消防評估軟件中煙氣流動分析軟件PyroSim中的煙霧能見度和遮擋

煙霧的可見性和遮擋是火災模擬的關鍵輸出。這篇文章回顧了如何在 FDS 中計算能見度，將計算與實驗數據進行比較，并討論如何在新的 PyroSim 結果查看器和 Smokeview 中可視化煙霧。VTT實驗圖像與使用煙氣流動分析評估軟件PyroSim/FDS預測的煙霧可視化的比較顯示出很好的相關性！

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

2、煙霧能見度和遮擋

在使用簡單化學方法的火災計算中，煙霧與其主要燃燒產物一起被跟蹤。這意味著對于模型中的每個單元格，煙霧密度都是已知的。消光系數，K是用于計算能見度和光遮擋的關鍵參數。強度I通過一段距離的單色（單波長）光L通過煙霧衰減如下：

在I₀是射入強度。

消光系數K可以使用質量比消光系數計算K_m和煙霧迷都latexmath：[\rho_{s}

默認FDS值為K_m=，建議的不確定性為。為明火產生的煙霧推薦了這個值，他們總結了涉及29種燃料的氣象研究的結果。對于陰燃（熱解）產生的煙霧，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煙霧的可見性和遮擋是火災模擬的關鍵輸出。這篇文章回顧了如何在 FDS 中計算能見度，將計算與實驗數據進行比較，并討論如何在新的 PyroSim 結果查看器和 Smokeview 中可視化煙霧。

分析了明火（化學計量和過渡通風）的數據，并發現了波長之間的相關性λ_nm（nm）和K_m是（等式3）

這繪制在圖1中。可見光譜從大約400nm（紫色）延伸到700nm（紅色）。評估波長-波長Wie633nm（用于獲得默認值的波長）處的質量比消光相關性Km在FDS中給出的消光系數為，該系數小于FDS（）中使用的默認值，但接近推薦的不確定性下限。7626m2/kg8700 m2/kg

知道消光系數K后，可使用以下公式計算能見度：

其中（Jin1997）推薦了一個范圍C=5~10用于照明標志。FDS中使用的默認值是C=3。用于確定這些值的實驗適用了從外面通過玻璃窗觀察到的充滿煙霧的房間中的標志，因此能見度不受煙霧刺激的影響。能見度測量依賴于測試對象來確定物體不在可見的距離，而不是對比度的測量。

我們可以看到，在遮光和能見度的計算中存在一些不確定性。碳煙產量存在不確定性。碳煙產量存在不確定性，作為碳煙密度函數的消光系數存在不確定性，以及作為消光系數函數計算能見度的不確定性。FDS 中使用的默認值對于燃燒的火焰和反射標志的可見性應該被認為是合理的。

3、驗證問題

我們現在將集成到PyroSim的結果查看器中的煙霧顯示。驗證問題基于smok_testSmokeview驗證指南中提出的問題。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）位于障礙物上以評估對比度和可見性。煙霧密度統一初始化為值。這給出了消光系數，應對于穿過煙霧后的強度下降。7.922E-5 kg/m30.68890.51m

韋伯對比C ( Mulholland and Croarkin 2000 )已經討論過，并被 Cleary (2004) 實驗使用。

韋伯對比度計算公式為：

B是物體的亮度、B₀  是背景的亮度。

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

煙霧的 FDS 和 PyroSim 結果查看器如圖 4所示。理論值和顯示值相同。根據消光系數，能見度為4.35 m。仔細檢查圖 4表明，我們只能在 距離處識別黑色塊4.0 m，但無法識別 處的塊5.0 m，因此可見性計算與顯示相匹配。然而，這也表明在這種情況下不能使用韋伯對比來確定可見性。 

需要注意的是，在圖4中，環境光設置為零，相機光位于無限遠。 圖 5顯示了使用默認環境光 ( 0.2) 和相機的默認光位置的結果。環境光值不會改變白色障礙物的強度，但深灰色斑塊顯得稍微亮一些。

