燃燒仿真軟件：FDS（火災動力學模擬）：火災煙氣流動模擬技術教程

燃燒仿真軟件：FDS（火災動力學模擬）：火災煙氣流動模擬技術教程1燃燒仿真軟件：FDS（火災動力學模擬）-火災煙氣流動模擬1.1FDS軟件概述FDS（FireDynamicsSimulator）是一款由美國國家標準與技術研究院（NIST）開發(fā)的火災動力學模擬軟件。它基于第一原理的計算流體動力學（CFD）方法，能夠模擬火災場景下的煙氣流動、熱輻射、火焰蔓延等復雜現象。FDS采用大渦模擬（LES）技術，能夠提供高精度的火災模擬結果，適用于建筑火災安全設計、火災事故分析、消防訓練等多種場景。1.2火災動力學模擬原理火災動力學模擬主要基于流體力學、熱力學和化學反應動力學的原理。在FDS中，這些原理通過一系列的數學模型和算法來實現，包括：連續(xù)性方程：描述質量守恒，即在任意封閉系統中，質量的總量保持不變。動量方程：基于牛頓第二定律，描述流體運動的動量變化。能量方程：描述能量守恒，包括熱能的產生、傳遞和消耗。化學反應方程：描述燃燒過程中化學物質的生成和消耗，以及由此產生的熱量。1.2.1示例：FDS中的簡單火災場景模擬假設我們想要模擬一個簡單的房間火災場景，房間尺寸為10mx10mx3m，房間中央放置一個燃燒的蠟燭。以下是一個基本的FDS輸入文件示例，用于設置此場景：!FDSinputfileforasimpleroomfiresimulation

!Roomdimensions:10mx10mx3m

!Candlefireinthecenteroftheroom

MESH,

X_MIN=0,X_MAX=10,

Y_MIN=0,Y_MAX=10,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

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

WALL,

NAME=Floor,

X_MIN=0,X_MAX=10,

Y_MIN=0,Y_MAX=10,

Z_MIN=0,

THICK=0.1,

MATERIAL=Concrete;

WALL,

NAME=Roof,

X_MIN=0,X_MAX=10,

Y_MIN=0,Y_MAX=10,

Z_MAX=3,

THICK=0.1,

MATERIAL=Concrete;

WALL,

NAME=Wall1,

X_MIN=0,

Y_MIN=0,Y_MAX=10,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

THICK=0.1,

MATERIAL=Concrete;

WALL,

NAME=Wall2,

X_MAX=10,

Y_MIN=0,Y_MAX=10,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

THICK=0.1,

MATERIAL=Concrete;

WALL,

NAME=Wall3,

X_MIN=0,X_MAX=10,

Y_MIN=0,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

THICK=0.1,

MATERIAL=Concrete;

WALL,

NAME=Wall4,

X_MIN=0,X_MAX=10,

Y_MAX=10,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

THICK=0.1,

MATERIAL=Concrete;

FIRE,

NAME=Candle,

X_MIN=4.5,X_MAX=5.5,

Y_MIN=4.5,Y_MAX=5.5,

Z_MIN=0.1,Z_MAX=0.2,

Qdot=10000,

FUEL=HC,

T_LIT=0;

VENT,

NAME=Door,

X_MIN=0,X_MAX=1,

Y_MIN=0,Y_MAX=1,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

TYPE=OUTLET,

FLOW=0.0,

FLOW_DIR=0.0,0.0,1.0,

FLOW_COND=PRESSURE,

P_ATM=101325.0,

P=101325.0;

