燃燒仿真軟件：FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）：FDS模型建立與網(wǎng)格劃分教程

燃燒仿真軟件：FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）：FDS模型建立與網(wǎng)格劃分教程1FDS軟件簡(jiǎn)介1.1FDS的基本原理FDS(FireDynamicsSimulator)是一個(gè)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開(kāi)發(fā)的大型火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件。它基于第一原理的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，使用大渦模擬(LES)技術(shù)來(lái)模擬火災(zāi)的傳播和煙氣流動(dòng)。FDS的核心是解決Navier-Stokes方程，這是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程組，包括了質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的原理。1.1.1質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程描述了在任意控制體積內(nèi)，流體的質(zhì)量隨時(shí)間的變化率等于流體通過(guò)該控制體積邊界流入和流出的質(zhì)量差。在FDS中，這一方程被用來(lái)計(jì)算流體密度的變化，從而反映煙氣和空氣的混合過(guò)程。1.1.2動(dòng)量守恒方程動(dòng)量守恒方程描述了流體動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于作用在控制體積上的外力和內(nèi)力的總和。在火災(zāi)模擬中，這包括了重力、壓力梯度力、粘性力以及由于燃燒產(chǎn)生的推力等。1.1.3能量守恒方程能量守恒方程描述了流體能量隨時(shí)間的變化率等于能量的流入和流出，以及能量的產(chǎn)生和消耗。在火災(zāi)模擬中，能量的產(chǎn)生主要來(lái)自于燃燒反應(yīng)，而能量的消耗則包括了對(duì)流、輻射和對(duì)流換熱等過(guò)程。1.1.4大渦模擬(LES)大渦模擬是一種用于模擬湍流的數(shù)值方法，它通過(guò)直接求解大尺度渦旋的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)小尺度渦旋進(jìn)行模型化處理。在FDS中，LES被用來(lái)模擬火災(zāi)中煙氣的湍流擴(kuò)散，以及火焰的不穩(wěn)定性。1.2FDS的應(yīng)用領(lǐng)域FDS廣泛應(yīng)用于火災(zāi)安全工程的各個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：建筑設(shè)計(jì)與安全評(píng)估：通過(guò)模擬火災(zāi)在建筑物中的傳播，評(píng)估建筑物的防火性能，為建筑設(shè)計(jì)提供安全指導(dǎo)。火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)：模擬煙氣和熱氣的擴(kuò)散，優(yōu)化火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警系統(tǒng)的布局，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。消防策略制定：模擬不同消防策略下的火災(zāi)控制效果，為消防部門(mén)提供決策支持?；馂?zāi)事故調(diào)查：通過(guò)重建火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，分析火災(zāi)發(fā)生的原因和傳播過(guò)程，為火災(zāi)事故的調(diào)查和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)?；馂?zāi)教育與培訓(xùn)：創(chuàng)建虛擬火災(zāi)場(chǎng)景，用于消防人員的培訓(xùn)和公眾的火災(zāi)安全教育。1.2.1示例：FDS模型建立與網(wǎng)格劃分在FDS中建立模型和進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通常需要通過(guò)編寫(xiě)輸入文件來(lái)完成。輸入文件是一個(gè)文本文件，包含了模型的幾何信息、材料屬性、邊界條件、初始條件以及網(wǎng)格劃分的參數(shù)等。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的FDS輸入文件示例，用于模擬一個(gè)房間內(nèi)的火災(zāi)：!FDSInputFileExample

!RoomFireSimulation

MISC1{

NAME"FireSource";

TYPEPOLYGON;

POLYGON0.00.00.00.01.00.01.01.00.01.0;

Q_HRR1000000.0;

}

MATERIAL"Wood"{

DENSITY600.0;

SPEC_HEAT1200.0;

T_DECOM300.0;

YIELD0.05;

}

ZONE"Room"{

TYPEPOLYGON;

POLYGON0.00.00.00.010.00.010.010.00.010.00.00.0;

MATERIAL"Wood";

}

MESH"RoomMesh"{

I_MIN1;I_MAX10;

J_MIN1;J_MAX10;

K_MIN1;K_MAX10;

DX1.0;DY1.0;DZ1.0;

