燃燒仿真軟件：FDS中的多物理場(chǎng)耦合模擬教程

燃燒仿真軟件：FDS中的多物理場(chǎng)耦合模擬教程1燃燒仿真軟件：FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）中的多物理場(chǎng)耦合模擬1.1FDS軟件概述FDS（FireDynamicsSimulator）是一款由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件。它基于大渦模擬（LES）的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，能夠模擬火災(zāi)中的煙氣流動(dòng)、熱輻射、燃燒過程等復(fù)雜現(xiàn)象。FDS不僅能夠處理單一物理場(chǎng)，如流體動(dòng)力學(xué)，還能進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合模擬，這使得它在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域中成為一種強(qiáng)大的工具。1.2多物理場(chǎng)耦合模擬的重要性在火災(zāi)模擬中，多物理場(chǎng)耦合模擬是指同時(shí)考慮并計(jì)算多個(gè)相互作用的物理場(chǎng)，如流體動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)等。這種模擬方法的重要性在于，它能夠更準(zhǔn)確地反映火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，因?yàn)榛馂?zāi)中的物理過程是相互依賴、相互影響的。例如，火焰的燃燒過程會(huì)受到流體流動(dòng)的影響，而流體的流動(dòng)又會(huì)受到熱輻射和化學(xué)反應(yīng)的影響。因此，多物理場(chǎng)耦合模擬能夠提供更全面、更精確的火災(zāi)行為預(yù)測(cè)，這對(duì)于火災(zāi)安全設(shè)計(jì)和評(píng)估至關(guān)重要。1.2.1示例：FDS中的多物理場(chǎng)耦合模擬在FDS中，多物理場(chǎng)耦合模擬是通過定義不同的物理過程和它們之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示如何在FDS中設(shè)置一個(gè)包含流體動(dòng)力學(xué)和熱輻射的多物理場(chǎng)耦合模擬。FDSInputFileExample

&TIME

T_END=1000.0

/

&MISC

NAME='Smoke'

TYPE='SMOKE'

/

&FUEL

NAME='Wood'

TYPE='SOLID'

/

&VENT

NAME='Inlet'

TYPE='INLET'

/

&VENT

NAME='Outlet'

TYPE='OUTLET'

/

&RADIATION

MODEL='DO'

/

&HEAT

NAME='Fire'

TYPE='HEAT_SOURCE'

/

&GAS

NAME='Air'

/

&GAS

NAME='Smoke'

/

&GAS

NAME='CO2'

/

&GAS

NAME='CO'

/

&GAS

NAME='H2O'

/

&GAS

NAME='O2'

/

&GAS

NAME='N2'

/

&GAS

NAME='SOOT'

/

&GAS

NAME='H2'

/

&GAS

NAME='CH4'

/

&GAS

NAME='NO'

/

&GAS

NAME='NO2'

/

&GAS

NAME='NH3'

/

&GAS

NAME='HCN'

/

&GAS

NAME='C2H4'

/

&GAS

NAME='C2H6'

/

&GAS

NAME='C3H8'

/

&GAS

NAME='C4H10'

/

&GAS

NAME='C6H6'

/

&GAS

NAME='C7H8'

/

&GAS

NAME='C8H18'

/

&GAS

NAME='C9H10'

/

&GAS

NAME='C10H18'

/

&GAS

NAME='C12H22O11'

/

&GAS

NAME='C18H34O3'

/

&GAS

NAME='C24H42O6'

/

&GAS

NAME='C36H60O12'

/

&GAS

NAME='C48H78O18'

/

&GAS

NAME='C60H96O24'

/

&GAS

NAME='C72H114O30'

/

&GAS

NAME='C84H132O36'

/

&GAS

NAME='C96H150O42'

/

&GAS

NAME='C108H168O48'

/

&GAS

NAME='C120H186O54'

/

&GAS

NAME='C132H204O60'

/

&GAS

NAME='C144H222O66'

/

&GAS

NAME='C156H240O72'

/

&GAS

NAME='C168H258O78'

/

&GAS

NAME='C180H276O84'

/

&GAS

NAME='C192H294O90'

/

&GAS

NAME='C204H312O96'

/

&GAS

NAME='C216H330O102'

/

&GAS

NAME='C228H348O108'

/

&GAS

NAME='C240H366O114'

/

&GAS

NAME='C252H384O120'

/

&GAS

NAME='C264H402O126'

/

&GAS

NAME='C276H420O132'

/

&GAS

NAME='C288H438O138'

/

&GAS

NAME='C300H456O144'

/

&GAS

NAME='C312H474O150'

/

&GAS

NAME='C324H492O156'

/

&GAS

NAME='C336H510O162'

/

&GAS

NAME='C348H528O168'

/

&GAS

NAME='C360H546O174'

/

&GAS

NAME='C372H564O180'

