。
我们重复了测量烟雾和有毒气体浓度的 VTT 实验的模拟。我们使用当前版本的 FDS 和细化网格进行了此计算。 
尽管烟尘密度的计算和密度到能见度和遮蔽度的转换存在一些不确定性，但 VTT 实验图像与甲苯燃料的预测烟雾可视化的比较显示出好的相关性（图 13和图 14）。应该注意的是，VTT 论文表明，对于木材和 PMMA 火灾，预测的遮蔽比观察到的要大。

我们预计 PyroSim 中结果可视化的未来发展将包括纳入室内灯光和火焰照明的选项。

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