火灾模拟ppt课件

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

2、,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,N

3、otepad,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 = BRICK /砖 &MATL ID = MORTAR /砂浆 &SURF ID = BRICK WALL MATL_I

4、D (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 ID = BRICK WALL MATL_ID (1,1)= SAND MATL_ID (1,2)= CEM

5、ENT 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=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

6、,1.指定热释放速率的火灾,&SURF ID=FIRE HRRPUA=2000/ &VENT XB=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,（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,&SURF ID = FIRE HRRPUA = 500.0 RAMP_Q = fireramp/ &RAMP I

7、D = fireramp , T = 0.0 , F = 0.0 / &RAMP ID = fireramp , T= 1.0 , F=1.0 / &RAMP ID = fireramp , T=30.0 , F=1.0 / &RAMP ID = fireramp , T=31.0 , F=0.0 / &VENT XB = 0.0 , 5.0 , 1.5 , 9.5 , 0.0 , 0.0 SURF_ID = FIRE XYZ = 1.5 , 4.0 , 0.0 SPREAD_RATE = 0.03 /,（4）着火条件的设置,&MATL ID = stuff CONDUCTIVITY = 0.

8、1 SPECIFIC_HEAT = 1.0 DENSITY = 900.0 / &SURF ID = my surface MATL_ID = stuff HRRPUA = 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_REACTIONS 反应数 REFERENCE_TEMPERATURE 参考温度,（1）固体热

9、解,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_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 = stuff DENSITY，CONDUCTIVITY，SPECIFIC_HEAT N_REACTIONS = 1 REFERENCE_TEMPERATURE = 300. NU_FUEL = 0.8 NU_R

10、ESIDUE = 0.2 RESIDUE = ash HEAT_OF_REACTION = 1000. HEAT_OF_COMBUSION =24000/ &MATL ID = ash DENSITY = 500. CONDUCTIVITY = 0.20 SPECIFIC_HEAT = 1.0 /,（2）液体蒸发,&MATL ID = ETHANOL LIQUID NU_FUEL = 0.97 HEAT_OF_REACTION = 880. CONDUCTIVITY = 0.17 SPECIFIC_HEAT = 2.45 DENSITY = 787. BOILING_TEMPERATURE =

11、 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。,&MATL ID = FOAM N_REACTIONS = 1 NU_F

12、UEL = 1. REFERENCE_TEMPERATURE= 350. HEAT_OF_COMBUSION =24000 / &SURF ID = FOAM SLAB MATL_ID = FOAM THICKNESS = 0.05 BURN_AWAY = .TRUE. / &OBST XB=1,2,1,2,0.1,0.3,SURF_ID=FOAM LAB/,自由燃烧的火灾,&MATL ID = FOAM CONDUCTIVITY = 0.2 SPECIFIC_HEAT = 1.0 DENSITY = 20. / &SURF ID = FOAM SLAB MATL_ID = FOAM HRRP

13、UA = 500 IGNITION_TEMPERATURE = 300 THICKNESS = 0.05 BURN_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)

14、,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、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。,&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

15、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,QUANTITY : 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 : I

16、SOF 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 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

17、=-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。,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/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,&PART WATER=.TRUE./,DIAMETER : 平均直径

18、,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 :

19、粒子的喷射间隔（默认值0.01s）,AGE : 粒子的存在时间（默认值100000s）,&PART ID=drops, QUANTITIES(1:2)=DROPLET_DIAMETER,DROPLET_TEMPERATURE/,(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,&PROP ID=splk QUANTITY=SPRINKLER LINK TEMPERATURE, RTI=150, C_FACTOR=0.7, ACTIVATION_TEMPERATURE=68, DROPLETS_PER

20、_SECOND=5000, FLOW_RATE=200, 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=water drops FLOW_RATE=0.9 DROPLET_VELOCITY=15.0 OPERATING_PRESSURE = 10.0 PRESSURE_RAMP

21、= 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 /,启动喷头个数,管径水压,(4)水对火灾的抑制作用,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。,若火源是通过HRRPUA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:,式中E_COEFFICIENT 参数通过SURF命令设置。,3. 示踪粒子,&PART ID = TRACER MASSLESS

22、= .TRUE./ &SURF ID = fire HRRPUA = 1000 PART_ID = TRACER/ &VENT XB = 0.5 0.6 0.5 0.6 0 0 SURF_ID = fire/,4. 燃料粒子,&PART ID = PROPANE_DROPLETS FUEL = .TRUE. DENSITY = 600 COLOR = BLUE HEAT_OF_VAPORIZATION = 430. SPECIFIC_HEAT = 1.37 HEAT_OF_COMBUSTION = 46460. VAPORIZATION_TEMPERATURE = -42. MELTING_T

23、EMPERATURE = -80 DRAG_LAW = CYLINDER/,&PROP ID = NOZZLE PART_ID = PROPANE_DROPLETS FLOW_RATE = 2 DROPLET_VELOCITY = 2/ &DEVC ID = NOZZLE_1 XYZ = 2 , 2 , 1 PROP_ID = NOZZLE ORIENTATION = 0 , 0 , 1 QUANTITY = TIME SETPOINT = 0. /, FDS的控制命令,1、隐含控制喷头启动、探测器启动,2、FDS的停止与运行, 强行终止 手动停止（修改后重新运行） 控制停止 使用控制命令,F

24、DS 暂停和重新开始计算,(1) 暂停方法,在FDS输出文件目录下放置CHID.stop 文件，该文件只需文件名，可以为空文件。,FDS发现CHID.stop后 ，生成一个 CHID.restart 文件并退出计算。,(2) 重新开始计算方法,删除 CHID.stop 文件 在FDS场景文件中增加 &MISC RESTART=.TRUE./,(3) 自动生成恢复文件,&DUMP DT_RESTART=30/,&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/,3、基本控制命令,4、高级逻辑控制,应用场合： 1）联动系统，如常开式防火门； 2）HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning ） 3）预动作