消防評(píng)估軟件中煙氣流動(dòng)分析軟件PyroSim中的煙霧能見(jiàn)度和遮擋

煙霧的可見(jiàn)性和遮擋是火災(zāi)模擬的關(guān)鍵輸出。這篇文章回顧了如何在 FDS 中計(jì)算能見(jiàn)度，將計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并討論如何在新的 PyroSim 結(jié)果查看器和 Smokeview 中可視化煙霧。VTT實(shí)驗(yàn)圖像與使用煙氣流動(dòng)分析評(píng)估軟件PyroSim/FDS預(yù)測(cè)的煙霧可視化的比較顯示出很好的相關(guān)性！

能見(jiàn)度是觀察者可以識(shí)別物體相對(duì)于背景的距離，而遮光度是光強(qiáng)度在穿過(guò)煙霧降低的量。計(jì)算出的能監(jiān)督通常用作居住者的耐用性要求，  而遮光度則用于視覺(jué)顯示煙霧。在這篇文章中，我們旨在描述和介紹如何在PyroSim中使用核心計(jì)算引擎FDS中計(jì)算可見(jiàn)性和遮擋的一些背景知識(shí)。我們希望確保新的煙氣流動(dòng)分析軟件PyroSim結(jié)果查看器正確讀取FDS結(jié)果并非正確顯示煙霧。

2、煙霧能見(jiàn)度和遮擋

在使用簡(jiǎn)單化學(xué)方法的火災(zāi)計(jì)算中，煙霧與其主要燃燒產(chǎn)物一起被跟蹤。這意味著對(duì)于模型中的每個(gè)單元格，煙霧密度都是已知的。消光系數(shù)，K是用于計(jì)算能見(jiàn)度和光遮擋的關(guān)鍵參數(shù)。強(qiáng)度I通過(guò)一段距離的單色（單波長(zhǎng)）光L通過(guò)煙霧衰減如下：

在I₀是射入強(qiáng)度。

消光系數(shù)K可以使用質(zhì)量比消光系數(shù)計(jì)算K_m和煙霧迷都latexmath：[\rho_{s}

默認(rèn)FDS值為K_m=，建議的不確定性為。為明火產(chǎn)生的煙霧推薦了這個(gè)值，他們總結(jié)了涉及29種燃料的氣象研究的結(jié)果。對(duì)于陰燃（熱解）產(chǎn)生的煙霧，該范圍從8700m2kg±1100m2/kg  K_m=到4000m2/kg=K_m ,由于這種煙霧的光吸收較短，因此值較小。Mulholland和Croarkin煙霧的可見(jiàn)性和遮擋是火災(zāi)模擬的關(guān)鍵輸出。這篇文章回顧了如何在 FDS 中計(jì)算能見(jiàn)度，將計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并討論如何在新的 PyroSim 結(jié)果查看器和 Smokeview 中可視化煙霧。

分析了明火（化學(xué)計(jì)量和過(guò)渡通風(fēng)）的數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)了波長(zhǎng)之間的相關(guān)性λ_nm（nm）和K_m是（等式3）

這繪制在圖1中。可見(jiàn)光譜從大約400nm（紫色）延伸到700nm（紅色）。評(píng)估波長(zhǎng)-波長(zhǎng)Wie633nm（用于獲得默認(rèn)值的波長(zhǎng)）處的質(zhì)量比消光相關(guān)性Km在FDS中給出的消光系數(shù)為，該系數(shù)小于FDS（）中使用的默認(rèn)值，但接近推薦的不確定性下限。7626m2/kg8700 m2/kg

知道消光系數(shù)K后，可使用以下公式計(jì)算能見(jiàn)度：

其中（Jin1997）推薦了一個(gè)范圍C=5~10用于照明標(biāo)志。FDS中使用的默認(rèn)值是C=3。用于確定這些值的實(shí)驗(yàn)適用了從外面通過(guò)玻璃窗觀察到的充滿煙霧的房間中的標(biāo)志，因此能見(jiàn)度不受煙霧刺激的影響。能見(jiàn)度測(cè)量依賴于測(cè)試對(duì)象來(lái)確定物體不在可見(jiàn)的距離，而不是對(duì)比度的測(cè)量。

