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1、火灾FDS数值模拟,李胜利工程系建筑防火教研室,火灾具有随机性和确定性的双重性规律。,C值0.07时为燃料控制型火灾，C值0.07时为通风控制型火灾。,火灾按通风状况的分类,火灾的模拟过程,模拟分类,火灾模拟的应用,防火设计火因调查灭火指挥,火灾模拟的过程,场景文件的格式,FDS的基本命令,FDS的网格设置,热边界条件,FDS的热解模型,燃烧模型,计算结果的输出,通风,粒子及其应用,FDS的控制命令,全局参数的设置,并行计算,建模工具,FDS火灾模拟技术目录,FDS历史2000，第一版2001，第二版2002，第三版2004，第四版2007，第五版,FDS用途：FDS开发的目的是解决消防工程的
2、火灾问题，同时它也是研究火灾动力学和燃烧的基本工具。FDS能模拟下列现象：火灾生成热量和燃烧产物的低速输运过程气体和固体表面的辐射及对流换热固体燃料的热解火灾蔓延和火焰传播喷淋、感热探测器和感烟探测器的启动喷淋系统的喷洒运动及水对火的抑制,FDS假设：低速流动：小于0.3马赫矩形网格指定热释放速率：此时计算精度80%90%燃烧模型：混合分数模型，适合于燃料控制型火灾，通风控制型火灾计算精度不高辐射模型：有限容积法求解辐射方程RTE，远距离辐射计算精度较差,一、FDS火灾模拟的基本过程,前处理,模拟计算,后处理,Notepad,FDS,SmokeviewExcel、Origin,场景文件,结果文
3、件,场景文件（输入）应包含的信息,计算区域及网格大小建筑的几何形状火源设置边界条件输出控制,二、场景文件的格式,1.场景文件为纯文本文件，扩展名任意，FDS使用手册建议采用job_name.fds。,2.场景文件由描述场景的一系列命令组成，命令由一个或多个参数组成，命令和参数均用大写字母。技术手册列出了常用的27个命令。,3.每个命令由符号“IC材料的索引值。,&MATLID=BRICK/砖&MATLID=MORTAR/砂浆&SURFID=BRICKWALLMATL_ID(1,1)=MORTARMATL_ID(2,1)=BRICKTHICKNESS(1)=0.02THICKNESS(2)=0.
4、18/&OBSTXB=0.1,5.0,1.0,1.2,0.0,1.0,SURF_ID=BRICKWALL/,若层只有一种材料组成:MATL_ID=MORTAR,BRICKTHICKNESS=0.02,0.18/,&MATLID=SAND/砂子&MATLID=CEMENT/水泥石&SURFID=BRICKWALLMATL_ID(1,1)=SANDMATL_ID(1,2)=CEMENTor:MATL_ID(1,1:2)=SAND,CEMENTMATL_MASS_FRACTION(1,1:2)=0.8,0.2MATL_ID(2,1)=BRICKTHICKNESS(1:2)=0.02,0.18/,4.
