2024年5月8日发(作者：)
工程计算应用软件系列介绍
63
火灾动态模拟器ＦＤＳ软件介绍
李 萍
上海超级计算中心 上海 ２０１２０３ ｐｌｉ＠ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ
摘要：
ＦＤＳ（Ｆｉｒｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）作为研究火灾中烟气传播规律以及火灾预防研究的开源代
码，在科学研究和工程实践中得到日益广泛的应用，本文简要介绍了该软件的特点、安装平
台、编译、使用方法以及注意事项，在文章末尾给出了几个典型的应用实例。
１． 简介
ＦＤＳ（Ｆｉｒｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）是美国国家标
准研究所（ＮＩＳＴ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）建筑火灾研究实验室（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｆｉｒｅ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）开发的模拟火灾中流体运动的
计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受
火灾浮力驱动的低马赫数流动的ＮＳ方程（粘性流体
ＮａｖｉｓＳｔｏｋｅｓ），重点计算火灾中的烟气和热传递过
程。由于ＦＤＳ是开放的源码，在推广使用的同时，根
据使用者反馈的信息持续不断地完善程序。因此，
在火灾科学领域得到了广泛应用。其源码可以从
ｗｗｗ．ｆｉｒｅ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｆｄｓ／下载并学习。
该软件发展到现在已有２５年的历史，在九十年
代中期，ＬＥＳ（ｌａｒｇｅ－ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）、ＮＩＳＴ－ＬＥＳ、
ＬＥＳ３Ｄ、 ＩＦＳ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｆｉｒｅ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）和ＡＬＯＦＴ（Ａ
Ｌａｒｇｅ Ｏｕｔｄｏｏｒ Ｆｉｒｅ Ｐｌｕｍｅ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）等代码统一被整理
发展成为ＦＤＳ，从２０００年开始对外发布，２００１年１２月
发布第二版，２００２年１２月发布了第三版，２００４年８月
发布了第四版，２００５年发布了第五版，当前版本为
５．２。
该程序源码包括２５个独立的Ｆｏｒｔｒａｎ文件，每个都
是模型相关的程序，比如：质量方程、动量方程、
能量方程、压力求解、灭火洒水等。该软件就有很
大的开放性，其源码放在特定的ｆｔｐ上，即使做了小
的改动，也可以在ｆｔｐ上发现新文件；除此之外，专
门的讨论区便于使用者交流经验与发现问题。
Ｓｍｏｋｅｖｉｅｗ是用于展示ＦＤＳ模拟结果的可视化程
序。
据统计，该模型大约一半应用于烟气控制系统和喷
头、探测器的激活启动的研究设计，另一半应用于
居民和工业建筑火灾后的重建和修复设计。通过一
系列的发展，ＦＤＳ致力于解决火灾保护工程中的实际
消防问题，与此同时，也为火灾动力学和燃烧的理
论研究提供工具。
１．流体动力学模型：ＦＤＳ数值求解热驱动
下低速流动的Ｎ－Ｓ方程。其核心算法为显式预估
校正方案，时间和空间采用二阶精度，湍流采用
Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ形式的大涡模拟（ＬＥＳ，Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ），在足够细的网格下能实施直接模拟（
ＤＮＳ， Ｄｉｒｅｃｔ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ），缺省状况下使用
ＬＥＳ。采用拉格朗日粒子法追踪洒水和燃料喷雾模
型。
２．燃烧模型：对于大多数应用，ＦＤＳ采用混合
物燃烧模型。该模型假设燃烧混合控制，燃料和氧
气反应速度无限快。主要反应物和生成物的质量分
数通过”状态关系”从混合物分数中得到，通过简
单分析和测量的结合得到经验表达式。
３．辐射输运：辐射热传递通过求解非扩散气
体的辐射输运方程得到，在有些特殊情况下采用宽
带模型。与对流输运方程一样，此方程求解也采用
有限体积法。此方法使用约１００个离散的角，有限体
积解法需要１５％的计算机ＣＰＵ运行时间，对于解决
复杂的热辐射传导问题这个代价是适度的。水滴可
以吸收热量辐射，在包含水幕喷雾的情况下是很重
要的，在所有设自动喷水灭火系统的情况下都很有
用。吸收系数通过Ｍｉｅ理论得到。
４．几何：ＦＤＳ基于直线性网格求解控制方程。
所以在直接建模时，要注意所建实体区域为矩形以
适应背景网格。
２． 软件特点
ＦＤＳ自２０００年公开发布以来受到了普遍的关注，
《高性能计算发展与应用》 ２００９年第一期 总第二十六期
５．多重网格：多网格用来描述计算中需使用多
个矩形网格的。当计算区域的划分不可能只用一种
矩形网格完成时可以设置多个矩形网格。
６．边界条件：所有固体表面都指定热量边界条
件和燃料燃烧信息。通常，燃料属性储存在数据库
中用名称调用。表面之间的热和质量用经验公式计
算，但ＤＮＳ模拟时热和质量的传导可以通过计算直接
得到。
７．ＦＤＳ模型除了输出各种原始数据外，还提
供了多个图形输出模式，有助于直观地观察数据，
如“截面文件”、“等值面”、“电热偶”及“边
界条件”等。截面文件为彩色的切片，或贯穿整个
控制体的断面，通过这个断面可以直观地观察气体
温度的动态变化。
８．ＦＤＳ５．０新增特点：ＦＤＳ５在处理固体边界以及
气相燃烧方面有着重要的改变。主要体现在：采用
了多步燃烧能够模拟局部火焰的熄灭、ＣＯ的生成，
更准确地计算热释放率；可以模拟多层材料的固体
结构；更加灵活地处理洒水器、热探测器以及烟雾
探测器等设备的启动以及洒水模拟启动后对火灾发
展的影响；提高了多重网格能力，增加了处理背压
与大气压不相同状况的能力，提高了运用ＭＰＩ的并行
处理能力。
３． 安装编译
３．１ 软件推荐安装编译
硬件需求：ＦＤＳ需要较快的ＣＰＵ和充足的ＲＡＭ，
推荐最小配置为１ＧＨｚ ＣＰＵ和５１２ＭＢ ＲＡＭ，当然配置
越高越好，ＣＰＵ速度决定计算需要多长时间，ＲＡＭ决
定可以计算多少网格，同时需要较大的硬盘空间存
储输出数据，一般来说，单个计算结果文件要超过
１ＧＢ，较快的网络有利于减少数据传输的延迟。
计算机操作系统（ｏｓ）和软件要求：当前的ＦＤＳ和
Ｓｍｏｋｅｖｉｅｗ可以在Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ， Ｍａｃ ＯＳ Ｘ及各
种类型的Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ安装并运行。对于ＭＳ ｗｉｎｄｏｗｓ系
统，可以从官方网站上下载到已经编译好的可执行
文件；而Ｌｉｎｕｘ、Ｕｎｉｘ和Ｍａｃ系统推荐下载源码在本
机上进行编译（Ｆｏｒｔｒａｎ ９０和Ｃ编译器）进行编译后
再使用，这样可以避免直接下载得可执行文件由于