我們可以看到，在遮光和能見(jiàn)度的計(jì)算中存在一些不確定性。碳煙產(chǎn)量存在不確定性。碳煙產(chǎn)量存在不確定性，作為碳煙密度函數(shù)的消光系數(shù)存在不確定性，以及作為消光系數(shù)函數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度的不確定性。FDS 中使用的默認(rèn)值對(duì)于燃燒的火焰和反射標(biāo)志的可見(jiàn)性應(yīng)該被認(rèn)為是合理的。

3、驗(yàn)證問(wèn)題

我們現(xiàn)在將集成到PyroSim的結(jié)果查看器中的煙霧顯示。驗(yàn)證問(wèn)題基于smok_testSmokeview驗(yàn)證指南中提出的問(wèn)題。圖2顯示了模型。白色障礙物（灰度255）被定為在距離的0.5m，1.0m，2.0m，3.0m，4.0m，5.0m深度。黑色塊（灰度50）位于障礙物上以評(píng)估對(duì)比度和可見(jiàn)性。煙霧密度統(tǒng)一初始化為值。這給出了消光系數(shù)，應(yīng)對(duì)于穿過(guò)煙霧后的強(qiáng)度下降。7.922E-5 kg/m30.68890.51m

韋伯對(duì)比C ( Mulholland and Croarkin 2000 )已經(jīng)討論過(guò)，并被 Cleary (2004) 實(shí)驗(yàn)使用。

韋伯對(duì)比度計(jì)算公式為：

B是物體的亮度、B₀  是背景的亮度。

穆赫蘭指出，對(duì)于在白色背景下觀察的黑色物體，其值為C=-0.02通常用作定義可見(jiàn)性的對(duì)比度閾值。白色障礙物和黑色斑塊的預(yù)期光強(qiáng)度在圖3中給出，包括計(jì)算出的韋伯對(duì)比度。在這個(gè)問(wèn)題中，背景和黑塊都被煙霧同等地遮擋，因此兩者的強(qiáng)度相同地降低并且計(jì)算出的韋伯對(duì)比度是恒定的。正如將要顯示，可見(jiàn)度隨著模糊度的增加而明顯降低，因此在這種情況下，Weber對(duì)比度似乎在計(jì)算可見(jiàn)度時(shí)沒(méi)有用。韋伯對(duì)比度的另一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)于純黑色物體（灰度為0），韋伯對(duì)比度方程將給出一個(gè)常數(shù)值-1.

煙霧的 FDS 和 PyroSim 結(jié)果查看器如圖 4所示。理論值和顯示值相同。根據(jù)消光系數(shù)，能見(jiàn)度為4.35 m。仔細(xì)檢查圖 4表明，我們只能在 距離處識(shí)別黑色塊4.0 m，但無(wú)法識(shí)別 處的塊5.0 m，因此可見(jiàn)性計(jì)算與顯示相匹配。然而，這也表明在這種情況下不能使用韋伯對(duì)比來(lái)確定可見(jiàn)性。 

需要注意的是，在圖4中，環(huán)境光設(shè)置為零，相機(jī)光位于無(wú)限遠(yuǎn)。 圖 5顯示了使用默認(rèn)環(huán)境光 ( 0.2) 和相機(jī)的默認(rèn)光位置的結(jié)果。環(huán)境光值不會(huì)改變白色障礙物的強(qiáng)度，但深灰色斑塊顯得稍微亮一些。

4、VTT 能見(jiàn)度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
（Rinne、Hietaniemi 和 Hostikka 2007 年）在芬蘭 VTT 研究中心進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證 FDS 對(duì)煙霧和有毒氣
體濃度的模擬。這些計(jì)算是使用 Fire Dynamics Simulator (FDS) 4.05 版進(jìn)行的。對(duì)于這篇文章，我們使用 FDS 6.5.3 版重復(fù)計(jì)算。該模型以前曾用于討論火災(zāi)建模的帖子中。在這篇文章中，我們將重點(diǎn)關(guān)注出口標(biāo)志的煙霧和能見(jiàn)度。 圖 6和圖 7顯示了實(shí)驗(yàn)的側(cè)視圖和俯視圖。