VENT,

NAME=Window,

X_MIN=9,X_MAX=10,

Y_MIN=9,Y_MAX=10,

Z_MIN=0,Z_MAX=3,

TYPE=OUTLET,

FLOW=0.0,

FLOW_DIR=0.0,0.0,1.0,

FLOW_COND=PRESSURE,

P_ATM=101325.0,

P=101325.0;1.2.2解釋MESH：定義了房間的網格，用于計算流體動力學的數值解。這里設置的網格大小為0.5m，確保了計算的精度。WALL：定義了房間的四面墻和地板、天花板，使用混凝土材料，厚度為0.1m。FIRE：定義了房間中央的蠟燭火源，熱釋放率為10000W，燃料為HC（烴類），在模擬開始時即點燃。VENT：定義了房間的門和窗，作為出口，允許煙氣和熱氣流逸出。這里設置為壓力控制的出口，大氣壓力為101325Pa。通過上述設置，FDS能夠模擬蠟燭燃燒時房間內的煙氣流動、溫度分布和壓力變化，為火災安全分析提供重要數據。FDS的火災動力學模擬不僅限于上述簡單場景，它能夠處理更復雜的火災環(huán)境，包括多層建筑、風的影響、煙氣控制設備的效果等。通過調整輸入參數和模型設置，用戶可以模擬各種火災條件，為火災預防和控制提供科學依據。2安裝與配置2.1FDS軟件下載FDS(FireDynamicsSimulator)是由美國國家標準與技術研究院(NIST)開發(fā)的一款基于第一原理的火災煙氣流動模擬軟件。要開始使用FDS，首先需要從NIST的官方網站下載軟件。NIST提供FDS的最新版本以及歷史版本的下載鏈接，確保選擇與您的操作系統兼容的版本。2.2系統要求FDS運行在多種操作系統上，包括Windows、Linux和MacOS。以下是推薦的系統要求：操作系統：Windows10/11,Linux(Ubuntu16.04或更高版本),MacOS(10.13或更高版本)處理器：多核處理器，支持SSE2指令集內存：至少8GB，推薦16GB或更高硬盤空間：至少1GB用于安裝FDS，額外空間用于存儲模擬數據圖形卡：基本的2D圖形處理能力即可，3D模擬結果的可視化需要更強大的圖形卡2.3安裝步驟2.3.1Windows系統下載軟件：從NIST官方網站下載FDS的Windows安裝包。解壓縮：使用解壓縮軟件如WinRAR或7-Zip解壓縮下載的文件。運行安裝程序：找到解壓縮后的安裝程序，雙擊運行。接受許可協議：閱讀并接受FDS的許可協議。選擇安裝路徑：指定FDS的安裝路徑，通常保持默認即可。完成安裝：按照安裝向導的提示完成安裝過程。2.3.2Linux系統下載軟件：從NIST官方網站下載FDS的Linux版本。解壓縮：在終端中使用tar命令解壓縮文件。tar-xvffds-6.7.1.tar.gz編譯源代碼：進入解壓縮后的目錄，運行make命令編譯源代碼。cdfds-6.7.1

make安裝依賴庫：確保系統中已安裝所有必要的依賴庫，如gfortran和netcdf。sudoapt-getinstallgfortranlibnetcdf-dev測試安裝：編譯完成后，運行FDS測試其是否正確安裝。./fds2.3.3MacOS系統下載軟件：從NIST官方網站下載FDS的MacOS版本。解壓縮：使用預裝的歸檔工具或第三方軟件解壓縮下載的文件。編譯源代碼：在終端中進入解壓縮后的目錄，使用make命令編譯源代碼。cdfds-6.7.1

make安裝依賴庫：使用Homebrew安裝必要的依賴庫，如gfortran和netcdf。brewinstallgfortrannetcdf測試安裝：編譯完成后，運行FDS測試其是否正確安裝。./fds2.4配置環(huán)境2.4.1設置環(huán)境變量為了確保FDS能夠正確地找到其數據文件和庫，需要設置環(huán)境變量。在Windows系統中，可以通過系統環(huán)境變量設置；在Linux和MacOS中，可以在.bashrc或.zshrc文件中添加以下行：exportFDS_HOME=/path/to/fds

exportPATH=$PATH:$FDS_HOME/bin

exportLD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$FDS_HOME/lib2.4.2驗證安裝安裝和配置完成后，通過運行一個簡單的FDS示例來驗證安裝是否成功。通常，FDS安裝包中包含一些示例文件，可以使用這些文件進行測試。cd$FDS_HOME/examples

