烟气能见度与遮蔽计算

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烟气能见度和遮蔽率是火灾模拟的关键输出结果。本文回顾 FDS 中能见度的计算方法，将计算结果与实验数据进行比较，并讨论在 PyroSim 结果显示查看器和 Smokeview 中如何可视化烟气。VTT 实验图像与 PyroSim/FDS 预测烟气可视化的比较显示出很好的相关性。

能见度是指观察者识别物体相对于背景的距离，遮蔽率是光强度穿过烟气时减少的程度。计算出的能见度通常用作人员耐受性要求，而遮蔽率用于直观显示烟气。本文旨在描述 FDS（PyroSim 使用的核心计算引擎）中能见度和遮蔽率的计算方式并提供相关背景信息，特别是确保新的 PyroSim 结果显示查看器能正确读取 FDS 结果并正确显示烟气。

参考来源

FDS 实现和实验验证的主要参考包括：FDS 用户指南 、SMV 验证指南 以及论文”FDS 烟气模拟的实验验证”。关于烟气消光系数和能见度测量的背景信息可参见相关研究论文以及 SFPE 消防工程手册中的烟气章节。

能见度与遮蔽率的计算原理

在使用简单化学方法的火灾计算中，烟气与其他所有主要燃烧产物一起被追踪 。这意味着模型中的每个单元的烟气密度都是已知的。消光系数 K 是计算能见度和光遮蔽率的关键参数。单色光通过烟气传播一段距离后的衰减公式为：I / I0 = exp(-K * L)，其中 I0 是入射强度。

消光系数可以使用质量比消光系数 Km 和烟气密度 rho_s 计算：K = Km * rho_s。FDS 默认值为 Km = 8700 m2/kg，建议的不确定度为 +/-1100 m2/kg。此值是为有焰火灾产生的烟气建议的值，该研究总结了涉及 29 种燃料的七项研究结果。对于阴燃（热解）产生的烟气，值范围为 Km = 4000 m2/kg 到 5000 m2/kg。Mulholland 和 Croarkin 论文中参考的所有实验均使用波长 366 nm（对应可见光谱中的红色）进行。

波长与消光系数的关系

 

分析了有焰火灾的数据，发现波长 (nm) 与 Km 之间存在相关性，该关系绘制在图 1 中。可见光谱范围从约 400 nm（紫色）到 700 nm（红色）。在波长 633 nm（用于获得 FDS 中默认 Km 的波长）处评估该相关性，得到消光系数为 7626 m2/kg，小于 FDS 中使用的默认值（8700 m2/kg），但接近建议的不确定度下限。

能见度计算

一旦消光系数 K 已知，能见度使用 S = C / K 计算。其中建议对于反射标志 C = 2~4，对于发光标志 C = 5~10。FDS 中使用的默认值为 C = 3。用于确定这些值的实验使用充满烟气的室内的标志，从室外通过玻璃窗观察，因此能见度不受烟气刺激的影响。能见度测量依赖于测试对象确定物体不再可见的距离，而不是对比度测量。

不确定性分析

能见度和遮蔽率的计算存在若干不确定性：碳烟产率的不确定性、消光系数作为碳烟密度函数的不确定性，以及能见度作为消光系数函数的不确定性。FDS 中使用的默认值应被视为对有焰火灾和反射标志能见度的合理估计。

烟气显示验证

 

我们将验证 PyroSim 结果显示查看器中烟气的显示。验证问题基于 Smokeview 验证指南 [1] 第 3 章中介绍的 smoke_test 问题。图 2 显示了模型。白色障碍物（灰度值 255）分别放置在 0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m 和 5.0 m 深度处。黑色斑块（灰度值 50）放置在障碍物上以评估对比度和能见度。烟气密度均匀初始化为 7.922E-5 kg/m3。这给出的消光系数为 0.6889，对应于光通过 1 m 烟气后强度下降 0.5。

Weber 对比度

 

Weber 对比度计算公式为：Cw = (L_obj – L_bg) / L_bg，其中 L_obj 是物体的亮度，L_bg 是背景的亮度。Mulholland 指出，对于在白色背景上观察黑色物体，Cw = -0.02 通常用作定义能见度的对比度阈值。图 3 显示了白色障碍物和黑色斑块的预期光强度及计算的 Weber 对比度。在该问题中，背景和黑色斑块都被烟气同等遮蔽，因此两者的强度相同程度地下降，计算出的 Weber 对比度保持恒定。如下文所示，能见度随遮蔽率增加显著下降，因此 Weber 对比度在这种情况下似乎不适用于计算能见度。Weber 对比度的另一个问题是对于纯黑色物体（灰度值 0），Weber 对比度方程将给出恒定的值 -1。

FDS 与结果显示查看器的比较

 

FDS 和 PyroSim 结果显示查看器中烟气的对比显示在图 4 中。理论值和显示值一致。基于消光系数，能见度为 4.35 m。仔细检查图 4 可以发现，我们刚好能在 4.0 m 距离处辨别出黑色斑块，但在 5.0 m 处无法识别该斑块，因此能见度计算与显示一致。然而，这也证明了 Weber 对比度不能用于确定这种情况下的能见度。

 

