FDS火灾模拟技术系统使用培训ppt课件

1、FDS火灾模拟技术,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,粒子和水喷淋,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模型： FDS是计算流体动力学（CFD）模型； FDS主要用于火灾中的烟气流动与热传递计算； FDS只能用于低速（0.3马赫）流场的计算,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

2、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,FDS输出： 全局参数：热释放速率、喷头及探测器的启动时间、通过开口和固体的质量流及能量流 气体参数：温度、速度、浓度、燃烧产物浓度、能见度、气压、单位体积的热释放速率、单位体积

3、的水滴质量。 固体参数：温度、热流量、燃烧率、单位面积的水滴质量,一、火灾模拟的基本过程,前 处 理,模拟计算,后 处 理,Notepad,FDS,Smokeview Excel、Origin,场景文件,结果文件,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,MATL ID =

4、BRICK /砖 &MATL ID = MORTAR /砂浆 &SURF ID = BRICK WALL MATL_ID (1,1)= MORTAR MATL_ID (2,1)= BRICK THICKNESS(1) = 0.02 THICKNESS(2)= 0.18/ &OBST XB=0.1, 5.0, 1.0, 1.2, 0.0, 1.0, SURF_ID=BRICK WALL,若层只有一种材料组成: MATL_ID = MORTAR, BRICK THICKNESS = 0.02, 0.18,MATL ID = SAND /砂子 &MATL ID = CEMENT /水泥石 &SURF

5、 ID = BRICK WALL MATL_ID (1,1)= SAND MATL_ID (1,2)= CEMENT or : MATL_ID (1,1:2)= SAND, CEMENT MATL_MASS_FRACTION(1,1:2)=0.8,0.2 MATL_ID (2,1)= BRICK THICKNESS(1:2)= 0.02,0.18,4.物体背面（back side）的边界条件,SURF MATL_ID = MORTAR, BRICK THICKNESS = 0.02, 0.18 BACKING=VOID /向大气层导热（默认值,若墙体厚度小于等于网格尺寸：BACKING=EXP

6、OSED/向对面房间导热,BACKING=INSULATED/不导热,FDS的热解模型,燃烧和热解的区别,燃烧（ Combustion）可燃挥发份和氧气的反应,热解（Pyrolysis）固体或液体表面可燃挥发份的挥发过程,1.确定热释放速率的火源,SURF ID=FIRE HRRPUA=1000/ &OBST XB=1,2,1,2,0,0.5,SURF_ID=FIRE,采用这种方法，火源相当于物体表面向外喷射气体燃料。 A specied re is basically modeled as the ejection of gaseous fuel from a solid surface o

7、r vent,2.按确定速率燃烧的固体燃料,MATL ID = stuff CONDUCTIVITY = 0.1 SPECIFIC_HEAT = 1.0 DENSITY = 900.0 / &SURF ID = my surface COLOR = GREEN MATL_ID = stuff HRRPUA = 1000. IGNITION_TEMPERATURE = 500. HEAT_OF_VAPORIZATION = 1000. RAMP_Q = fire_ramp THICKNESS = 0.01 / &RAMP ID=fire_ramp, T= 0.0, F=0.0 / &RAMP I

8、D=fire_ramp, T= 10.0, F=1.0 / &RAMP ID=fire_ramp, T=310.0, F=1.0 / &RAMP ID=fire_ramp, T=320.0, F=0.0,3.Solid Fuels that do NOT Burn at a Specied Rate,燃料的热解参数通过 MATL 命令设置,燃料可能经历多种反应，各反应出现的温度并不相同,N_REACTIONS 反应数 REFERENCE_TEMPERATURE 参考温度,参考温度并非燃料的点燃温度,reference temperature,每种反应会生成残留物 , 水蒸气和可燃性气体,NU_

9、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,MATL ID = water DENSITY = 1000. CONDUCTIVITY = 0.20 SPECIFIC_HEAT = 4.184 N_REACTIONS = 1 REFERENCE_TEMPERATURE = 100. NU_WATER = 1. HEAT_OF_REACTION = 2500.,MATL ID = stuff DENSITY

10、= 500. CONDUCTIVITY = 0.20 SPECIFIC_HEAT = 1.0 N_REACTIONS = 1 REFERENCE_TEMPERATURE = 300. NU_FUEL = 0.8 NU_RESIDUE = 0.2 RESIDUE = ash HEAT_OF_REACTION = 1000. / &MATL ID = ash DENSITY = 500. CONDUCTIVITY = 0.20 SPECIFIC_HEAT = 1.0,4.液体燃料（蒸发,MATL ID = ETHANOL LIQUID NU_FUEL = 0.97 HEAT_OF_REACTION

11、 = 880. CONDUCTIVITY = 0.17 SPECIFIC_HEAT = 2.45 DENSITY = 787. BOILING_TEMPERATURE = 76. INITIAL_VAPOR_FLUX =8e-4. ABSORPTION_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热辐射的吸收深度（the absorption in depth of thermal radiation,5.燃料的视觉消失 (BURN_AWAY,