}在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè)名為“FireSource”的火源，它是一個(gè)位于房間角落的多邊形，初始熱釋放率為1000000瓦特。我們還定義了一種名為“Wood”的材料，用于模擬房間的墻壁，其密度為600千克/立方米，比熱容為1200焦耳/千克·開(kāi)爾文，分解溫度為300開(kāi)爾文，分解產(chǎn)物的產(chǎn)率為0.05。最后，我們定義了一個(gè)名為“Room”的區(qū)域，它是一個(gè)10米×10米×10米的立方體房間，使用“Wood”材料。網(wǎng)格劃分部分定義了一個(gè)名為“RoomMesh”的網(wǎng)格，它將房間劃分為10×10×10個(gè)單元，每個(gè)單元的尺寸為1米。通過(guò)這個(gè)輸入文件，F(xiàn)DS可以建立一個(gè)房間火災(zāi)的模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為后續(xù)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬提供基礎(chǔ)。1.2.2結(jié)論FDS作為一款先進(jìn)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件，其強(qiáng)大的模擬能力和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使其成為火災(zāi)安全工程領(lǐng)域不可或缺的工具。通過(guò)理解和掌握FDS的基本原理和應(yīng)用方法，可以有效地進(jìn)行火災(zāi)模擬，為火災(zāi)安全提供科學(xué)的指導(dǎo)和決策支持。2模型建立基礎(chǔ)2.1定義模型區(qū)域在進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，首先需要定義模型區(qū)域，即火災(zāi)發(fā)生的環(huán)境。這一步驟對(duì)于準(zhǔn)確模擬火災(zāi)行為至關(guān)重要。FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件允許用戶(hù)通過(guò)指定幾何形狀和尺寸來(lái)定義模型區(qū)域。模型區(qū)域可以是簡(jiǎn)單的矩形空間，也可以是復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，如多層建筑、隧道或飛機(jī)內(nèi)部。2.1.1原理FDS使用笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)定義模型區(qū)域。用戶(hù)需要指定模型的長(zhǎng)度、寬度和高度，以及模型的原點(diǎn)位置。模型區(qū)域的定義直接影響到網(wǎng)格的劃分，進(jìn)而影響到計(jì)算的精度和效率。2.1.2內(nèi)容在FDS中，模型區(qū)域的定義通常在輸入文件中通過(guò)MESH命令完成。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示如何定義一個(gè)模型區(qū)域：MESH

ORIGIN=0.0,0.0,0.0

XSIZE=10.0,10.0,10.0

DELTAS=0.1,0.1,0.1

/在這個(gè)例子中，模型的原點(diǎn)被設(shè)置在(0.0,0.0,0.0)，模型的尺寸為10.0米x10.0米x10.0米，網(wǎng)格的大小為0.1米x0.1米x0.1米。這意味著模型區(qū)域?qū)⒈粍澐譃?000個(gè)網(wǎng)格單元。2.2設(shè)置邊界條件邊界條件是燃燒仿真中另一個(gè)關(guān)鍵因素，它描述了模型區(qū)域與外部環(huán)境的交互。在FDS中，邊界條件可以是開(kāi)放的、封閉的、對(duì)流的或輻射的，每種條件都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景。2.2.1原理邊界條件決定了模型區(qū)域的邊界如何處理熱量、煙霧和氣體的流動(dòng)。例如，開(kāi)放邊界允許物質(zhì)自由進(jìn)出，而封閉邊界則阻止任何物質(zhì)的交換。對(duì)流和輻射邊界條件則考慮了邊界上的熱交換過(guò)程。2.2.2內(nèi)容在FDS中，邊界條件通常通過(guò)WALL、OPEN、VENT等命令來(lái)設(shè)置。下面是一個(gè)示例，展示如何設(shè)置一個(gè)開(kāi)放邊界：OPEN

NAME="OPEN1"

SURF=1

X=0.0,10.0,0.0,10.0,0.0,0.0

/在這個(gè)例子中，OPEN1被定義為一個(gè)開(kāi)放邊界，它位于模型的底部（Z=0.0）。邊界的位置由X和Y坐標(biāo)定義，這里是一個(gè)矩形區(qū)域，從X=0.0到X=10.0，從Y=0.0到Y(jié)=10.0。設(shè)置封閉邊界則可以使用WALL命令：WALL

NAME="WALL1"

SURF=2

X=0.0,0.0,0.0,10.0,0.0,10.0

/在這個(gè)例子中，WALL1定義了一個(gè)封閉的邊界，它位于模型的左側(cè)（X=0.0），阻止任何物質(zhì)的進(jìn)出。2.2.3總結(jié)定義模型區(qū)域和設(shè)置邊界條件是進(jìn)行燃燒仿真的基礎(chǔ)步驟。通過(guò)精確地定義這些參數(shù)，可以確保FDS軟件能夠準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)在特定環(huán)境中的行為。網(wǎng)格的大小和邊界條件的類(lèi)型直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算的效率，因此在實(shí)際操作中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。注意：上述內(nèi)容中包含的FDS命令和參數(shù)是基于FDS軟件的通用用法，具體版本的FDS可能在語(yǔ)法或參數(shù)上有所不同。在實(shí)際使用中，應(yīng)參考最新版本的FDS用戶(hù)手冊(cè)或官方文檔。3燃燒仿真參數(shù)設(shè)置3.1燃料特性輸入在進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，準(zhǔn)確輸入燃料的特性是至關(guān)重要的。燃料特性包括但不限于燃料的化學(xué)成分、熱值、密度、揮發(fā)性等。這些參數(shù)直接影響燃燒過(guò)程的模擬結(jié)果，包括火焰的傳播速度、燃燒產(chǎn)物的生成、煙氣的溫度和成分等。3.1.1示例：燃料特性定義在FDS中，燃料特性通常通過(guò)MATERIAL和FUEL命令來(lái)定義。下面是一個(gè)定義木材燃料特性的示例：MATERIAL,