4、VTT 能見度實驗驗證
（Rinne、Hietaniemi 和 Hostikka 2007 年）在芬蘭 VTT 研究中心進行了一系列實驗，以驗證 FDS 對煙霧和有毒氣
體濃度的模擬。這些計算是使用 Fire Dynamics Simulator (FDS) 4.05 版進行的。對于這篇文章，我們使用 FDS 6.5.3 版重復計算。該模型以前曾用于討論火災建模的帖子中。在這篇文章中，我們將重點關注出口標志的煙霧和能見度。 圖 6和圖 7顯示了實驗的側視圖和俯視圖。

在本研究中，我們模擬了甲苯燃料實驗，因為該燃料為計算煙霧密度提供了實驗數據。實驗測量的峰值 HRR 是145.7 kW，對應于D*=0.444 m米。我們將模型更改為使用單元大小5 cm為 的多個網格用于火和開口。這給出了一個值大約為10，這應正確捕獲火羽中夾帶的空氣。該模型如圖 8所示。模型中符號的 rgb 值設置為對應于從實驗的初始相機圖像測量的 rgb 值。 

原始 VTT 論文給出了20 cm和10 cm網格的結果。我們給出了兩個具有代表性的圖表，將原始研究的結果與本研究的結果進行比較。回想一下，更改包括使用 FDS 6.5.3 版（原版 4.05 版）和細化網格。 圖 9顯示了高度處的溫度4.5 m。兩種熱電偶樹的測量實驗結果和模型結果基本相同。 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提取的。該5 cm案例的煙層結果比實驗測量的結果低 10 到 20 厘米。

為了比較煙霧引起的能見度和遮擋，我們可以將實驗測量的煙塵密度與 FDS 結果進行比較，圖 12。讀者可以參考 VTT 論文了解密度測量的描述，但該過程使用公式 1、2 和 3，通過計算質量比消光系數作為函數，將使用 MIREX 設備進行的光透射測量轉換為密度的波長。可以看出，5 cm結果落在實驗數據范圍內。

我們還可以與位于通風口外的相機拍攝的圖像進行直接比較。 圖 13顯示了 6 分鐘時的圖片。這可以與圖 14 中的 PyroSim 圖像進行比較，后者顯示的煙霧層稍低。我們還可以看到，在幫助照亮出口標志的實驗中包括了室內照明。如煙層底部的紅色調所示，火也有助于照明。

5. 總結
在這篇文章中，我們完成了三件事：

我們回顧了用于計算 FDS 中的可見度和遮擋的程序。煙灰密度是根據燃燒反應中定義的煙灰產率計算的。然后煙塵通過模型，每個單元的密度都可用。使用質量比消光系數（通過實驗測量）和局部煙灰密度計算消光系數。使用與消光系數的 Jin 相關性計算能見度。
我們通過使用恒定的煙灰密度和距離觀察者越來越遠的白色障礙物來驗證遮蔽問題。障礙物的強度隨著光穿過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證了計算出的能見度。在這種情況下，黑色補丁和白色背景都被煙霧同等地遮住了，因此韋伯對比度是恒定的，似乎不適用于這種情況。
我們重復了測量煙霧和有毒氣體濃度的 VTT 實驗的模擬。我們使用當前版本的 FDS 和細化網格進行了此計算。 
盡管煙塵密度的計算和密度到能見度和遮蔽度的轉換存在一些不確定性，但 VTT 實驗圖像與甲苯燃料的預測煙霧可視化的比較顯示出好的相關性（圖 13和圖 14）。應該注意的是，VTT 論文表明，對于木材和 PMMA 火災，預測的遮蔽比觀察到的要大。

我們預計煙氣流動分析軟件PyroSim 中結果可視化的未來發展將包括納入室內燈光和火焰照明的選項。