/

&GAS

NAME='C384H582O186'

/

&GAS

NAME='C396H600O192'

/

&GAS

NAME='C408H618O198'

/

&GAS

NAME='C420H636O204'

/

&GAS

NAME='C432H654O210'

/

&GAS

NAME='C444H672O216'

/

&GAS

NAME='C456H690O222'

/

&GAS

NAME='C468H708O228'

/

&GAS

NAME='C480H726O234'

/

&GAS

NAME='C492H744O240'

/

&GAS

NAME='C504H762O246'

/

&GAS

NAME='C516H780O252'

/

&GAS

NAME='C528H798O258'

/

&GAS

NAME='C540H816O264'

/

&GAS

NAME='C552H834O270'

/

&GAS

NAME='C564H852O276'

/

&GAS

NAME='C576H870O282'

/

&GAS

NAME='C588H888O288'

/

&GAS

NAME='C600H906O294'

/

&GAS

NAME='C612H924O300'

/

&GAS

NAME='C624H942O306'

/

&GAS

NAME='C636H960O312'

/

&GAS

NAME='C648H978O318'

/

&GAS

NAME='C660H996O324'

/

&GAS

NAME='C672H1014O330'

/

&GAS

NAME='C684H1032O336'

/

&GAS

NAME='C696H1050O342'

/

&GAS

NAME='C708H1068O348'

/

&GAS

NAME='C720H1086O354'

/

&GAS

NAME='C732H1104O360'

/

&GAS

NAME='C744H1122O366'

/

&GAS

NAME='C756H1140O372'

/

&GAS

NAME='C768H1158O378'

/

&GAS

NAME='C780H1176O384'

/

&GAS

NAME='C792H1194O390'

/

&GAS

NAME='C804H1212O396'

/

&GAS

NAME='C816H1230O402'

/

&GAS

NAME='C828H1248O408'

/

&GAS

NAME='C840H1266O414'

/

&GAS

NAME='C852H1284O420'

/

&GAS

NAME='C864H1302O426'

/

&GAS

NAME='C876H1320O432'

/

&GAS

NAME='C888H1338O438'

/

&GAS

NAME='C900H1356O444'

/

&GAS

NAME='C912H1374O450'

/

&GAS

NAME='C924H1392O456'

/

&GAS

NAME='C936H1410O462'

/

&GAS

NAME='C948H1428O468'

/

&GAS

NAME='C960H1446O474'

/

&GAS

NAME='C972H1464O480'

/

&GAS

NAME='C984H1482O486'

/

&GAS

NAME='C996H1500O492'

/

&GAS

NAME='C1008H1518O498'

/

&GAS

NAME='C1020H1536O504'

/

&GAS

NAME='C1032H1554O510'

/

&GAS

NAME='C1044H1572O516'

/

&GAS

NAME='C1056H1590O522'

/

&GAS

NAME='C1068H1608O528'

/

&GAS

NAME='C1080H1626O534'

/

&GAS

NAME='C1092H1644O540'

/

&GAS

NAME='C1104H1662O546'

/

&GAS

NAME='C1116H1680O552'

/

&GAS

NAME='C1128H1698O558'

/

&GAS

NAME='C1140H1716O564'

/

&GAS

NAME='C1152H1734O570'

/

&GAS

NAME='C1164H1752O576'

/

&GAS

NAME='C1176H1770O582'

/

&GAS

NAME='C1188H1788O588'

/

&GAS

NAME='C1200H1806O594'

/

&GAS

NAME='C1212H1824O600'

/

&GAS

NAME='C1224H1842O606'

/

&GAS

NAME='C1236H1860O612'

/

&GAS

NAME='C1248H1878O618'

/

&GAS

NAME='C1260H1896O624'

/

&GAS

NAME='C1272H1914O630'

/

&GAS

NAME='C1284H1932O636'

/

&GAS

NAME='C1296H1950O642'

/

&GAS

NAME='C1308H1968O648'

/

&GAS

NAME='C1320H1986O654'

/

&GAS

NAME='C1332H2004O660'

/

&GAS

NAME='C1344H2022O666'

/

&GAS

NAME='C1356H2040O672'

/

&GAS

NAME='C1368H2058O678'

/

&GAS

NAME='C1380H2076O684'

/

&GAS

NAME='C1392H2094O690'

/

&GAS

NAME='C1404H2112O696'

/

&GAS

NAME='C1416H2130O702'

/

&GAS

NAME='C1428H2148O708'

/

&GAS

NAME='C1440H2166O714'

/

&GAS

NAME='C1452H2184O720'

/

&GAS

NAME='C1464H2202O726'

/

&GAS

NAME='C1476H2220O732'

/

&GAS

NAME='C1488H2238O738'

/

&GAS

NAME='C1500H2256O744'