NAME,"WOOD",

DENSITY,500.0,!-kg/m^3

SPEC_HEAT,1250.0,!-J/kg/K

THERMAL_CONDUCTIVITY,0.15,!-W/m/K

THERMAL_DIFFUSIVITY,3.0e-7,!-m^2/s

EMISSIVITY,0.8,!--

REFRACTIVITY,0.0,!--

REFRACTIVE_INDEX,1.0,!--

ABSORPTION_COEFF,0.0,!-1/m

SPECULAR_REFLECTION,0.0,!--

DIFFUSE_REFLECTION,0.2,!--

DIFFUSE_TRANSMISSION,0.0,!--

REFRACTIVE_TRANSMISSION,0.0,!--

;

FUEL,

NAME,"WOOD",

YIELD,0.8,!-kg/kg

HEAT_OF_COMBUSTION,17000000.0,!-J/kg

;在這個(gè)例子中，我們定義了名為WOOD的材料，其密度為500kg/m^3，比熱容為1250J/kg/K，熱導(dǎo)率為0.15W/m/K等。接著，我們通過(guò)FUEL命令定義了木材的燃燒特性，包括燃燒時(shí)的產(chǎn)率和燃燒熱。3.2火源參數(shù)配置火源參數(shù)配置是燃燒仿真中的另一個(gè)關(guān)鍵步驟?；鹪吹拇笮　⑽恢?、燃燒速率、初始溫度等參數(shù)的設(shè)置，直接影響到火災(zāi)的發(fā)展和蔓延。3.2.1示例：火源參數(shù)設(shè)置在FDS中，火源通常通過(guò)FIRE或HEAT_SOURCE命令來(lái)定義。下面是一個(gè)定義火源的示例：FIRE,