12、OBST XB=,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,MATL ID = FOAM HEAT_OF_REACTION = 500. CONDUCTIVITY = 0.2 SPECIFIC_HEAT = 1.0 DENSITY = 20. N_REACTIONS = 1 NU_FUEL = 1. REFERENCE_TEMPERATURE= 100. / &SURF ID = FOAM SLAB MATL_ID = FOAM THICKNESS = 0.05 BURN_

13、AWAY = .TRUE. / &OBST XB=1,2,1,2,0.1,0.3,SURF_ID=FOAM LAB,MATL ID = FOAM HEAT_OF_REACTION = 500. CONDUCTIVITY = 0.2 SPECIFIC_HEAT = 1.0 DENSITY = 20. HEAT_OF_COMBUSTION =3000/ &SURF ID = FOAM SLAB MATL_ID = FOAM HRRPUA = 500 IGNITION_TEMPERATURE = 120 THICKNESS = 0.05 BURN_AWAY = .TRUE.,燃烧模型,尽管FDS火灾

14、模拟中可以设置多种可燃物，但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反应参数。 If you only specify the res heat release rate with HRRPUA, then the reaction parameters may not require adjusting,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

15、值 0.01,CO_YIELD：一氧化碳的生产量.(默认值 0.0,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,MISC CO_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,DEVC XYZ =3.5,0.5,1.5 ID =temp QUANTITY=TEMPERATURE,XYZ : 测点的位置,QUAN

16、TITY : 变量名,结果输出到 casename_devc.csv文件中,2.云图动画: SLCF 命令,SLCF XB=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,ISOF QUANTITY=TEMPERATURE VALUE(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

17、若VEL为负值, 向计算区域送风,SURF ID=fan1,VEL=-1.0/ &VENT XB=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,SURF ID=fan2,VOLUME_FLUX=-6.0/ &VENT XB=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,粒子和水喷淋,1.粒子的属性: PART 命令,DENSITY : 默认值 1000kg/m3,SPECIFIC_HEAT : 默认值 4.184kj

18、/kg/K,HEAT_OF_VAPORIZATION :默认值2259kj/kg,H_V_REFERENCE_TEMPERATURE :汽化温度,1) 粒子的热物理属性,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,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) DROPLE

19、T_MASS(kg) DROPLET_AGE (s,PART ID=drops, QUANTITIES(1:2)=DROPLET_DIAMETER,DROPLET_TEMPERATURE,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,DROPLETS_PER_SECOND : 喷头动作后每秒钟喷射的粒子数（默认值5000）。 注：在PROP命令中设置,AGE : 粒子的存在时间（默认值100000s,1)喷头动作原理,Tl 敏感元件温度,Tg气体温度,Tm喷头托架温度,C26106K/(m/s)0.5,2. 水喷淋模拟,2) 模拟喷淋命令,

20、PROP ID=splk QUANTITY=SPRINKLER LINK EMPERATURE, RTI=150, C_FACTOR=0.7, ACTIVATION_TEMPERATURE=68, FLOW_RATE=200(L/min), DROPLET_VELOCITY=5, PART_ID=water drops, SPRAY_ANGLE=30,80,DEVC ID=Spr8, XYZ=2.0,1.5,2.8, PROP_ID= splk,SPRAY_ANGLE=30,80,SPRAY_ANGLE=30,80,3) 管径水压的影响,PROP ID=My nozzle PART_ID=wa

21、ter drops FLOW_RATE=0.9 OPERATING_PRESSURE = 10.0 DROPLET_VELOCITY=15.0 SPRAY_ANGLE=0.0,80.0 PRESSURE_RAMP = PR1 / &RAMP ID = PR1 T = 1, F = 16.0 / &RAMP ID = PR1 T = 2, F = 10.0 / &RAMP ID = PR1 T = 3, F = 8.0,4)水对火灾的抑制作用,在气体状态下，火由于温度降低及缺氧而熄灭。 In the gas phase, ames are extinguished due to lowered

22、temperatures and dilution of the oxygen supply,在固体状态下，水通过冷却燃料及改变化学反应而减少燃料的热解速度。 For the solid phase, water reduces the fuel pyrolysis rate by cooling the fuel surface and also changing the chemical reactions that liberate fuel gases from the solid,注1：若固体或液体燃料通过MATL命令设置了反应参数，则不需设置水对燃料的抑制参数,注2：若火源是通过H

23、RRPUA参数设置，其实设置的是气体燃料的喷射率，因此需要水对燃料的抑制参数,根据试验，燃料的损失率可表示为,k 为含水率的函数，可表示为,式中E_COEFFICIENT 参数通过SURF命令设置,FDS的控制命令,OBST XB=0,4,0,0.1,0,3,COLOR=STEEL BLUE/ &HOLE XB=0.5,1.5,-0.01,0.11,0,2/ &DEVC ID=TT,QUANTITY=TEMPERATURE XYZ=3.0,0.3,2.5/ SETPOINT=50,INITIAL_STATE=.FALSE. &HOLE XB=2.5,3.5,-0.01,0.11,1,2.5,DEVC_ID=TT,全局参数的设置,TMPA : 环境温度，默认 20,HUMIDITY : 相对湿度，默认值40,MISC TMPA=-20, HUMIDITY=25,U0, V0, W0 : 空气的初始速度（s/m,1. MISC 的基本参数,SURF_DEFAULT : 默认边界条件 ，默认值 INERT,MATL ID = c