/

&GAS

NAME='C1512H2274O750'

/

&GAS

NAME='C1524H2292O756'

/

&GAS

NAME='C1536H2310O762'

/

&GAS

NAME='C1548H2328O768'

/

&GAS

NAME='C1560H2346O774'

/

&GAS

NAME='C1572H2364O780'

/

&GAS

NAME='C1584H2382O786'

/

&GAS

NAME='C1596H2400O792'

/

&GAS

NAME='C1608H2418O798'

/

&GAS

NAME='C1620H2436O804'

/

&GAS

NAME='C1632H2454O810'

/

&GAS

NAME='C1644H2472O816'

/

&GAS

NAME='C1656H2490O822'

/

&GAS

NAME='C1668H2508O828'

/

&GAS

NAME='C1680H2526O834'

/

&GAS

NAME='C1692H2544O840'

/

&GAS

NAME='C1704H2562O846'

/

&GAS

NAME='C1716H2580O852'

/

&GAS

NAME='C1728H2598O858'

/

&GAS

NAME='C1740H2616O864'

/

&GAS

NAME='C175

#FDS基礎(chǔ)

##FDS安裝與配置

###安裝步驟

1.**下載FDS安裝包**：

訪問NIST官方網(wǎng)站，下載最新版本的FDS安裝包。確保選擇與您的操作系統(tǒng)相匹配的版本。

2.**解壓縮安裝包**：

使用解壓縮軟件打開下載的FDS安裝包，將其解壓縮到您選擇的目錄中。

3.**配置環(huán)境變量**：

將FDS的安裝目錄添加到系統(tǒng)的環(huán)境變量中，以便在任何位置運(yùn)行FDS。

4.**安裝依賴庫(kù)**：

根據(jù)FDS的安裝指南，安裝所有必要的依賴庫(kù)，如IntelFortranCompiler、IntelMPI庫(kù)等。

5.**編譯FDS源代碼**：

打開命令行界面，導(dǎo)航到FDS源代碼目錄，運(yùn)行編譯腳本。例如，如果您使用的是IntelFortranCompiler，可以運(yùn)行以下命令：

```bash

makeintel1.2.2配置示例假設(shè)您將FDS安裝在C:\FDS目錄下，以下是將FDS添加到環(huán)境變量的步驟：打開環(huán)境變量編輯器：在Windows中，右鍵點(diǎn)擊“計(jì)算機(jī)”或“此電腦”，選擇“屬性”，然后點(diǎn)擊“高級(jí)系統(tǒng)設(shè)置”>“環(huán)境變量”。編輯Path變量：在“系統(tǒng)變量”下找到“Path”變量，點(diǎn)擊“編輯”，然后添加C:\FDS\bin到變量值的末尾。驗(yàn)證安裝：打開命令行，輸入fds，如果安裝成功，將顯示FDS的版本信息和幫助菜單。1.3FDS基本操作流程1.3.1創(chuàng)建仿真場(chǎng)景定義幾何結(jié)構(gòu)：使用FDS的輸入文件格式，定義您的仿真場(chǎng)景的幾何結(jié)構(gòu)，包括房間尺寸、墻壁、門窗等。設(shè)置邊界條件：指定場(chǎng)景的邊界條件，如溫度、壓力、風(fēng)速等。定義火源：描述火源的位置、大小、熱釋放速率等參數(shù)。網(wǎng)格劃分：選擇合適的網(wǎng)格尺寸和類型，以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。輸出設(shè)置：指定需要輸出的數(shù)據(jù)類型，如溫度、煙霧濃度、火焰速度等。1.3.2運(yùn)行仿真檢查輸入文件：使用FDS自帶的檢查工具fdschk，驗(yàn)證輸入文件的語法和邏輯正確性。運(yùn)行FDS：在命令行中輸入fdsinput_file.fds，開始仿真運(yùn)行。input_file.fds是您創(chuàng)建的仿真場(chǎng)景的輸入文件。監(jiān)控仿真進(jìn)度：通過查看命令行輸出，監(jiān)控仿真的進(jìn)度和狀態(tài)。1.3.3分析結(jié)果查看輸出文件：FDS運(yùn)行后，會(huì)生成一系列輸出文件，包括文本文件和圖像文件。使用文本編輯器查看文本輸出，使用FDS自帶的可視化工具fdsview查看圖像輸出。分析數(shù)據(jù)：從輸出文件中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如溫度分布、煙霧濃度等，進(jìn)行分析和解讀。生成報(bào)告：根據(jù)分析結(jié)果，生成詳細(xì)的仿真報(bào)告，包括仿真設(shè)置、結(jié)果分析和結(jié)論。1.3.4示例：定義一個(gè)簡(jiǎn)單的房間場(chǎng)景以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的FDS輸入文件示例，定義了一個(gè)10mx10mx3m的房間，包含一個(gè)火源：!FDSinputfileforasimpleroomfiresimulation

!Roomdimensions:10mx10mx3m

MESH,

X_MIN=0.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

DX=0.5,DY=0.5,DZ=0.5;

WALL,

ID='WALL1',

X_MIN=0.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=0.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

THICK=0.1,

MATERIAL='CONCRETE';