./fdsexample.fds以上步驟將確保FDS在您的系統上正確安裝和配置，為進行火災煙氣流動模擬做好準備。3燃燒仿真軟件：FDS（火災動力學模擬）-基本操作教程3.1創(chuàng)建FDS項目在開始使用FDS進行火災煙氣流動模擬之前，首先需要創(chuàng)建一個新的項目。FDS項目通常包含一個或多個輸入文件，這些文件描述了模擬的幾何、邊界條件、材料屬性等。創(chuàng)建項目的第一步是定義項目的基本信息，包括項目名稱、描述和模擬的物理時間。3.1.1示例：創(chuàng)建FDS項目假設我們要創(chuàng)建一個名為“OfficeFire”的項目，模擬一個辦公室火災。項目的基本信息如下：項目名稱：OfficeFire描述：模擬辦公室火災煙氣流動物理時間：1200秒在FDS中，項目信息通常在輸入文件的開頭定義。下面是一個簡單的示例：FDS_INPUT_FILE

&TIME

T_END=1200.0,!模擬結束時間

/

&GAS

/

&PART

/

&FIELD

/

&MATERIAL

/

&VENT

/

&HEAT

/

&SMOKE

/

&FIRE

/

&OBST

/

&SLICE

/

&ISOL

/

&VIEW

/

&POST

/

&FAN

/

&VENTILATION

/

&SMOKE_CONTROL

/

&FIRE_DETECTION

/

&FIRE_SUPPRESSION

/

&FIRE_SPREAD

/

&FIRE_DEVELOPMENT

/

&FIRE_DETECTION

/

&FIRE_SUPPRESSION

/

&FIRE_SPREAD

/

&FIRE_DEVELOPMENT

/

&FIRE_DETECTION

/

&FIRE_SUPPRESSION

/

&FIRE_SPREAD

/

&FIRE_DEVELOPMENT

/

&FIRE_DETECTION

/

&FIRE_SUPPRESSION

/

&FIRE_SPREAD

/

&FIRE_DEVELOPMENT

/

&FIRE_DETECTION

/

&FIRE_SUPPRESSION

/

&FIRE_SPREAD

/

&FIRE_DEVELOPMENT

/3.2網格生成FDS使用三維網格來表示模擬區(qū)域。網格的大小和分辨率直接影響模擬的精度和計算時間。在創(chuàng)建項目后，下一步是定義網格，包括網格的尺寸、原點和單元大小。3.2.1示例：定義網格假設我們的辦公室尺寸為10米x10米x3米，原點位于(0,0,0)，單元大小為0.5米。在FDS中，網格定義如下：&MESH

X_MIN=0.0,!網格最小x坐標

X_MAX=10.0,!網格最大x坐標

Y_MIN=0.0,!網格最小y坐標

Y_MAX=10.0,!網格最大y坐標

Z_MIN=0.0,!網格最小z坐標

Z_MAX=3.0,!網格最大z坐標

DX=0.5,!x方向單元大小

DY=0.5,!y方向單元大小

DZ=0.5,!z方向單元大小

/3.3邊界條件設置邊界條件定義了模擬區(qū)域與外部環(huán)境的交互。在FDS中，邊界條件可以包括墻壁、天花板、地板、開口等。每個邊界條件都有特定的屬性，如熱傳導率、反射率和透射率。3.3.1示例：設置邊界條件假設辦公室的墻壁、天花板和地板都是由混凝土制成，開口位于一面墻上。在FDS中，我們可以這樣定義：&MATERIAL

NAME='CONCRETE',!材料名稱

DENSITY=2400.0,!材料密度

SPEC_HEAT=840.0,!材料比熱

THERM_COND=1.7,!熱傳導率

/

&OBST

NAME='WALL',!障礙物名稱

MESH=1,!網格編號

X_MIN=0.0,!障礙物最小x坐標

X_MAX=10.0,!障礙物最大x坐標

Y_MIN=0.0,!障礙物最小y坐標

Y_MAX=10.0,!障礙物最大y坐標

Z_MIN=0.0,!障礙物最小z坐標

Z_MAX=3.0,!障礙物最大z坐標

MATERIAL='CONCRETE',!材料名稱

/

&OBST

NAME='OPENING',!障礙物名稱

MESH=1,!網格編號

X_MIN=0.0,!障礙物最小x坐標

X_MAX=1.0,!障礙物最大x坐標

Y_MIN=0.0,!障礙物最小y坐標

Y_MAX=10.0,!障礙物最大y坐標

Z_MIN=3.0,!障礙物最小z坐標

Z_MAX=3.0,!障礙物最大z坐標

MATERIAL='AIR',!材料名稱，開口通常為空氣

/3.4材料屬性定義材料屬性在FDS中至關重要，因為它們決定了火災中物體的熱行為和煙氣生成。每種材料都有其特定的物理和化學屬性，如密度、比熱、熱傳導率、煙氣生成率等。3.4.1示例：定義材料屬性繼續(xù)使用混凝土和木材作為示例，我們可以定義它們的屬性如下：&MATERIAL