信息库的不兼容性造成不可用。需要说明的是，
Ｓｏｍｋｅｖｉｅｗ作为后处理软件在不支持图形化的机器上
是不能运行的。若需进行并行计算，需要安装相应
的ＭＰＩ。
如果有旧版本在该机器上成功编译并执行过，
新版不用编译便可执行，若是第一次执行，则需要
编译。
表１列出了目前版本包含的所有源码，源码主要
是有２５个Ｆｏｒｔａｎ ９０的文件，加上用于监控输出文件的
Ｃ代码 ｉｓｏｂ．ｃ。串行版本的ＦＤＳ采用ｍａｉｎ．ｆ９０编译 ，并
行版本需要 ｍａｉｎ＿ｍｐｉ．ｆ９０编译， 编译时从可以从网站
上下载Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件，编译时需要按照下表列出的顺
序，对于Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ用户来说，不同平台Ｍａｋｅｆｉｌｅｓ可
以用于协助编译。
３．２ 曙光４０００Ａ上的安装编译
硬件：Ｃｌｕｓｔｅｒ机群，单节点四路 ＡＭＤ Ｏｐｔｅｒｏｎ
８５０， ８Ｇ ＲＡＭ
操作系统：ＴｕｒｂｏＬｉｎｕｘ ８．０ ６４ Ｂｉｔ Ｓｅｒｖｅｒ Ｅｄｉｔｉｏｎ
编译器：ＰＧＩ６．０．８
通讯库： ＭＰＩＣＨ１．２．６ ＧＭ２．１．２
软件安装与编译：
１． 下载ＦＤＳ的源代码（目前下载到的为：
ＦＤＳ５＿ＲＣＢ＿Ｓｏｕｒｃｅ＿Ａｒｃｈｉｖｅ．ｚｉｐ）以及ｍａｋｅｆｉｌｅ文件。
２． 拷贝下载的文件到用户自己的安装目录（
￣／ｆｄｓ），解压文件，在提示符下输入：ｍｋｄｉｒ ￣／ｆｄｓ
，通过ｆｔｐ上传下载的文件到该目录下，在ｆｄｓ目录
下建立文件夹ＦＤＳ５Ｓｏｕｒｃｅ，解压源码文件到 ￣／ｆｄｓ／
ＦＤＳ５Ｓｏｕｒｃｅ目录下。
３． 建立执行文件夹￣／ｆｄｓ／ＦＤＳ５，拷贝ｍａｋｅｆｉｌｅ文
件到此目录下，修改ｍａｋｅｆｉｌｅ文件中ＶＰＡＴＨ 的值，在
此处为：ＶＰＡＴＨ＝．．／ＦＤＳＳｏｕｒｃｅ。
４． 编译，登陆到相应的计算节点，分别编译完
成串行以及并行，ｍａｋｅ ｔａｒｇｅｔ。编译完成后，生成相
应的执行文件， ｆｄｓ５＿ｉｎｔｅｌ（串行） ｆｄｓ５＿ｍｐｉ＿ｉｎｔｅｌ（
并行），文件名称与ｍａｋｅｆｉｌｅ中的输入以及所使用的
编译器相匹配。
表１ ＦＤＳ源码列表
64
４． 使用步骤
ＦＤＳ软件包含ＦＤＳ和Ｓｍｏｋｅｖｉｅｗ两部分，ＦＤＳ是主
体用于模拟计算，Ｓｍｏｋｅｖｉｅｗ是用于查看ＦＤＳ计算结
果的可视化软件。其计算流程如图１所示，具体使用
的步骤为：
４．１ 建立输入文件
在使用ＦＤＳ５．０进行计算时，用户需要准备一个
输入文件，其扩展名为．ｆｄｓ，在以前版本中其扩展
名为．ｄａｔａ，它提供了要考虑描述情景必要的说明。
ＦＤＳ输入文件用来指定工程名、计算区域的大小、网
格的大小、计算时间、周围环境情况、建筑物的几
何特性、材料属性、燃烧特性、固体边界条件、探
测器设置、烟气特性等，以及要预期输出的计算结
果，其中工程名、计算区域、网格和计算时间是最
基本的设置。输入文件中每行都是以“＆”开头紧
接着名单群（如开头、表格、时间等等），接着是
一个空格或者逗号，用来划分群组中参数列，每行
以“／”结尾，下面给出简单的例子：
＆ＨＥＡＤ ＣＨＩＤ＝’ｓａｍｐｌｅ’， ＴＩＴＬＥ＝’Ａ Ｓａｍｐｌｅ Ｉｎ
ｐｕｔ Ｆｉｌｅ’／
＆ＧＲＩＤ ＩＢＡＲ＝ ２４， ＪＢＡＲ＝ ２４， ＫＢＡＲ＝ ４８／
＆ＰＤＩＭ ＸＢＡＴ０＝－．３０， ＸＢＡＲ＝０．３０， ＹＢＡＲ０＝－．３０，
ＹＢＡＲ＝０．３０， ＺＢＡＲ＝１．２／
＆ＴＩＭＥ ＴＷＦＩＮ＝１０． ／
＆ＭＩＳＣ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ＝ ．ＦＡＬＳＥ． ／