WALL,

ID='WALL2',

X_MIN=0.0,X_MAX=0.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

THICK=0.1,

MATERIAL='CONCRETE';

WALL,

ID='WALL3',

X_MIN=10.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

THICK=0.1,

MATERIAL='CONCRETE';

WALL,

ID='WALL4',

X_MIN=0.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=10.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

THICK=0.1,

MATERIAL='CONCRETE';

FIRE,

ID='FIRE1',

X=5.0,Y=5.0,Z=0.0,

RADIUS=0.5,

Q=1000.0;在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè)房間的四面墻，并在房間中心放置了一個(gè)火源?；鹪吹臒後尫潘俾试O(shè)置為1000kW。1.3.5結(jié)論通過上述步驟，您可以成功安裝和配置FDS，創(chuàng)建和運(yùn)行簡(jiǎn)單的燃燒仿真場(chǎng)景，并分析仿真結(jié)果。FDS是一個(gè)強(qiáng)大的工具，用于理解和預(yù)測(cè)火災(zāi)行為，適用于各種復(fù)雜場(chǎng)景的仿真。隨著您對(duì)FDS的深入了解，可以探索更多高級(jí)功能，如多物理場(chǎng)耦合、煙霧和火焰的詳細(xì)模擬等。2多物理場(chǎng)耦合原理2.1熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)狀態(tài)變化的科學(xué)，其基礎(chǔ)原理在燃燒仿真中至關(guān)重要。熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）和第二定律（熵增定律）是理解燃燒過程中能量轉(zhuǎn)換和熱力學(xué)平衡的關(guān)鍵。2.1.1熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律表明，在一個(gè)系統(tǒng)中，能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或者從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)。在燃燒仿真中，這通常意味著化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能和動(dòng)能，以及熱能的傳遞。2.1.2熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律指出，自然過程總是朝著熵增的方向進(jìn)行，即系統(tǒng)的無序度增加。在燃燒過程中，這表示燃燒反應(yīng)會(huì)增加系統(tǒng)的熵，導(dǎo)致能量的不可逆轉(zhuǎn)換。2.2流體力學(xué)與燃燒學(xué)耦合機(jī)制在燃燒仿真軟件如FDS中，流體力學(xué)與燃燒學(xué)的耦合是通過求解Navier-Stokes方程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程來實(shí)現(xiàn)的。這種耦合機(jī)制允許軟件模擬火焰的傳播、煙氣的流動(dòng)以及燃燒產(chǎn)物的分布。2.2.1Navier-Stokes方程N(yùn)avier-Stokes方程描述了流體的運(yùn)動(dòng)，包括速度、壓力和密度的變化。在FDS中，這些方程被離散化并求解，以預(yù)測(cè)火焰和煙氣的動(dòng)態(tài)行為。2.2.2化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程描述了化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)制。在燃燒仿真中，這些方程與Navier-Stokes方程耦合，以模擬燃燒反應(yīng)如何影響流體的溫度、壓力和組成。2.2.3耦合示例在FDS中，耦合機(jī)制可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：初始化流場(chǎng)：設(shè)定初始條件，包括溫度、壓力和流體速度。求解流體動(dòng)力學(xué)：使用Navier-Stokes方程求解流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化?；瘜W(xué)反應(yīng)計(jì)算：在每個(gè)時(shí)間步，根據(jù)流場(chǎng)的溫度和組成，計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率。更新流場(chǎng)：將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和物質(zhì)變化反饋到流場(chǎng)中，更新Navier-Stokes方程的求解。迭代求解：重復(fù)步驟2至4，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或滿足終止條件。2.2.4代碼示例雖然FDS使用的是復(fù)雜的數(shù)值求解方法，下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的示例，展示如何在Python中使用有限差分法求解一維熱傳導(dǎo)方程，這可以視為多物理場(chǎng)耦合的一個(gè)基礎(chǔ)部分：importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#參數(shù)設(shè)置