NAME='CONCRETE',!材料名稱

DENSITY=2400.0,!材料密度

SPEC_HEAT=840.0,!材料比熱

THERM_COND=1.7,!熱傳導率

/

&MATERIAL

NAME='WOOD',!材料名稱

DENSITY=500.0,!材料密度

SPEC_HEAT=1200.0,!材料比熱

THERM_COND=0.15,!熱傳導率

SMOKE_YIELD=0.05,!煙氣生成率

/通過以上步驟，我們已經創(chuàng)建了一個基本的FDS項目，定義了網格和邊界條件，并設置了材料屬性。這些是進行火災煙氣流動模擬的基礎。在實際應用中，可能還需要定義火源、煙氣控制設備、火災探測和滅火系統等更復雜的元素。4高級功能4.1煙氣流動模擬4.1.1原理煙氣流動模擬是火災動力學模擬軟件FDS中的核心功能之一，它基于Navier-Stokes方程和湍流模型，模擬火災發(fā)生時煙氣的流動、擴散和溫度分布。FDS采用大渦模擬(LES)技術，能夠精確捕捉到煙氣流動中的復雜現象，如湍流、熱對流和輻射等，從而提供更準確的火災場景模擬。4.1.2內容在FDS中，煙氣流動模擬涉及到的關鍵參數包括煙氣的溫度、速度、濃度和輻射特性。通過設置火災源的熱釋放速率、燃料類型和環(huán)境條件，FDS能夠預測煙氣的流動路徑、煙層高度、煙氣溫度和煙氣成分的變化。這對于評估火災對人員疏散和建筑結構的影響至關重要。4.1.3示例假設我們有一個簡單的火災場景，需要模擬煙氣流動。以下是一個FDS輸入文件的示例，用于設置一個熱釋放速率為1000kW的火災源，并觀察煙氣如何在房間內流動。!FDSInputFileforSmokeFlowSimulation

!

!Geometry

MESH,

X_MIN=0.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=5.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

DX=1.0,DY=1.0,DZ=1.0;

!FireSource

FIRE,

ID='FIRE',

X=5.0,Y=2.5,Z=0.0,

LENGTH=1.0,WIDTH=1.0,HEIGHT=1.0,

Qdot=1000.0,T_LIT=0.0;

!BoundaryConditions

WALL,

ID='WALL',

X_MIN=0.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=5.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

BC='ADIA';

!SimulationSettings

TIME,

DT=0.1,T_END=300.0;

!OutputSettings

IS,

ID='SMOKE',

X_MIN=0.0,X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=5.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

VAR='TEMP','SMOKE';在這個例子中，我們定義了一個10mx5mx3m的房間，其中心位置有一個1mx1mx1m的火災源，熱釋放速率為1000kW。邊界條件設置為絕熱壁面，模擬時間為300秒，輸出變量包括溫度和煙氣濃度。4.2火災蔓延預測4.2.1原理火災蔓延預測是FDS的另一項重要功能，它基于物質燃燒的化學反應動力學和熱傳導理論，預測火災如何在不同材料和結構中蔓延。FDS通過計算火焰的傳播速度、火焰的形狀和火災的熱釋放速率，來評估火災的蔓延速度和范圍，這對于設計防火措施和評估火災風險非常關鍵。4.2.2內容火災蔓延預測涉及到的參數包括材料的燃燒特性、火焰的傳播速度、熱釋放速率和火焰的形狀。FDS能夠模擬不同材料的燃燒過程，包括木材、塑料和金屬等，以及火焰在不同風速和環(huán)境條件下的傳播行為。4.2.3示例考慮一個場景，需要預測火災在木質結構中的蔓延。以下是一個FDS輸入文件的示例，用于設置一個木質材料的燃燒特性，并觀察火災如何蔓延。!FDSInputFileforFireSpreadPrediction

!