5、物体背面（backside）的边界条件,&SURFMATL_ID=MORTAR,BRICKTHICKNESS=0.02,0.18BACKING=VOID/向大气层导热（默认值）,若墙体厚度小于等于网格尺寸：BACKING=EXPOSED/向对面房间导热,BACKING=INSULATED/不导热,FDS的热解模型,固体的燃烧过程,1.指定热释放速率的火灾,&SURFID=FIREHRRPUA=2000/&VENTXB=1,2,1,2,0,0,SURF_ID=FIRE/,注：火源相当于物体表面向外喷射气体燃料。,思考：小房间开一小通风口，热释放速率极大，会出现何种现象？,（1）稳定热释放速率,（
6、2）变化热释放速率,一般用RAMP_Q参数和RAMP命令t2火用TAU_Q参数（负号表示t2火）,（3）环状扩散火,采用VENT命令模拟：XYZ火源的起始位置SPREAD_RATE扩散速度，m/s,&SURFID=FIREHRRPUA=500.0RAMP_Q=fireramp/&RAMPID=fireramp,T=0.0,F=0.0/&RAMPID=fireramp,T=1.0,F=1.0/&RAMPID=fireramp,T=30.0,F=1.0/&RAMPID=fireramp,T=31.0,F=0.0/&VENTXB=0.0,5.0,1.5,9.5,0.0,0.0SURF_ID=FIRE
7、XYZ=1.5,4.0,0.0SPREAD_RATE=0.03/,（4）着火条件的设置,&MATLID=stuffCONDUCTIVITY=0.1SPECIFIC_HEAT=1.0DENSITY=900.0/&SURFID=mysurfaceMATL_ID=stuffHRRPUA=1000.IGNITION_TEMPERATURE=500.HEAT_OF_VAPORIZATION=1000.THICKNESS=0.01/,思考：锥形量热仪测出的热释放速率如何应用在FDS中？,2.自由燃烧的火灾,燃料的热解参数通过MATL命令设置.,燃料可能经历多种反应，各反应的温度并不相同.,N_REACTI
8、ONS反应数REFERENCE_TEMPERATURE参考温度,（1）固体热解,参考温度并非燃料的点燃温度,referencetemperature,每种反应会生成残留物,水蒸气和可燃性气体。,NU_RESIDUE(j)残留物的比例NU_WATER(j)水蒸气的比例NU_FUEL(j)可燃气体的比例RESIDUE(j)残留物的性质(MATL_ID),注:理论上,反应应符合质量守恒定律，即反应生成物的比例之和应为1.,&MATLID=stuffDENSITY，CONDUCTIVITY，SPECIFIC_HEATN_REACTIONS=1REFERENCE_TEMPERATURE=300.NU_F
9、UEL=0.8NU_RESIDUE=0.2RESIDUE=ashHEAT_OF_REACTION=1000.HEAT_OF_COMBUSION=24000/&MATLID=ashDENSITY=500.CONDUCTIVITY=0.20SPECIFIC_HEAT=1.0/,（2）液体蒸发,&MATLID=ETHANOLLIQUIDNU_FUEL=0.97HEAT_OF_REACTION=880.CONDUCTIVITY=0.17SPECIFIC_HEAT=2.45DENSITY=787.BOILING_TEMPERATURE=76.INITIAL_VAPOR_FLUX=8e-4.ABSORPT
10、ION_COEFFICIENT=40./,BOILING_TEMPERATURE液体燃料的蒸发温度,INITIAL_VAPOR_FLUX液体燃料的初始蒸发值,ABSORPTION_COEFFICIENT热辐射的吸收系数,3.燃料的视觉消失(BURN_AWAY),&SURF,BURN_AWAY=.TRUE./,若BURN_AWAY设置为TRUE,物体的边界条件只能通过SURF_ID设定，不能采用SURF_IDS及SURF_ID6设定。,&MATLID=FOAMN_REACTIONS=1NU_FUEL=1.REFERENCE_TEMPERATURE=350.HEAT_OF_COMBUSION=24
