燃燒仿真.燃燒應(yīng)用案例：火災(zāi)模擬：燃燒仿真結(jié)果的后處理與分析

燃燒仿真.燃燒應(yīng)用案例：火災(zāi)模擬：燃燒仿真結(jié)果的后處理與分析1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒仿真原理與方法燃燒仿真依賴于一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)模型，以預(yù)測(cè)火焰的傳播、燃燒產(chǎn)物的生成、熱量的傳遞以及煙氣的流動(dòng)。這些模型通常基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)解決。1.1.1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)CFD是燃燒仿真中的核心工具，它基于Navier-Stokes方程，描述流體的運(yùn)動(dòng)。在火災(zāi)模擬中，CFD可以預(yù)測(cè)煙氣的流動(dòng)、溫度分布和壓力變化。例如，使用Python的FiPy庫(kù)，我們可以設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單的CFD模型來(lái)模擬熱傳導(dǎo)：fromfipyimportGrid1D,DiffusionTerm,Viewer

#創(chuàng)建一個(gè)一維網(wǎng)格

nx=100

dx=0.1

mesh=Grid1D(nx=nx,dx=dx)

#定義變量

phi=mesh.cellVariable(name="solutionvariable",

value=0.0,

hasOld=True)

#設(shè)置邊界條件

phi.constrain(1.0,mesh.facesLeft)

phi.constrain(0.0,mesh.facesRight)

#定義擴(kuò)散項(xiàng)

eq=DiffusionTerm(coeff=1.0)

#進(jìn)行時(shí)間步迭代

steps=1000

dt=0.1

forstepinrange(steps):

eq.solve(var=phi,dt=dt)

#可視化結(jié)果

viewer=Viewer(vars=phi,datamin=0.0,datamax=1.0)

viewer.plot()1.1.2化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型用于描述燃料的燃燒過(guò)程，包括氧化反應(yīng)和裂解反應(yīng)。這些模型通常基于Arrhenius定律，并使用化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬復(fù)雜的燃燒過(guò)程。1.2火災(zāi)模擬軟件介紹火災(zāi)模擬軟件是基于上述原理開(kāi)發(fā)的工具，用于預(yù)測(cè)火災(zāi)場(chǎng)景下的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象。常見(jiàn)的火災(zāi)模擬軟件包括：FDS(FireDynamicsSimulator)PyroSimOpenFOAM這些軟件提供了用戶友好的界面，允許用戶輸入火災(zāi)場(chǎng)景的幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性和邊界條件，然后使用CFD和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。1.3燃燒仿真模型建立流程建立燃燒仿真模型通常遵循以下步驟：定義幾何結(jié)構(gòu)：使用CAD軟件創(chuàng)建火災(zāi)場(chǎng)景的三維模型。網(wǎng)格劃分：將三維模型劃分為計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格的精細(xì)程度直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。設(shè)置邊界條件：定義入口、出口、壁面和初始條件，如溫度、壓力和燃料濃度。選擇物理和化學(xué)模型：根據(jù)仿真需求選擇合適的湍流模型、燃燒模型和輻射模型。運(yùn)行仿真：設(shè)置計(jì)算參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)和迭代次數(shù)，然后運(yùn)行仿真。后處理與分析：使用可視化工具分析仿真結(jié)果，如溫度分布、煙氣濃度和火焰形態(tài)。例如，使用OpenFOAM進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置邊界條件：#網(wǎng)格劃分