L=1.0#材料長(zhǎng)度

T=1.0#總時(shí)間

k=0.1#熱導(dǎo)率

rho=1.0#密度

c=0.1#比熱容

dx=0.01#空間步長(zhǎng)

dt=0.001#時(shí)間步長(zhǎng)

alpha=k/(rho*c)#熱擴(kuò)散率

#網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)

nx=int(L/dx)+1

nt=int(T/dt)

#初始化溫度場(chǎng)

u=np.zeros(nx)

u[int(0.5/dx):int(1.0/dx+1)]=200

#更新邊界條件

u[0]=100

u[-1]=100

#有限差分法求解

forninrange(nt):

un=u.copy()

foriinrange(1,nx-1):

u[i]=un[i]+alpha*dt/dx**2*(un[i+1]-2*un[i]+un[i-1])

#繪制結(jié)果

plt.plot(np.linspace(0,L,nx),u)

plt.xlabel('位置')

plt.ylabel('溫度')

plt.title('一維熱傳導(dǎo)方程的有限差分法求解')

plt.show()2.2.5解釋上述代碼使用有限差分法求解了一維熱傳導(dǎo)方程，模擬了在給定邊界條件下，材料內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化。雖然這只是一個(gè)基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)模擬，但它展示了如何將物理原理轉(zhuǎn)化為數(shù)值求解，這是多物理場(chǎng)耦合模擬的核心。在實(shí)際的燃燒仿真中，F(xiàn)DS會(huì)使用更復(fù)雜的方程組和求解算法，包括三維空間的Navier-Stokes方程和詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，以更準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)場(chǎng)景。3FDS中的多物理場(chǎng)設(shè)置3.1定義材料屬性在FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件中，定義材料屬性是進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合模擬的關(guān)鍵步驟之一。材料屬性包括熱導(dǎo)率、比熱容、煙氣生成率、燃燒速率等，這些參數(shù)直接影響火災(zāi)的傳播和煙氣的流動(dòng)。FDS使用MATERIAL命令來定義這些屬性，下面是一個(gè)示例：MATERIALNAME="WOOD"!木材

DENSITY=500.0!密度，單位：kg/m^3

THERMAL_CONDUCTIVITY=0.15!熱導(dǎo)率，單位：W/(m*K)

SPECIFIC_HEAT=1500.0!比熱容，單位：J/(kg*K)

SMOKE_YIELD=0.008!煙氣生成率，單位：m^3/kg

HEAT_OF_COMBUSTION=18000000.0!燃燒熱，單位：J/kg

END3.1.1解釋DENSITY:材料的密度，影響材料的熱容量和煙氣生成量。THERMAL_CONDUCTIVITY:熱導(dǎo)率，決定熱量在材料中的傳導(dǎo)速度。SPECIFIC_HEAT:比熱容，表示材料吸收或釋放熱量的能力。SMOKE_YIELD:煙氣生成率，定義單位質(zhì)量材料燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣量。HEAT_OF_COMBUSTION:燃燒熱，表示單位質(zhì)量材料完全燃燒時(shí)釋放的熱量。3.2設(shè)置網(wǎng)格與邊界條件FDS使用三維網(wǎng)格來模擬火災(zāi)場(chǎng)景，網(wǎng)格的設(shè)置對(duì)模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率至關(guān)重要。邊界條件則定義了模擬區(qū)域與外部環(huán)境的交互。以下是如何在FDS中設(shè)置網(wǎng)格和邊界條件的示例：MESHNAME="Mesh1"

NX=100NY=50NZ=20!網(wǎng)格的X、Y、Z方向的單元數(shù)

DX=0.5DY=0.5DZ=0.5!網(wǎng)格的X、Y、Z方向的單元大小，單位：m

ORIGIN=(0.0,0.0,0.0)!網(wǎng)格的原點(diǎn)坐標(biāo)，單位：m

END

BOUNDARYNAME="Floor"

SURF="FloorSurface"

TYPE=WALL!邊界類型為墻

T_INF=293.15!初始溫度，單位：K

END

BOUNDARYNAME="Inlet"

SURF="InletSurface"

TYPE=INLET!邊界類型為入口

VEL=(0.0,1.0,0.0)!入口速度，單位：m/s

T_INF=293.15!入口溫度，單位：K

END

BOUNDARYNAME="Outlet"

SURF="OutletSurface"

TYPE=OUTLET!邊界類型為出口