!Geometry

MESH,

X_MIN=0.0,X_MAX=20.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

DX=1.0,DY=1.0,DZ=1.0;

!MaterialProperties

MATERIAL,

ID='WOOD',

T_LIT=300.0,

HRRPUA=100.0,

SMOKE_YIELD=0.05,

SOOT_YIELD=0.02;

!FireSource

FIRE,

ID='FIRE',

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

LENGTH=1.0,WIDTH=1.0,HEIGHT=1.0,

Qdot=1000.0,T_LIT=0.0,

MATERIAL='WOOD';

!BoundaryConditions

WALL,

ID='WALL',

X_MIN=0.0,X_MAX=20.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

BC='ADIA';

!SimulationSettings

TIME,

DT=0.1,T_END=600.0;

!OutputSettings

IS,

ID='FIRE_SPREAD',

X_MIN=0.0,X_MAX=20.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=10.0,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

VAR='TEMP','HRR','SMOKE';在這個例子中，我們定義了一個20mx10mx3m的房間，其中心位置有一個1mx1mx1m的火災源，熱釋放速率為1000kW，材料為木質。邊界條件設置為絕熱壁面，模擬時間為600秒，輸出變量包括溫度、熱釋放速率和煙氣濃度。4.3多物理場耦合分析4.3.1原理多物理場耦合分析是FDS的一項高級功能，它能夠同時模擬火災場景中的多個物理過程，如煙氣流動、火災蔓延、熱傳導和輻射等。通過耦合這些物理過程，FDS能夠提供更全面的火災場景模擬，包括火災對建筑結構的影響、煙氣對人員疏散的影響以及火災對環(huán)境的影響。4.3.2內容多物理場耦合分析涉及到的關鍵參數包括不同物理過程之間的相互作用和影響。例如，煙氣流動會影響火災蔓延的速度和方向，而火災蔓延又會改變煙氣的溫度和成分。FDS通過精確的數學模型和算法，能夠模擬這些復雜的過程，并提供詳細的火災場景分析。4.3.3示例假設我們需要分析一個火災場景，其中火災蔓延、煙氣流動和熱傳導相互作用。以下是一個FDS輸入文件的示例，用于設置一個火災源，并觀察火災如何影響房間內的溫度分布和煙氣流動。!FDSInputFileforMulti-PhysicsCouplingAnalysis

!

!Geometry

MESH,

X_MIN=0.0,X_MAX=15.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=7.5,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

DX=1.0,DY=1.0,DZ=1.0;

!MaterialProperties

MATERIAL,

ID='CONCRETE',

T_LIT=1000.0,

HRRPUA=0.0,

SMOKE_YIELD=0.0,

SOOT_YIELD=0.0;

MATERIAL,

ID='WOOD',

T_LIT=300.0,

HRRPUA=100.0,

SMOKE_YIELD=0.05,

SOOT_YIELD=0.02;

!FireSource

FIRE,

ID='FIRE',

X=5.0,Y=3.75,Z=0.0,

LENGTH=1.0,WIDTH=1.0,HEIGHT=1.0,

Qdot=1000.0,T_LIT=0.0,

MATERIAL='WOOD';

!BoundaryConditions

WALL,

ID='WALL',

X_MIN=0.0,X_MAX=15.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=7.5,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

BC='ADIA';

!SimulationSettings

TIME,

DT=0.1,T_END=600.0;

!OutputSettings

IS,

ID='MULTI_PHYSICS',

X_MIN=0.0,X_MAX=15.0,

Y_MIN=0.0,Y_MAX=7.5,

Z_MIN=0.0,Z_MAX=3.0,

VAR='TEMP','HRR','SMOKE','HEAT_FLUX';在這個例子中，我們定義了一個15mx7.5mx3m的房間，其中心位置有一個1mx1mx1m的火災源，熱釋放速率為1000kW，材料為木質。房間的墻壁和地板由混凝土構成。邊界條件設置為絕熱壁面，模擬時間為600秒，輸出變量包括溫度、熱釋放速率、煙氣濃度和熱通量。通過這個模擬，我們可以觀察到火災如何在木質材料中蔓延，以及煙氣流動如何影響房間內的溫度分布和熱通量。5案例分析5.1住宅火災模擬在住宅火災模擬中，FDS（火災動力學模擬）軟件被廣泛應用于理解火災在住宅環(huán)境中的行為，包括火勢蔓延、煙氣流動和熱輻射等關鍵因素。通過模擬，可以評估不同設計和疏散策略的有效性，為住宅安全提供科學依據。5.1.1模擬設置FDS模擬住宅火災時，首先需要定義住宅的幾何結構，包括房間布局、門窗位置和尺寸等。然后，設置火災源的位置、類型（如點火源或面火源）和燃燒特性。此外，還需要定義材料的熱物理性質，如熱釋放速率、煙氣生成率和火焰蔓延速度。5.1.2數據樣例假設我們正在模擬一個簡單的住宅火災，住宅由一個客廳和兩個臥室組成，客廳中央有一張木質桌子作為火源。以下是一個簡化版的FDS輸入文件示例：MESH,