blockMesh

#設(shè)置邊界條件

#在constant/polyMesh/boundary文件中定義在仿真運(yùn)行后，可以使用ParaView等工具進(jìn)行后處理，分析仿真結(jié)果。以上流程和示例僅為燃燒仿真領(lǐng)域的基礎(chǔ)介紹，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體場(chǎng)景和需求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置和調(diào)整。2火災(zāi)模擬案例分析2.1subdir2.1火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定與邊界條件在火災(zāi)模擬中，場(chǎng)景設(shè)定與邊界條件的定義是至關(guān)重要的第一步。這包括確定模擬的物理空間、火源位置、材料屬性、通風(fēng)條件等。邊界條件可以是無(wú)滑移條件（對(duì)于固體壁面）、絕熱條件（無(wú)熱量交換）、或指定的溫度和壓力條件。2.1.1場(chǎng)景設(shè)定假設(shè)我們正在模擬一個(gè)長(zhǎng)方體房間的火災(zāi)，房間尺寸為10mx10mx3m。房間的一側(cè)有門(mén)，另一側(cè)有窗戶，頂部和底部是封閉的?；鹪次挥诜块g中心的地板上。2.1.2邊界條件門(mén)和窗戶：設(shè)定為自由出流邊界條件，允許煙氣和熱量逸出。墻壁、頂部和底部：設(shè)定為絕熱無(wú)滑移條件，意味著這些表面不會(huì)與外界交換熱量，且流體在這些表面的速度為零。2.2subdir2.2仿真參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格劃分2.2.1仿真參數(shù)時(shí)間步長(zhǎng)：選擇0.1秒，以確保模擬的穩(wěn)定性。終止時(shí)間：設(shè)定為100秒，以觀察火災(zāi)初期到發(fā)展階段的情況。湍流模型：選擇k-ε模型，適用于大多數(shù)火災(zāi)場(chǎng)景。輻射模型：使用P1近似模型，以考慮輻射熱傳遞。2.2.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分決定了模擬的精度和計(jì)算效率。對(duì)于上述房間，我們可以使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將房間劃分為10000個(gè)單元（100x100x10），每個(gè)單元的尺寸為0.1mx0.1mx0.3m。2.3subdir2.3火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的仿真模擬2.3.1模擬過(guò)程使用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬，如OpenFOAM。以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的OpenFOAM案例設(shè)置示例，用于模擬上述房間的火災(zāi)。#創(chuàng)建案例目錄

mkdir-p/path/to/case/0/path/to/case/system

#進(jìn)入案例目錄

cd/path/to/case

#復(fù)制模板文件

cp-r/path/to/OpenFOAM/templates/*.

#編輯邊界條件文件

nanosystem/fvSchemes

nanosystem/fvSolution

nano0/U

nano0/k

nano0/epsilon

nano0/T

#設(shè)置湍流模型

echo"turbulenceModelkEpsilon">>constant/turbulenceProperties

#設(shè)置輻射模型

echo"radiationModelP1">>system/controlDict

#運(yùn)行網(wǎng)格劃分

blockMesh

#運(yùn)行仿真

fireFoam2.3.2解釋創(chuàng)建案例目錄：為OpenFOAM準(zhǔn)備必要的目錄結(jié)構(gòu)。復(fù)制模板文件：從OpenFOAM的模板目錄復(fù)制必要的文件到案例目錄。編輯邊界條件文件：修改fvSchemes和fvSolution以適應(yīng)湍流和輻射模型，編輯U、k、epsilon和T文件以設(shè)定初始條件和邊界條件。設(shè)置湍流和輻射模型：在turbulenceProperties和controlDict文件中指定模型。運(yùn)行網(wǎng)格劃分：使用blockMesh命令生成網(wǎng)格。運(yùn)行仿真：使用fireFoam命令開(kāi)始火災(zāi)模擬。2.3.3數(shù)據(jù)樣例在0目錄下，U文件定義了初始速度場(chǎng)，k和epsilon文件定義了湍流的初始條件，T文件定義了溫度的初始分布。例如，T文件可能如下所示：FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolScalarField;

objectT;

}

//Time=0

(

(300300300300300300300300300300)

(300300300300300300300300300300)

...

(300300300300300300300300300300)

)

//Time=0.1

(

(300300300300300300300300300300)

(300300300300300300300300300300)

...

(300300300300300300300300300300)

)

//Time=0.2

(

(300300300300300300300300300300)

(300300300300300300300300300300)

...

(300300300300300300300300300300)

)

//...更多時(shí)間步數(shù)據(jù)在這個(gè)示例中，T字段的初始值被設(shè)定為300K（室溫），隨著模擬的進(jìn)行，溫度數(shù)據(jù)將根據(jù)火災(zāi)的發(fā)展而變化。通過(guò)以上步驟，我們可以設(shè)定一個(gè)基本的火災(zāi)模擬場(chǎng)景，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置仿真參數(shù)，并運(yùn)行模擬。這為后續(xù)的燃燒仿真結(jié)果分析提供了基礎(chǔ)。3燃燒仿真結(jié)果后處理3.1結(jié)果數(shù)據(jù)的讀取與預(yù)處理在燃燒仿真后處理的第一步，我們需要讀取仿真軟件輸出的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常包括溫度、壓力、煙氣濃度、火焰形態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)。預(yù)處理階段是清理和準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)的分析和可視化。3.1.1讀取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取通常依賴于仿真軟件的輸出格式。例如，OpenFOAM的輸出可能是一個(gè)包含多個(gè)時(shí)間步的目錄結(jié)構(gòu)，每個(gè)時(shí)間步下有各種場(chǎng)數(shù)據(jù)文件。我們可以使用Python的numpy和pandas庫(kù)來(lái)讀取和管理這些數(shù)據(jù)。importnumpyasnp

importpandasaspd

#假設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在OpenFOAM的格式中

#讀取溫度數(shù)據(jù)

defread_temperature_data(time_step):