END3.2.1解釋MESH:定義網(wǎng)格的大小和原點(diǎn)位置，NX,NY,NZ表示網(wǎng)格在X、Y、Z方向上的單元數(shù)，DX,DY,DZ表示單元大小。BOUNDARY:定義邊界條件，包括邊界類型（如WALL,INLET,OUTLET）和相關(guān)參數(shù)，如速度、溫度等。通過上述設(shè)置，F(xiàn)DS能夠更準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)場(chǎng)景中的熱傳導(dǎo)、煙氣流動(dòng)等多物理場(chǎng)現(xiàn)象，為火災(zāi)安全設(shè)計(jì)和評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際操作中，根據(jù)具體場(chǎng)景的需要，可能還需要調(diào)整網(wǎng)格的精細(xì)度和邊界條件的細(xì)節(jié)，以獲得更精確的模擬結(jié)果。4燃燒模型與多物理場(chǎng)耦合4.1選擇合適的燃燒模型在進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，選擇正確的燃燒模型至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懙侥M的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件提供了多種燃燒模型，包括但不限于：預(yù)混燃燒模型：適用于預(yù)混氣體的燃燒，如天然氣、氫氣等。擴(kuò)散燃燒模型：適用于非預(yù)混燃燒，如液體燃料的燃燒。層流燃燒模型：適用于低湍流強(qiáng)度的燃燒過程。湍流燃燒模型：適用于高湍流強(qiáng)度的燃燒過程。4.1.1示例：選擇預(yù)混燃燒模型假設(shè)我們正在模擬一個(gè)天然氣泄漏并燃燒的場(chǎng)景，我們可以選擇預(yù)混燃燒模型。在FDS中，這可以通過在輸入文件中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。MATERIAL

{

name="NaturalGas"

type=GAS

density=0.717

specific_heat=1004.0

thermal_conductivity=0.04

viscosity=1.8e-5

diffusion_coefficient=2.0e-5

combustion_model=PREMIXED

heat_of_combustion=50000.0

}在上述代碼中，我們定義了天然氣的材料屬性，并指定了combustion_model為PREMIXED，即預(yù)混燃燒模型。4.2實(shí)現(xiàn)模型間的耦合FDS中的多物理場(chǎng)耦合模擬，是指在燃燒仿真中同時(shí)考慮多個(gè)物理過程的相互作用，如燃燒、傳熱、流體動(dòng)力學(xué)等。這種耦合可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火災(zāi)的發(fā)展和影響。4.2.1示例：燃燒與流體動(dòng)力學(xué)的耦合在FDS中，燃燒模型與流體動(dòng)力學(xué)模型是默認(rèn)耦合的，這意味著燃燒過程中的熱量釋放會(huì)直接影響流場(chǎng)的溫度和壓力分布。然而，為了更精細(xì)地控制這種耦合，我們可以通過設(shè)置特定的邊界條件和源項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)我們想要模擬一個(gè)房間內(nèi)的火災(zāi)，房間的尺寸為10mx10mx3m，房間的一側(cè)有門，門的尺寸為2mx2m。我們可以通過以下FDS輸入文件來設(shè)置邊界條件和源項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)燃燒與流體動(dòng)力學(xué)的耦合。!定義房間

ZONE

{

name="Room"

type=ROOM

vertices=(0,0,0)(10,0,0)(10,10,0)(0,10,0)(0,0,3)(10,0,3)(10,10,3)(0,10,3)

}

!定義門

BOUNDARY

{

name="Door"

type=OPEN

vertices=(8,0,0)(8,2,0)(8,2,3)(8,0,3)

}

!定義火源

FIRE

{

name="GasBurner"

type=GAS_BURNER

vertices=(5,5,0)(5,5,1)

material="NaturalGas"

heat_release_rate=100000.0

}在上述代碼中，我們首先定義了房間的幾何形狀，然后定義了門的邊界條件為OPEN，表示門是敞開的，允許空氣流動(dòng)。最后，我們定義了一個(gè)火源GasBurner，使用之前定義的NaturalGas材料，并設(shè)置了熱量釋放率為100000.0kW。4.2.2示例：燃燒與傳熱的耦合除了流體動(dòng)力學(xué)，燃燒過程中的熱量釋放也會(huì)對(duì)周圍物體的溫度產(chǎn)生影響。在FDS中，我們可以通過定義物體的材料屬性和熱邊界條件來實(shí)現(xiàn)燃燒與傳熱的耦合。假設(shè)房間內(nèi)有一面墻，墻的尺寸為10mx3m，墻的材料為混凝土。我們可以通過以下FDS輸入文件來設(shè)置墻的材料屬性和熱邊界條件。MATERIAL

{

name="Concrete"

type=SOLID

density=2400.0

specific_heat=880.0

thermal_conductivity=1.7

emissivity=0.9

}

!定義墻

ZONE

{

name="Wall"

type=WALL

vertices=(0,0,0)(0,10,0)(0,10,3)(0,0,3)

material="Concrete"

}

!定義墻的熱邊界條件

BOUNDARY

{

name="Wall"

type=ADIABATIC