11、000/&SURFID=FOAMSLABMATL_ID=FOAMTHICKNESS=0.05BURN_AWAY=.TRUE./&OBSTXB=1,2,1,2,0.1,0.3,SURF_ID=FOAMLAB/,自由燃烧的火灾,&MATLID=FOAMCONDUCTIVITY=0.2SPECIFIC_HEAT=1.0DENSITY=20./&SURFID=FOAMSLABMATL_ID=FOAMHRRPUA=500IGNITION_TEMPERATURE=300THICKNESS=0.05BURN_AWAY=.TRUE./,指定热释放速率的火灾,燃烧模型,尽管FDS火灾模拟中可以设置多种可燃物，但
12、仅有一种气体燃料参与燃烧。原因是为了节省计算机的模拟时间,默认的气体燃料是丙烷，而其它气体的燃烧率FDS会自动调整为默认气体的燃烧率。,若通过HRRPUA设置火源的热释放速率，使用者不需要设置任何燃烧模型参数（REAC）。,1.REAC命令,C、H、O、N、OTHER：化学公式,MW_OTHER：OTHER的摩尔质量,SOOT_YIELD：烟气生产量.(默认值0.01),CO_YIELD：一氧化碳的生产量.(默认值0.0),C、H、O、N、OTHER：化学公式,MW_OTHER：OTHER的摩尔质量,C、H、O、N、OTHER：化学公式,MW_OTHER：OTHER的摩尔质量,C、H、O、N、
13、OTHER：化学公式,MW_OTHER：OTHER的摩尔质量,C、H、O、N、OTHER：化学公式,燃烧产物的生产量,2.CO生成,（1）若模拟的场景为燃料控制型火灾,激活一氧化碳的生成算法的意义不大。,&MISCCO_PRODUCTION=.TRUE./,（2）对于燃料控制型火灾，应该指定反应的CO_YIELD值进行火灾模拟。,3.其它气体种类模拟:SPEC命令,FDS可模拟气体（23种）,FDS计算结果的输出,FDS输出,Plot3d文件的显示,1.点量的输出:DEVC命令,&DEVCXYZ=3.5,0.5,1.5ID=tempQUANTITY=TEMPERATURE/,XYZ:测点的位置
14、,QUANTITY:变量名,结果输出到casename_devc.csv文件中,2.云图动画:SLCF命令,&SLCFXB=0,4,1.5,1.5,0,3,QUANTITY=TEMPERATURE/,PBX,PBY,PBZ:平面x=,y=,z=,VECTOR:是否输出变量的矢量,3.等值面动画:ISOF命令,&ISOFQUANTITY=TEMPERATUREVALUE(1)=50.VALUE(2)=200.VALUE(3)=500./,常用输出量,通风（Ventilation）,1、机械通风通过SURF命令的VEL参数,风速的单位为m/s若VEL为正值,由计算区域向外抽风若VEL为负值,向计算
15、区域送风,&SURFID=fan1,VEL=-1.0/&VENTXB=3,3.2,0,0,2.8,3,SURF_ID=fan1,2、若已知风机的体积流量，则采用SURF命令的VOLUME_FLUX参数（m3/s）,&SURFID=fan2,VOLUME_FLUX=-6.0/&VENTXB=3,3.2,0,0,2.8,3,SURF_ID=fan1,3、可以采用SURF命令的TMP_FRONT参数设置空气的温度。,ex：试模拟排烟过程中的“抽漏现象”,拉格朗日粒子及其应用,1.粒子的属性:PART命令,DENSITY:默认值1000kg/m3,SPECIFIC_HEAT:默认值4.184kj/kg
16、/K,HEAT_OF_VAPORIZATION:默认值2259kj/kg,(1)粒子的热物理属性,H_V_REFERENCE_TEMPERATURE:汽化温度,&PARTWATER=.TRUE./,DIAMETER:平均直径,默认值500m,分布如下:,GAMMA_D:值越大,粒子直径的离散度越小，即越接近平均值。,(2)粒子尺寸,MINIMUM_DIAMETER、MAXIMUM_DIAMETER,COLOR:默认情况下为单一颜色,水粒子为蓝色，燃料粒子为黄色，其它粒子为黑色。,QUANTITIES:粒子颜色可以随下列因素变化：DROPLET_TEMPERATURE(C)DROPLET_DIAMETER(m)DROPLET_VELOCITY(m/s)DROPLET_MASS(kg)DROPLET_AGE(s),(3)粒子颜色,(4)粒子数量控制及存在时间,DT_INSERT:粒子的喷射间隔（默认值0.01s）,AGE:粒子的存在时间（默认值100000s）,&PARTID=drops,QUANTITIES(1:2)=DROPLET_DIAMETER,DROPLET_