"""

從指定的時(shí)間步讀取溫度數(shù)據(jù)。

"""

#OpenFOAM的溫度數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在T文件中

data_file=f"{time_step}/T"

data=np.loadtxt(data_file)

returndata

#讀取煙氣濃度數(shù)據(jù)

defread_smoke_concentration_data(time_step):

"""

從指定的時(shí)間步讀取煙氣濃度數(shù)據(jù)。

"""

#OpenFOAM的煙氣濃度數(shù)據(jù)可能存儲(chǔ)在Y文件中

data_file=f"{time_step}/Y"

data=np.loadtxt(data_file)

returndata

#讀取數(shù)據(jù)示例

time_step="3600"#假設(shè)我們讀取3600秒的時(shí)間步數(shù)據(jù)

temperature_data=read_temperature_data(time_step)

smoke_concentration_data=read_smoke_concentration_data(time_step)3.1.2預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理階段可能包括數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)篩選。例如，我們可能需要將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更易于分析的格式，或者篩選出特定區(qū)域的數(shù)據(jù)。#將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DataFrame

temperature_df=pd.DataFrame(temperature_data,columns=['Temperature'])

#篩選出特定區(qū)域的數(shù)據(jù)

deffilter_data_by_region(data,region):

"""

根據(jù)指定區(qū)域篩選數(shù)據(jù)。

"""

#假設(shè)數(shù)據(jù)包含x,y,z坐標(biāo)

filtered_data=data[(data['x']>=region[0][0])&(data['x']<=region[0][1])&

(data['y']>=region[1][0])&(data['y']<=region[1][1])&

(data['z']>=region[2][0])&(data['z']<=region[2][1])]

returnfiltered_data

#篩選示例

region=[(0,10),(0,10),(0,5)]#假設(shè)我們篩選x=0到10,y=0到10,z=0到5的區(qū)域

filtered_temperature_data=filter_data_by_region(temperature_df,region)3.2溫度、煙氣濃度與火焰形態(tài)分析分析階段是理解仿真結(jié)果的關(guān)鍵。我們將探討如何分析溫度分布、煙氣濃度以及火焰的形態(tài)。3.2.1溫度分布分析溫度分布是評(píng)估燃燒效率和安全性的關(guān)鍵指標(biāo)。我們可以使用matplotlib庫(kù)來(lái)繪制溫度分布圖。importmatplotlib.pyplotasplt

#繪制溫度分布圖

defplot_temperature_distribution(data):

"""

繪制溫度分布圖。

"""

plt.figure()

plt.scatter(data['x'],data['y'],c=data['Temperature'],cmap='hot')

plt.colorbar()

plt.title('TemperatureDistribution')

plt.xlabel('XPosition')

plt.ylabel('YPosition')

plt.show()

#繪制示例

plot_temperature_distribution(filtered_temperature_data)3.2.2煙氣濃度分析煙氣濃度對(duì)于理解燃燒產(chǎn)物的分布和潛在的毒性至關(guān)重要。我們可以計(jì)算煙氣濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以評(píng)估其變化。#計(jì)算煙氣濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

mean_smoke_concentration=np.mean(smoke_concentration_data)

std_smoke_concentration=np.std(smoke_concentration_data)

print(f"MeanSmokeConcentration:{mean_smoke_concentration}")

print(f"StandardDeviationofSmokeConcentration:{std_smoke_concentration}")3.2.3火焰形態(tài)分析火焰形態(tài)的分析可以幫助我們理解燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。這通常涉及到對(duì)火焰前沿的識(shí)別和跟蹤。#火焰前沿識(shí)別示例

defidentify_flame_front(data,threshold):

"""

根據(jù)溫度閾值識(shí)別火焰前沿。

"""

flame_front=data[data['Temperature']>threshold]

returnflame_front

#假設(shè)火焰前沿的溫度閾值為500K

flame_front_data=identify_flame_front(filtered_temperature_data,500)3.3仿真結(jié)果的可視化技術(shù)可視化是后處理的最后一步，它幫助我們直觀地理解仿真結(jié)果。我們將使用matplotlib和mayavi庫(kù)來(lái)創(chuàng)建2D和3D可視化。3.3.1D可視化使用matplotlib創(chuàng)建溫度分布的2D圖。#2D溫度分布圖

defplot_2d_temperature(data):