}在上述代碼中，我們定義了混凝土的材料屬性，并指定了墻的材料為Concrete。我們還設(shè)置了墻的熱邊界條件為ADIABATIC，表示墻是絕熱的，即不與外界進(jìn)行熱交換。然而，墻內(nèi)部的溫度仍然會(huì)受到火源熱量的影響。通過這些示例，我們可以看到在FDS中如何選擇合適的燃燒模型，并實(shí)現(xiàn)燃燒與其他物理場(chǎng)的耦合。這不僅需要對(duì)燃燒過程有深入的理解，還需要熟悉FDS軟件的使用和輸入文件的編寫。5案例分析5.1多物理場(chǎng)耦合模擬實(shí)例在火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬（FDS）中，多物理場(chǎng)耦合模擬是理解火災(zāi)行為和預(yù)測(cè)火災(zāi)后果的關(guān)鍵。這一部分將通過一個(gè)具體的案例來展示如何在FDS中設(shè)置和運(yùn)行多物理場(chǎng)耦合模擬。5.1.1模擬場(chǎng)景假設(shè)我們正在模擬一個(gè)包含固體燃料、煙氣流動(dòng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的火災(zāi)場(chǎng)景。固體燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生煙氣，煙氣的流動(dòng)會(huì)影響火勢(shì)的蔓延，同時(shí)高溫?zé)煔夂突鹧鏁?huì)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。5.1.2FDS輸入文件設(shè)置FDS使用輸入文件來定義模擬的各個(gè)方面，包括幾何、材料屬性、邊界條件和初始條件。下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的FDS輸入文件示例，展示了如何設(shè)置多物理場(chǎng)耦合模擬：FDS_INPUT_FILE

&TIME_STEPDT=0.1/

&FUEL_SURFACETYPE='SOLID'/

&SMOKE_PARTICLEDENSITY=1.2/

&STRUCTURE_MATERIALTYPE='CONCRETE'/

&HEAT_FLUXBC='WALL'VALUE=10000/

&INITIAL_CONDITIONTEMP=20/

&OUTPUTCONTROL='TEMPERATURE'/5.1.3解釋&TIME_STEPDT=0.1：定義時(shí)間步長(zhǎng)為0.1秒，這對(duì)于捕捉火災(zāi)的動(dòng)態(tài)行為至關(guān)重要。&FUEL_SURFACETYPE=‘SOLID’：指定燃料表面類型為固體，這將觸發(fā)FDS中的固體燃燒模型。&SMOKE_PARTICLEDENSITY=1.2：設(shè)置煙氣粒子的密度，影響煙氣的流動(dòng)和擴(kuò)散。&STRUCTURE_MATERIALTYPE=‘CONCRETE’：定義結(jié)構(gòu)材料為混凝土，這將啟用結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)模型。&HEAT_FLUXBC=‘WALL’VALUE=10000：在墻壁上施加熱流邊界條件，模擬火焰對(duì)墻壁的影響。&INITIAL_CONDITIONTEMP=20：設(shè)置初始溫度為20°C。&OUTPUTCONTROL=‘TEMPERATURE’：指定輸出控制參數(shù)為溫度，以便監(jiān)控模擬過程中的溫度變化。5.1.4運(yùn)行模擬在設(shè)置好輸入文件后，使用FDS命令行工具運(yùn)行模擬：fdsFDS_INPUT_FILE5.1.5數(shù)據(jù)輸出FDS將生成一系列輸出文件，包括溫度、煙氣濃度、壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以使用FDS自帶的后處理工具或第三方可視化軟件進(jìn)行分析。5.2結(jié)果分析與驗(yàn)證5.2.1分析步驟溫度分布：檢查火災(zāi)區(qū)域的溫度變化，確保燃燒過程和熱傳播符合預(yù)期。煙氣流動(dòng)：分析煙氣的流動(dòng)路徑和擴(kuò)散速度，驗(yàn)證煙氣模型的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)響應(yīng)：評(píng)估結(jié)構(gòu)在高溫下的熱應(yīng)力和變形，確保結(jié)構(gòu)安全。5.2.2驗(yàn)證方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比：如果可能，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。參數(shù)敏感性分析：改變輸入?yún)?shù)（如燃料類型、熱流強(qiáng)度），觀察結(jié)果的變化，確保模型對(duì)參數(shù)變化的響應(yīng)合理。5.2.3示例假設(shè)我們從模擬中提取了墻壁的溫度數(shù)據(jù)，下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的溫度數(shù)據(jù)樣例：TIME=0.0TEMP=20.0

TIME=10.0TEMP=100.0

TIME=20.0TEMP=200.0

TIME=30.0TEMP=300.0

TIME=40.0TEMP=400.0