NAME="Residential_House",

NX=100,NY=50,NZ=30,

DX=0.1,DY=0.1,DZ=0.1,

ORIGIN=(0,0,0),

X=(0,10),Y=(0,5),Z=(0,3);

SURF,

NAME="Wooden_Table",

MATERIAL="WOOD",

THICKNESS=0.05,

X=(4.5,5.5),Y=(2,3),Z=(0,0.75);

FIRE,

NAME="Table_Fire",

SURF="Wooden_Table",

QDOT=1000000,

TSTART=0,

TEND=3600;5.1.3代碼解釋MESH：定義了住宅的網格結構，包括網格的大小、間距和原點位置。SURF：定義了木質桌子的表面，包括材料類型、厚度和位置。FIRE：定義了火源，包括火源所在的表面、熱釋放速率、開始時間和結束時間。通過運行上述FDS輸入文件，可以生成住宅火災的動態(tài)模擬結果，包括溫度分布、煙氣濃度和火焰蔓延情況。5.2工業(yè)設施火災案例工業(yè)設施火災模擬是FDS應用的另一個重要領域，它幫助工程師和安全專家評估火災在復雜工業(yè)環(huán)境中的影響，如化工廠、煉油廠和倉庫等。這些模擬可以用于設計防火系統、制定應急響應計劃和進行風險評估。5.2.1模擬設置在工業(yè)設施火災模擬中，除了住宅火災模擬的基本設置外，還需要考慮更多的因素，如化學品的性質、通風系統、爆炸風險和多火源情況。FDS可以模擬這些復雜場景，提供詳細的火災動態(tài)分析。5.2.2數據樣例考慮一個化工廠的儲罐區(qū)，其中包含多個易燃液體儲罐。以下是一個FDS輸入文件的簡化示例，用于模擬儲罐火災：MESH,

NAME="Chemical_Plant",

NX=200,NY=100,NZ=50,

DX=0.2,DY=0.2,DZ=0.2,

ORIGIN=(0,0,0),

X=(0,40),Y=(0,20),Z=(0,10);

SURF,

NAME="Tank_Surface",

MATERIAL="TANK",

THICKNESS=0.1,

X=(10,30),Y=(5,15),Z=(0,5);

FIRE,

NAME="Tank_Fire",

SURF="Tank_Surface",

QDOT=5000000,

TSTART=0,

TEND=3600;

VENT,

NAME="Ventilation",

SURF="Tank_Surface",

X=(10,30),Y=(5,15),Z=(5,5),

FLOW=1000,

TSTART=0,

TEND=3600;5.2.3代碼解釋MESH：定義了化工廠的網格結構，考慮到工業(yè)設施的規(guī)模，網格尺寸和數量相應增加。SURF：定義了儲罐的表面，包括材料類型和位置。FIRE：定義了儲罐火災，包括熱釋放速率和時間范圍。VENT：定義了通風系統，包括通風口的位置、流量和時間范圍。通過運行上述FDS輸入文件，可以分析儲罐火災對周圍環(huán)境的影響，包括熱輻射、煙氣擴散和通風效果。5.3大型公共建筑火災分析大型公共建筑，如購物中心、體育館和機場，由于其復雜的空間結構和高人流量，火災風險評估尤為重要。FDS可以模擬這些場景，幫助設計有效的疏散路徑和防火措施。5.3.1模擬設置在大型公共建筑火災模擬中，需要詳細定義建筑的幾何結構、材料屬性、人員分布和疏散行為。此外，還需要考慮建筑的通風系統和外部環(huán)境的影響。5.3.2數據樣例假設我們正在模擬一個購物中心的火災，其中包含多個樓層和商店。以下是一個FDS輸入文件的簡化示例：MESH,