应该注意的是，在图 4 中，环境光设为零，相机灯光位于无限远处。图 5 显示了使用默认环境光 (0.2) 和默认灯光位置（位于相机处）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稍亮一些。

VTT 实验验证

 

 

芬兰 VTT 研究机构进行了一系列实验以验证 FDS 对烟气和有毒气体浓度的模拟。这些计算使用 FDS 4.05 版本进行。本文使用 FDS 6.5.3 版本重复了计算。图 6 和图 7 分别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，因为该燃料提供了计算烟气密度的实验数据。实验测量的峰值 HRR 为 145.7 kW。我们将模型改为使用多个网格，火灾和开口的单元大小为 5 cm。这给出了约 10 的 D*/dx 值，应能正确捕捉火羽流中的空气卷吸。模型如图 8 所示。模型中标志的 RGB 值被设置为与实验初始相机图像测量的 RGB 值对应。

结果比较

 

原始 VTT 论文给出了 20 cm 和 10 cm 网格的结果。图 9 显示了 4.5 m 高度处的温度，测量的实验结果和模型结果对于两个热电偶树基本上相同。

 

图 10 比较了 CO 浓度。

 

图 11 比较了烟气层高度。对于 5 cm 情况，烟气层结果比实验测量值低 10 到 20 cm。

烟气密度和能见度比较

 

要比较烟气的能见度和遮蔽率，首先将实验测量的碳烟密度与 FDS 结果进行比较，如图 12 所示。测量过程使用 MIREX 设备进行光传输测量，通过计算作为波长函数的质量比消光系数将光传输测量值转换为密度。如所见，5 cm 的结果在实验数据范围内。

 

 

 

我们还可以直接比较位于排风口外的相机拍摄的图像。图 13 显示了 6 分钟时的实验照片，可以与图 14 中的 PyroSim 图像进行比较（显示稍低的烟气层）。我们还可以看到实验中包含了室内照明，有助于照亮出口标志。如烟气层底部的红色色调所示，火灾也贡献了照明。

总结

本文完成了三项工作：

1. 1. 回顾了 FDS 中能见度和遮蔽率的计算流程。碳烟密度基于燃烧反应中定义的碳烟产率计算。碳烟随后在模型中传输，每个单元都可以获得密度值。消光系数使用质量比消光系数（实验测量）和局部碳烟密度计算。能见度使用 Jin 关系式与消光系数计算得出。
   2. 使用恒定碳烟密度和距离观察者逐渐增加的白色障碍物验证了遮蔽率。障碍物的强度随光通过烟气的距离正确衰减。使用白色障碍物上的黑色斑块验证了计算出的能见度。对于这种情况，黑色斑块和白色背景被烟气同等遮蔽，因此 Weber 对比度保持恒定，似乎在这种情况下不适用。
   3. 重复了 VTT 实验的模拟（测量烟气和有毒气体浓度），使用当前版本的 FDS 和细化后的网格。

尽管在碳烟密度计算以及密度到能见度和遮蔽率的转换中存在若干不确定性，但 VTT 实验图像与甲苯燃料的预测烟气可视化之间的比较显示出很好的相关性（图 13 和图 14）。需要注意的是，VTT 论文指出，对于木材和 PMMA 火灾，预测的遮蔽率大于观察值。我们期望未来 PyroSim 结果可视化的发展将包括添加室内灯光和火灾照明的选项。

热辐射计算与能见度计算的区别

一个可能造成混淆的问题是热辐射计算与能见度/遮蔽率计算的区别。能量方程中的热辐射计算与能见度和遮蔽率计算各自独立，参见 FDS 技术参考指南 第 2.6.2 节。默认热辐射计算假设灰气体模型，其中辐射吸收系数使用 RadCal 程序计算。这类似于通过对所有波长进行积分计算的 Planck 平均吸收系数。

参考资料

1. 1. Forney, Glenn. 2019. Smokeview, A Tool for Visualizing Fire Dynamics Simulation Data Volume III: Verification Guide, NIST Special Publication 1017-3. Sixth Edition.
   2. Jin, T. 1997. “Studies on Human Behavior and Tenability in Fire Smoke.” Fire Safety Science.
   3. McGrattan, Kevin, et al. 2025. Fire Dynamics Simulator User’s Guide, NIST Special Publication 1019. Sixth Edition.
   4. Mulholland, George W., and Carroll Croarkin. 2000. “Specific Extinction Coefficient of Flame Generated Smoke.” Fire and Materials 24 (5): 227-30.
   5. Rinne, Tuomo, Jukka Hietaniemi, and Simo Hostikka. 2007. “Experimental Validation of the FDS Simulations of Smoke and Toxic Gas Concentrations.”
   6. Widmann, John. 2003. “Evaluation of the Planck Mean Absorption Coefficients for Radiation Transport through Smoke.” Combustion Science and Technology.
   7. McGrattan, Kevin, et al. 2019. FDS Technical Reference Guide Volume 2: Verification, NIST Special Publication 1018-2. Sixth Edition.
   8. Gross, R., J.J. Loftus, and A.F. Robertson. 1966. “Method for Measuring Smoke from Burning Materials.”
   9. SFPE. 2016. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 5th ed. Springer-Verlag New York.