"""

創(chuàng)建溫度分布的2D圖。

"""

plt.figure()

plt.imshow(data['Temperature'].values.reshape(10,10),cmap='hot',origin='lower')

plt.colorbar()

plt.title('2DTemperatureDistribution')

plt.xlabel('XPosition')

plt.ylabel('YPosition')

plt.show()

#繪制2D圖示例

plot_2d_temperature(filtered_temperature_data)3.3.2D可視化使用mayavi創(chuàng)建火焰形態(tài)的3D圖。frommayaviimportmlab

#3D火焰形態(tài)圖

defplot_3d_flame(data):

"""

創(chuàng)建火焰形態(tài)的3D圖。

"""

mlab.figure()

mlab.points3d(data['x'],data['y'],data['z'],data['Temperature'],colormap='hot')

mlab.title('3DFlameShape')

mlab.xlabel('XPosition')

mlab.ylabel('YPosition')

mlab.zlabel('ZPosition')

mlab.show()

#繪制3D圖示例

plot_3d_flame(flame_front_data)通過(guò)上述步驟，我們可以有效地讀取、預(yù)處理、分析和可視化燃燒仿真的結(jié)果，從而深入理解燃燒過(guò)程的特性。4燃燒仿真結(jié)果分析與應(yīng)用4.1subdir4.1火災(zāi)安全評(píng)估方法4.1.1原理火災(zāi)安全評(píng)估是通過(guò)分析燃燒仿真結(jié)果，評(píng)估火災(zāi)發(fā)生時(shí)建筑物內(nèi)的安全狀況，包括火勢(shì)蔓延速度、煙氣擴(kuò)散范圍、人員疏散時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)。評(píng)估方法通常包括定量分析和定性分析，其中定量分析依賴于數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，而定性分析則基于專家經(jīng)驗(yàn)或規(guī)范要求。4.1.2內(nèi)容火勢(shì)蔓延模型：使用FDS（FireDynamicsSimulator）等軟件，基于Navier-Stokes方程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，模擬火勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化。#示例代碼：使用FDS進(jìn)行火勢(shì)蔓延模擬

#定義燃燒區(qū)域

<FUEL>

NAME"wood"

TYPE"SOLID"

SPECIFIC_HEAT1.2e3

DENSITY500

T_IGN300

</FUEL>煙氣擴(kuò)散分析：通過(guò)計(jì)算煙氣的溫度、濃度和流動(dòng)速度，評(píng)估煙氣對(duì)人員疏散和結(jié)構(gòu)安全的影響。#示例代碼：分析煙氣擴(kuò)散

#設(shè)置煙氣傳感器

<SENSOR>

NAME"smoke_sensor"

TYPE"SCALAR"

LOCATION"10102"

SCALAR"CO"

</SENSOR>人員疏散模型：結(jié)合火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散數(shù)據(jù)，使用人員疏散模型（如Simulex）預(yù)測(cè)人員疏散時(shí)間。#示例代碼：使用Simulex進(jìn)行人員疏散模擬

#定義出口

<EXIT>

NAME"main_door"

LOCATION"000"

WIDTH1.5

</EXIT>安全評(píng)估指標(biāo)：基于上述分析，計(jì)算安全指數(shù)，如生存時(shí)間（ASET）、可用安全時(shí)間（RSET）等，以評(píng)估火災(zāi)安全。4.2subdir4.2仿真結(jié)果在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用4.2.1原理燃燒仿真結(jié)果可以為建筑設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的安全指導(dǎo)，包括防火分區(qū)設(shè)計(jì)、疏散路徑規(guī)劃、建筑材料選擇等，以確保建筑物在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠提供足夠的安全保護(hù)。4.2.2內(nèi)容防火分區(qū)優(yōu)化：根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整防火墻和防火門(mén)的位置，以有效阻止火勢(shì)蔓延。#示例代碼：調(diào)整防火墻位置

<WALL>

NAME"firewall"

LOCATION"5000"

THICKNESS0.2

MATERIAL"fireproof"

</WALL>疏散路徑規(guī)劃：基于人員疏散模型，設(shè)計(jì)或優(yōu)化疏散路徑，確保在緊急情況下人員能夠迅速安全地撤離。#示例代碼：優(yōu)化疏散路徑

<PATH>

NAME"evacuation_path"

START"000"

END"10000"

WIDTH2

</PATH>建筑材料選擇：選擇具有更好