NAME="Shopping_Mall",

NX=300,NY=200,NZ=100,

DX=0.3,DY=0.3,DZ=0.3,

ORIGIN=(0,0,0),

X=(0,90),Y=(0,60),Z=(0,30);

SURF,

NAME="Shop_Surface",

MATERIAL="SHOP",

THICKNESS=0.05,

X=(40,50),Y=(30,40),Z=(0,3);

FIRE,

NAME="Shop_Fire",

SURF="Shop_Surface",

QDOT=2000000,

TSTART=0,

TEND=3600;

VENT,

NAME="Mall_Ventilation",

SURF="Mall_Roof",

X=(0,90),Y=(0,60),Z=(30,30),

FLOW=5000,

TSTART=0,

TEND=3600;5.3.3代碼解釋MESH：定義了購物中心的網格結構，考慮到大型公共建筑的復雜性，網格更加精細。SURF：定義了商店的表面，包括材料類型和位置。FIRE：定義了商店火災，包括熱釋放速率和時間范圍。VENT：定義了購物中心的通風系統，包括通風口的位置、流量和時間范圍。通過運行上述FDS輸入文件，可以評估火災在購物中心中的蔓延速度、煙氣流動路徑和人員疏散的安全性。以上案例展示了FDS在不同場景下的應用，通過精確的模擬，可以為火災安全提供重要的數據支持和決策依據。6結果解讀與后處理6.1結果文件解析在使用FDS（火災動力學模擬）軟件進行火災煙氣流動模擬后，生成的結果文件包含了豐富的數據，這些數據對于理解火災行為、煙氣擴散模式以及評估安全策略至關重要。FDS輸出多種類型的文件，包括：.smv：模擬配置文件，包含了模擬的所有參數設置。.fds：用戶輸入的原始文件。.fdu：用戶輸入文件的二進制版本，用于快速加載和模擬。.fdua：包含所有網格數據的二進制文件。.fduh：包含歷史數據的二進制文件，用于時間序列分析。.fduv：包含矢量數據的二進制文件，用于流場可視化。.fduq：包含質量分數數據的二進制文件，用于煙氣成分分析。6.1.1示例：解析.fdua文件假設我們有一個名為example.fdua的結果文件，我們可以使用FDS自帶的工具fdsview來解析和可視化這些數據。但是，如果需要進行更深入的數據分析，可以使用Python的netCDF4庫來讀取.fdua文件，因為FDS的結果文件是基于netCDF格式的。importnetCDF4asnc

#打開.fdua文件

fdua_file=nc.Dataset('example.fdua','r')

#讀取時間數據

time=fdua_file.variables['TIME'][:]

#讀取溫度數據

temperature=fdua_file.variables['TEMPERATURE'][:]

#讀取煙氣濃度數據

smoke_concentration=fdua_file.variables['SMOKE_DENSITY'][:]

#打印數據形狀，以了解數據的維度

print("Timeshape:",time.shape)

print("Temperatureshape:",temperature.shape)

print("Smokeconcentrationshape:",smoke_concentration.shape)

#關閉文件

fdua_file.close()這段代碼展示了如何讀取.fdua文件中的時間、溫度和煙氣濃度數據。通過netCDF4.Dataset方法，我們可以打開文件并訪問其中的變量。variables屬性返回一個字典，其中鍵是變量名，值是變量對象。使用[:]可以讀取整個變量的數據。6.2可視化工具使用可視化是理解FDS模擬結果的關鍵步驟。FDS自帶的fdsview工具提供了強大的可視化功能，包括煙氣流動、溫度分布、煙氣成分等的三維動畫展示。此外，還可以使用其他可視化軟件，如Paraview或Mayavi，來進一步分析和展示數據。6.2.1示例：使用fdsview進行可視化假設我們完成了模擬，現在想要使用fdsview來查看煙氣流動的動畫。打開fdsview。選擇example.fdua文件作為輸入。在界面中選擇“煙氣密度”或“溫度”等變量進行可視化。調整時間滑塊來查看不同時間點的模擬結果。使用工具欄上的選項來調整視圖、顏色映射等。6.3數據分析與報告生成數據分析是將原始數據轉化為有意義信息的過程。在火災模擬中，這可能包括計算煙氣擴散速度、評估人員疏散時間、分析熱釋放率等。報告生成則是將分析結果以清晰、有條理的方式呈現給非技術受眾。6.3.1示例：使用Python進行數據分析假設我們想要分析煙氣擴散速度，可以使用以下Python代碼：importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#假設我們已經讀取了煙氣濃度數據