在本研究中，我們模擬了甲苯燃料實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵撊剂蠟橛?jì)算煙霧密度提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的峰值 HRR 是145.7 kW，對(duì)應(yīng)于D*=0.444 m米。我們將模型更改為使用單元大小5 cm為 的多個(gè)網(wǎng)格用于火和開(kāi)口。這給出了一個(gè)值大約為10，這應(yīng)正確捕獲火羽中夾帶的空氣。該模型如圖 8所示。模型中符號(hào)的 rgb 值設(shè)置為對(duì)應(yīng)于從實(shí)驗(yàn)的初始相機(jī)圖像測(cè)量的 rgb 值。 

原始 VTT 論文給出了20 cm和10 cm網(wǎng)格的結(jié)果。我們給出了兩個(gè)具有代表性的圖表，將原始研究的結(jié)果與本研究的結(jié)果進(jìn)行比較。回想一下，更改包括使用 FDS 6.5.3 版（原版 4.05 版）和細(xì)化網(wǎng)格。 圖 9顯示了高度處的溫度4.5 m。兩種熱電偶樹(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型結(jié)果基本相同。 圖 10比較了CO專注。 圖 11比較了煙層高度，該高度是在 FDS 中使用溫度曲線作為高度的函數(shù)提取的。該5 cm案例的煙層結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果低 10 到 20 厘米。

為了比較煙霧引起的能見(jiàn)度和遮擋，我們可以將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的煙塵密度與 FDS 結(jié)果進(jìn)行比較，圖 12。讀者可以參考 VTT 論文了解密度測(cè)量的描述，但該過(guò)程使用公式 1、2 和 3，通過(guò)計(jì)算質(zhì)量比消光系數(shù)作為函數(shù)，將使用 MIREX 設(shè)備進(jìn)行的光透射測(cè)量轉(zhuǎn)換為密度的波長(zhǎng)。可以看出，5 cm結(jié)果落在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。

我們還可以與位于通風(fēng)口外的相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行直接比較。 圖 13顯示了 6 分鐘時(shí)的圖片。這可以與圖 14 中的 PyroSim 圖像進(jìn)行比較，后者顯示的煙霧層稍低。我們還可以看到，在幫助照亮出口標(biāo)志的實(shí)驗(yàn)中包括了室內(nèi)照明。如煙層底部的紅色調(diào)所示，火也有助于照明。

5. 總結(jié)
在這篇文章中，我們完成了三件事：

我們回顧了用于計(jì)算 FDS 中的可見(jiàn)度和遮擋的程序。煙灰密度是根據(jù)燃燒反應(yīng)中定義的煙灰產(chǎn)率計(jì)算的。然后煙塵通過(guò)模型，每個(gè)單元的密度都可用。使用質(zhì)量比消光系數(shù)（通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量）和局部煙灰密度計(jì)算消光系數(shù)。使用與消光系數(shù)的 Jin 相關(guān)性計(jì)算能見(jiàn)度。
我們通過(guò)使用恒定的煙灰密度和距離觀察者越來(lái)越遠(yuǎn)的白色障礙物來(lái)驗(yàn)證遮蔽問(wèn)題。障礙物的強(qiáng)度隨著光穿過(guò)煙霧的距離而正確降低。我們還使用在白色障礙物上顯示黑色斑塊的圖像驗(yàn)證了計(jì)算出的能見(jiàn)度。在這種情況下，黑色補(bǔ)丁和白色背景都被煙霧同等地遮住了，因此韋伯對(duì)比度是恒定的，似乎不適用于這種情況。
我們重復(fù)了測(cè)量煙霧和有毒氣體濃度的 VTT 實(shí)驗(yàn)的模擬。我們使用當(dāng)前版本的 FDS 和細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行了此計(jì)算。 
盡管煙塵密度的計(jì)算和密度到能見(jiàn)度和遮蔽度的轉(zhuǎn)換存在一些不確定性，但 VTT 實(shí)驗(yàn)圖像與甲苯燃料的預(yù)測(cè)煙霧可視化的比較顯示出好的相關(guān)性（圖 13和圖 14）。應(yīng)該注意的是，VTT 論文表明，對(duì)于木材和 PMMA 火災(zāi)，預(yù)測(cè)的遮蔽比觀察到的要大。

我們預(yù)計(jì)煙氣流動(dòng)分析軟件PyroSim 中結(jié)果可視化的未來(lái)發(fā)展將包括納入室內(nèi)燈光和火焰照明的選項(xiàng)。