＆ＳＵＲＦ ＩＤ＝’ｂｕｒｎｅｒ’， ＨＲＲＰＵＡ＝１０００． ／
＆ＯＢＳＴ ＸＢ＝－．２０， ０．２０， －．２０， ０．２０， ０．００， ０．０５， ＳＵＲ
Ｆ＿ＩＤＳ＝’ｂｕｒｎｅｒ’／
＆ＶＥＮＴ ＣＢ＝’ＣＢＡＴ’， ＳＵＲＦ＿ＩＤ＝’ＯＰＥＮ’ ／
＆ＶＥＮＴ ＣＢ＝’ ＺＢＡＲ’， ＳＵＲＦ＿ＩＤ＝’ＯＰＥＮ’／
＆ＳＬＣＦ ＰＢＹ＝０．， ＱＵＡＮＴＩＴＹ＝’ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ
’ ／
＆ＢＮＤＦ ＱＵＡＮＴＩＴＹ＝’ＨＥＡＴ＿ＦＬＵＸ’ ／
在建立一个输入文件时，推荐的做法为在简单
例子基础上修改。
当计算结束后，可以输出点数据、面数据、物
体表面数据、等值数据和静态数据等，每种数据都
包含有温度、速度矢量、压力、组分体积分数、碳
黑密度、可见度、减光系数等等。并可以利用ＦＤＳ后
处理软件ＳｍｏｋｅＶｉｅｗ来动态显示计算结果。
４．２ 运行ＦＤＳ
以版本５为例进行说明，ＦＤＳ既可以单机运行
（执行命令为ｆｄｓ５．ｅｘｅ），也可以ｍｐｉ的并行（执行
命令为ｆｄｓ５＿ｍｐｉ．ｅｘｅ），不管单机运行还是并行运
行输入文件是一样的。单机运行在命令提示符输
工程计算应用软件系列介绍
65
入ｆｄｓ５．ｅｘｅ ｊｏｂ＿ｎａｍｅ．ｆｄｓ，并行运算时使用得命令为
ｍｐｉｒｕｎ －ｎｐ ｎ ｆｄｓ５＿ｍｐｉ．ｅｘｅ ｊｏｂ＿ｎａｍｅ．ｆｄｓ，其中，ｎ为
计算使用的ｃｐｕ数目；ｊｏｂ＿ｎａｍｅ．ｆｄｓ为输入文件的名
称，“ｊｏｂｎａｍｅ”代表可以确定模拟的任意特征，与
计算相关的所有结果输出文件名都具备这一共有名
称，除了输入文件以外，还有一些包含模拟输入参
数的外部文件，其包含表述材料的参数、喷头信息
等，把这些文件放在一个特定文件夹下。
由于ＦＤＳ计算采用大涡模拟，计算时间较长，
ＦＤＳ可采用ＳＴＯＰ文件对中途体计算运算后续算。具
体做法是ＦＤＳ输出目录里新建＊．ｓｔｏｐ文件，当ＦＤＳ监测
到该文件时即建立一个ＰＬ３Ｄ文件然后停止，修改后
在ＭＩＣ语句里加入ＲＥＳＴＡＲＴ＝．ＴＲＵＥ，就可以在原来
停止的地方继续算了。
可以通过＊．ｏｕｔ文件监控计算的进程，在计算过
程中也可能非正常结束，原因可能是数值不稳定、
计算机ＲＡＭ不足、因为计算机系统故障或ＦＤＳ程序故
障，此时会发送一个错误报告，以有助于修改输入
文件或修复其他故障。
输出文件的形式：ＣＨＩＤ．ｏｕｔ加上各种结果文件（
采用ｄｕｍｐ．ｆ）。其中ＣＨＩＤ．ｏｕｔ中包含输入参数、各种
变量的说明、ＣＰＵ使用情况以及每１００步迭代的诊断
信息。
４．３ 在曙光４０００Ａ上提交作业
图１ ＦＤＳ 计算流程图
上海超级计算中心的曙光４０００Ａ采用Ｐｌａｔｆｏｒｍ公
司的Ｌｓｆ软件进行作业调度管理。提交ＦＤＳ的计算任
务，除输入文件之外，需要撰写一个Ｌｓｆ所需的脚
本，除最后一行外与其他软件的作业脚本基本相
同。下面给出一个典型的实例（ｊｏｂｎａｍｅ．ｌｓｆ）：
ＡＰＰ＿ＮＡＭＥ＝ｅｓｏｕｒｃｅ
ＮＰ＝８
ＮＰ＿ＰＥＲ＿ＮＯＤＥ＝４
ＲＵＮ＝”ｆｄｓ＿ｍｐｉ．ｅｘｅ ｊｏｂｎａｍｅ．ｆｄｓ”
66
《高性能计算发展与应用》 ２００９年第一期 总第二十六期
其中，第一行用于指定所用队列（需要有该队
列的权限），第二行指定了使用ＣＰＵ的数目，第四行
指定了运行的计算内容。
实验数据发展完成，因此，对大型的火灾模拟可能
误差较大；ＦＤＳ仅能模拟感温探测器，对其他探测器
如感烟探测器则无法有效模拟。
但，ＦＤＳ作为火灾科学界比较有影响的软件，将
会在各个方面不断发展和完善，必能更好的为火灾
科研人员服务。
５． ＦＤＳ应用限制
和其它计算流体力学软件相比，ＦＤＳ有以下问
题：
１．ＦＤＳ建模不灵活，只能直接创建立方体模型，