#smoke_concentration是一個三維數組，形狀為(time,x,y)

#計算煙氣擴散速度

#假設煙氣濃度超過0.5視為煙氣區(qū)域

smoke_area=smoke_concentration>0.5

smoke_speed=np.gradient(smoke_area,axis=0)

#繪制煙氣擴散速度隨時間變化的圖表

plt.figure()

plt.plot(time,np.sum(smoke_speed,axis=(1,2)))

plt.xlabel('時間(s)')

plt.ylabel('煙氣擴散速度')

plt.title('煙氣擴散速度隨時間變化')

plt.show()這段代碼首先定義了煙氣區(qū)域，然后使用numpy.gradient來計算煙氣區(qū)域隨時間的變化率，即煙氣擴散速度。最后，使用matplotlib庫來繪制煙氣擴散速度隨時間變化的圖表。6.3.2報告生成報告生成可以使用LaTeX、MicrosoftWord或Python的pandas和matplotlib庫來創(chuàng)建專業(yè)級的報告。報告應包括模擬設置、結果摘要、數據分析、圖表和結論。importpandasaspd

#創(chuàng)建數據框

data={'時間(s)':time,'煙氣擴散速度':np.sum(smoke_speed,axis=(1,2))}

df=pd.DataFrame(data)

#使用pandas生成報告

withpd.ExcelWriter('smoke_spread_analysis.xlsx')aswriter:

df.to_excel(writer,sheet_name='煙氣擴散速度',index=False)

#使用matplotlib生成圖表并保存

plt.figure()

plt.plot(df['時間(s)'],df['煙氣擴散速度'])

plt.xlabel('時間(s)')

plt.ylabel('煙氣擴散速度')

plt.title('煙氣擴散速度隨時間變化')

plt.savefig('smoke_spread_speed.png')這段代碼展示了如何使用pandas庫創(chuàng)建一個Excel報告，并使用matplotlib生成圖表并保存為圖片。這樣，報告和圖表可以被整合到一個更全面的文檔中，如Word或PDF報告，以提供給項目團隊或客戶。通過以上步驟，我們可以有效地解析FDS的結果文件，使用可視化工具來直觀地理解模擬結果，并通過數據分析和報告生成來傳達關鍵信息。這不僅有助于項目團隊的決策，也能夠為非技術受眾提供清晰的火災行為和煙氣流動模式的解釋。7最佳實踐7.1模型驗證與確認在燃燒仿真領域，尤其是使用FDS（火災動力學模擬）軟件進行火災煙氣流動模擬時，模型驗證與確認是確保模擬結果可靠性的關鍵步驟。模型驗證（Validation）是指將模型的預測結果與實驗數據進行比較，以評估模型的準確性。模型確認（Verification）則是檢查模型是否正確實現了理論和算法，確保計算過程無誤。7.1.1模型驗證7.1.1.1原理模型驗證通常涉及以下步驟：1.選擇實驗數據：選取與模擬場景相匹配的實驗數據，這些數據應包括火災的初始條件、邊界條件以及實驗結果。2.模擬設置：在FDS中設置與實驗相同的條件，包括燃料類型、通風條件、幾何結構等。3.結果比較：將模擬結果與實驗數據進行對比，分析兩者之間的差異。4.誤差評估：計算預測值與實驗值之間的誤差，如均方根誤差（RMSE）或平均絕對誤差（MAE）。7.1.1.2內容實驗數據選擇：例如，選擇一個已知的火災實驗，如“池火實驗”，其數據包括火焰高度、煙氣溫度和煙氣成分。模擬設置：在FDS中，使用FDS_INPUT文件定義實驗條件，包括燃料類型（如H2）、通風口位置和大?。ㄈ鏥ENT命令）。結果比較：使用FDS_OUTPUT文件中的HISTORY和ISOSURFACE命令來輸出火焰高度、煙氣溫度和成分，然后與實驗數據對比。誤差評估