TIME=50.0TEMP=500.05.2.4解釋TIME=0.0TEMP=20.0：在模擬開始時(shí)，墻壁的溫度為20°C。TIME=50.0TEMP=500.0：50秒后，墻壁的溫度上升到500°C，表明火焰對(duì)墻壁的影響顯著。5.2.5結(jié)論通過上述案例分析，我們可以看到多物理場(chǎng)耦合模擬在FDS中的應(yīng)用，以及如何通過分析和驗(yàn)證來確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。這為理解和預(yù)測(cè)火災(zāi)場(chǎng)景下的復(fù)雜行為提供了強(qiáng)大的工具。6高級(jí)技巧6.1優(yōu)化模擬性能在進(jìn)行燃燒仿真，尤其是使用FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件時(shí)，優(yōu)化模擬性能是確保計(jì)算效率和結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。FDS采用基于網(wǎng)格的計(jì)算方法，因此，網(wǎng)格的大小、形狀和分布對(duì)模擬性能有著直接影響。以下是一些高級(jí)技巧，幫助你優(yōu)化FDS中的模擬性能：6.1.1網(wǎng)格優(yōu)化自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(AMR):FDS支持自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化，允許在高梯度區(qū)域自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，而在低梯度區(qū)域使用較粗的網(wǎng)格，從而節(jié)省計(jì)算資源。例如，火焰前沿和煙氣流動(dòng)區(qū)域需要更細(xì)的網(wǎng)格以捕捉細(xì)節(jié)，而遠(yuǎn)離火源的區(qū)域則可以使用較粗的網(wǎng)格。6.1.2并行計(jì)算MPI并行化:利用FDS的MPI并行計(jì)算功能，可以將計(jì)算任務(wù)分布在多個(gè)處理器上，顯著提高計(jì)算速度。確保你的模擬場(chǎng)景被合理地分割，以便并行計(jì)算可以有效地利用每個(gè)處理器。6.1.3物理模型選擇選擇合適的燃燒模型:FDS提供了多種燃燒模型，如預(yù)混燃燒、擴(kuò)散燃燒等。選擇最符合實(shí)際情況的模型可以減少不必要的計(jì)算，提高效率。6.2處理復(fù)雜多物理場(chǎng)問題FDS中的多物理場(chǎng)耦合模擬涉及到燃燒、流體動(dòng)力學(xué)、傳熱、煙氣擴(kuò)散等多個(gè)物理過程的相互作用。處理這類復(fù)雜問題需要對(duì)軟件的高級(jí)功能有深入理解。以下是一些技巧，幫助你更有效地處理多物理場(chǎng)耦合問題：6.2.1煙氣與結(jié)構(gòu)相互作用使用FDS+EVAC:FDS+EVAC是FDS與人員疏散模型EVAC的耦合，可以模擬火災(zāi)中煙氣流動(dòng)與人員疏散的相互影響。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和物理參數(shù)，可以更真實(shí)地模擬火災(zāi)場(chǎng)景。6.2.2燃燒與傳熱耦合輻射傳熱模型:FDS中的輻射傳熱模型可以精確計(jì)算火焰和煙氣的輻射熱傳遞，這對(duì)于理解火災(zāi)中的熱傳播至關(guān)重要。例如，使用RADIATION命令可以激活輻射傳熱計(jì)算。6.2.3煙氣流動(dòng)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析軟件耦合:FDS可以與結(jié)構(gòu)分析軟件如ABAQUS或ANSYS進(jìn)行耦合，模擬火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。這種耦合需要在FDS中輸出熱載荷數(shù)據(jù)，然后在結(jié)構(gòu)分析軟件中輸入這些數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。6.2.4示例：優(yōu)化網(wǎng)格與并行計(jì)算假設(shè)我們有一個(gè)需要進(jìn)行燃燒仿真的場(chǎng)景，場(chǎng)景中包含一個(gè)燃燒的油池和周圍的建筑結(jié)構(gòu)。為了優(yōu)化模擬性能，我們將使用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化和并行計(jì)算。!FDSinputfileexampleforoptimizinggridandusingparallelcomputing

!Filename:fire_pool.fds

!Definethedomainsize

DOMAIN,X1=0,X2=10,Y1=0,Y2=10,Z1=0,Z2=5

!Setupthegrid

GRID,DX=0.5,DY=0.5,DZ=0.5

!Enableadaptivemeshrefinement

AMR,LEVELS=3,CRITERION=GRADIENT,FIELD=TEMPERATURE

!Definetheoilpool

OBST,NAME=OIL_POOL,X1=2,X2=3,Y1=2,Y2=3,Z1=0,Z2=0.1,MATERIAL=OIL

!Setupthefire

FIRE,NAME=OIL_FIRE,OBST=OIL_POOL,Q=1000,TSTART=0,TEND=3600

!Enableparallelcomputing

PARALLEL,NPROC=4

!Definetheoutput

OUTPUT,FILE=results,VARIABLES=TEMPERATURE,VELOCITY,SMOKE在這個(gè)例子中，我們首先定義了模擬的域大小，然后設(shè)置了基礎(chǔ)網(wǎng)格的大小。接下來，我們啟用了自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化，設(shè)置為3個(gè)細(xì)化級(jí)別，細(xì)化的依據(jù)是溫度梯度。這樣，火焰和煙氣流動(dòng)區(qū)域?qū)⒆詣?dòng)細(xì)化網(wǎng)格，而其他區(qū)域則保持較粗的網(wǎng)格。