其它形状的模型只能用立方体模型来近似，因此会
加大计算误差。
２．ＦＤＳ只能划分矩形网格，而在某些情况下，其
他形状的网格计算更准确。
３．ＦＤＳ只能在命令行状态下运行。
另外，根据ＦＤＳ所采用的计算方法及其自身性
质，也可以看出：ＦＤＳ是以时间平均方程求解，因此
流场的湍流解析会有所出入；．ＦＤＳ大都以小型火灾的
６． ＦＤＳ应用成果简介
作为经过实践验证的专业火灾模拟工具，ＦＤＳ不
仅在高校、研究等被广泛使用，而且在企业单位也
被广泛使用。目前，国外应用及成果已经非常丰
富，国内的使用和研究在不断发展壮大中，清华大
学、中国科技大学、上海交通大学、消防研究所
等。正如软件所专注，其应用领域主要为：隧道（
公路、铁路）、机场、剧院、核电厂及大型厂房等
的火灾及预防的数值模拟。
要 闻 集 锦
Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实验室将部署２０Ｐ蓝色基因／Ｑ超级计算机
美国能源部（ＤＯＥ）的两台千万亿次超级计算机
Ｒｏａｄｒｕｎｎｅｒ和Ｊａｇｕａｒ 将会被一台计算能力为其十倍新的
机器所取代。２００９年２月３日，ＩＢＭ公司和美国国家核安
全局（ＮＮＳＡ）宣布，２０１１ Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实
验室将会安装计算能力达到２０Ｐｅｔａｆｌｏｐ的超级计算机系
统，该系统将为国家核武器研究提供计算能力。
该系统基于ＩＢＭ公司蓝色基因工程，今年第一季
度，ＩＢＭ将首先部署５００Ｔ的超级计算机“Ｄａｗｎ”，
接着在２０１１年将会部署２０Ｐ下一代蓝色基因超级计算
机“Ｓｅｑｕｏｉａ”。该系统预期２０１２年上线。新系统将会
取代Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实验室目前现有的１００Ｔ 计
算能力的ＡＳＣ Ｐｕｒｐｌｅ超级计算机和６００Ｔ蓝色基因／Ｌ超级
计算机，用于运行基于ＡＳＣ 程序的武器方针程序。
今年部署的Ｄａｗｎ超级计算机主要用来进行武器代
码的移植和调试。一旦蓝色基因／Ｑ上线，那么这些代
码将会在新的Ｓｅｑｕｏｉａ系统上正式运行。Ｄａｗｎ现在正在
Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ进行安装，目前已有一半左右的节
点安装完成，实验室根据４月份的系统承受日程，计划
将在余下的几个月内完成剩余部分的安装。
由于Ｄａｗｎ系统不像蓝色基因／Ｌ，蓝色基因／Ｐ和
蓝色基因／Ｑ系统都支持节点级缓存一致（这可以允
许在集群系统上使用ＳＭＰ类型的代码），因此，使用
Ｄａｗｎ作为Ｓｅｑｕｏｉａ的一个里程碑是可能而且契合实际
的，特别是将武器代码的每个核的ＭＰＩ任务分别进行映
射的确是一个非常大的挑战，但将ＳＭＰ消息传递模块整
合到各个节点和跨节点的分布式并行更加实际。
Ｓｅｑｕｏｉａ的超级计算机不仅仅在计算能力上要超出
现有千万亿次超级计算机系统十倍，而且在能耗方便
也有着非常大的改进。ＩＢＭ Ｄｅｅｐ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ 副总裁
Ｄａｖｅ Ｔｕｒｅｋ表示，Ｓｅｑｕｏｉａ的功率大约６００万瓦，其能效
比为３０００Ｍｆｌｏｐｓ／ｗａｔｔ＊。这相当于蓝色基因／Ｐ系统（能
效比４４０Ｍｆｌｏｐｓ／ｗａｔｔ＊）的７倍，而且这也比现在Ｔｏｐ１的
Ｒｏａｄｒｕｎｎｅｒ超级计算机（其能效比为５８７Ｍｆｌｏｐｓ／ｗａｔｔ＊）
高。而且，计算能力为１．６Ｐｅｔａｆｌｏｐ的超级计算机其功率
大约为８５０万瓦（能效比为１８８Ｍｆｌｏｐｓ／ｗａｔｔ＊）。
２０１１年上半年，如果Ｓｅｑｕｏｉａ进行部署，那么Ｌａｗ－
发布评论