NAME,"FIRE1",

TYPE,"HEAT_FLUX",

LOCATION,10.0,10.0,0.0,!-m

SIZE,2.0,2.0,2.0,!-m

HEAT_FLUX,50000.0,!-W/m^2

;在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)名為FIRE1的火源，其類(lèi)型為HEAT_FLUX，表示通過(guò)熱通量來(lái)模擬火源?；鹪吹奈恢迷?10.0,10.0,0.0)m，大小為2.0mx2.0mx2.0m，熱通量為50000W/m^2。3.2.2火源參數(shù)詳解NAME:火源的名稱(chēng)，用于在仿真中引用。TYPE:火源的類(lèi)型，可以是HEAT_FLUX（熱通量）、HEAT_RELEASE_RATE（熱釋放率）等。LOCATION:火源的三維位置坐標(biāo)。SIZE:火源的三維大小。HEAT_FLUX或HEAT_RELEASE_RATE:根據(jù)火源類(lèi)型，設(shè)置熱通量或熱釋放率。通過(guò)這些參數(shù)的精確設(shè)置，可以模擬不同條件下的火災(zāi)場(chǎng)景，為火災(zāi)安全設(shè)計(jì)和評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。以上內(nèi)容詳細(xì)介紹了在FDS中進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，燃料特性和火源參數(shù)的設(shè)置方法。通過(guò)這些設(shè)置，可以構(gòu)建出更加貼近實(shí)際的火災(zāi)模型，為火災(zāi)研究和預(yù)防提供有力支持。4網(wǎng)格劃分技術(shù)4.1網(wǎng)格類(lèi)型選擇在進(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)，網(wǎng)格類(lèi)型的選擇是至關(guān)重要的第一步。FDS支持多種網(wǎng)格類(lèi)型，包括：CartesianGrids（笛卡爾網(wǎng)格）:這是最常用的網(wǎng)格類(lèi)型，它基于直角坐標(biāo)系，提供了一個(gè)均勻的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，便于計(jì)算和結(jié)果分析。笛卡爾網(wǎng)格在處理規(guī)則幾何形狀時(shí)特別有效。Non-UniformGrids（非均勻網(wǎng)格）:在某些情況下，為了提高特定區(qū)域的計(jì)算精度，可以使用非均勻網(wǎng)格。這種網(wǎng)格允許在感興趣區(qū)域（如火焰附近）使用更細(xì)的網(wǎng)格，而在其他區(qū)域使用較粗的網(wǎng)格，以節(jié)省計(jì)算資源。AdaptiveGrids（自適應(yīng)網(wǎng)格）:自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)根據(jù)模擬過(guò)程中的物理現(xiàn)象自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度。這在處理動(dòng)態(tài)變化的火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)非常有用，可以確保在需要的地方保持高精度。4.1.1選擇網(wǎng)格類(lèi)型的考慮因素幾何復(fù)雜性:對(duì)于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，非均勻或自適應(yīng)網(wǎng)格可能更合適，以確保關(guān)鍵區(qū)域的精度。計(jì)算資源:更細(xì)的網(wǎng)格需要更多的計(jì)算資源。在資源有限的情況下，優(yōu)化網(wǎng)格密度以平衡精度和效率是必要的。物理現(xiàn)象:如果模擬中包含快速變化的物理現(xiàn)象，如火焰?zhèn)鞑?，自適應(yīng)網(wǎng)格可以提供動(dòng)態(tài)的精度控制。4.2網(wǎng)格尺寸與精度控制網(wǎng)格尺寸的選擇直接影響到模擬的精度和計(jì)算效率。在FDS中，網(wǎng)格尺寸的設(shè)置需要仔細(xì)考慮，以確保模型既準(zhǔn)確又高效。4.2.1網(wǎng)格尺寸的影響精度:較小的網(wǎng)格尺寸可以提供更高的局部精度，但會(huì)增加計(jì)算時(shí)間和資源需求。穩(wěn)定性:網(wǎng)格尺寸過(guò)小可能導(dǎo)致數(shù)值不穩(wěn)定，而過(guò)大則可能忽略重要的物理細(xì)節(jié)。4.2.2精度控制策略在FDS中，可以通過(guò)以下策略來(lái)控制網(wǎng)格精度：局部細(xì)化（LocalRefinement）:在特定區(qū)域（如火焰核心或煙氣流動(dòng)的關(guān)鍵路徑）使用更小的網(wǎng)格尺寸，而在其他區(qū)域使用較大的網(wǎng)格尺寸。這可以通過(guò)在輸入文件中定義特定的網(wǎng)格區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化（AdaptiveMeshRefinement,AMR）:FDS支持AMR，允許在模擬過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度。這通常基于物理量的梯度，如溫度或煙氣濃度，以確保在變化最劇烈的區(qū)域保持高精度。4.2.3示例：局部細(xì)化假設(shè)我們正在模擬一個(gè)房間內(nèi)的火災(zāi)，我們希望在火焰附近獲得更高的精度。以下是一個(gè)FDS輸入文件中局部細(xì)化的示例：!FDSInputFile

!LocalRefinementExample

MESH,

X1,Y1,Z1=0.0,0.0,0.0,

X2,Y2,Z2=10.0,10.0,3.0,

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

NX,NY,NZ=20,20,6;

MESH,

X1,Y1,Z1=2.0,2.0,0.0,

X2,Y2,Z2=8.0,8.0,3.0,

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

NX,NY,NZ=60,60,30;在這個(gè)例子中，我們定義了兩個(gè)網(wǎng)格區(qū)域。第一個(gè)網(wǎng)格覆蓋整個(gè)房間，使用較大的網(wǎng)格尺寸（0.5m）。第二個(gè)網(wǎng)格覆蓋房間中心的區(qū)域，使用更小的網(wǎng)格尺寸（0.1m），以獲得更高的局部精度。4.2.4示例：自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化FDS的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化功能允許在模擬過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)格密度。以下是一個(gè)使用AMR的FDS輸入文件示例：!FDSInputFile

!AdaptiveMeshRefinementExample

MESH,

X1,Y1,Z1=0.0,0.0,0.0,

X2,Y2,Z2=10.0,10.0,3.0,

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

NX,NY,NZ=20,20,6;

AMR,

VAR=TEMP,

THRESH=500.0,

FACTOR=2.0;在這個(gè)例子中，我們首先定義了一個(gè)覆蓋整個(gè)房間的網(wǎng)格，使用較大的網(wǎng)格尺寸（0.5m）。然后，我們啟用了自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化，基于溫度（VAR=TEMP）的梯度。當(dāng)溫度超過(guò)500.0時(shí)，網(wǎng)格將自動(dòng)細(xì)化，網(wǎng)格尺寸將減半（FACTOR=2.0）。通過(guò)這些策略，可以有效地控制FDS中的網(wǎng)格精度，確保模擬結(jié)果既準(zhǔn)確又高效。在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要根據(jù)具體場(chǎng)景和計(jì)算資源進(jìn)行多次迭代和優(yōu)化，以找到最佳的網(wǎng)格設(shè)置。5FDS輸入文件編寫(xiě)5.1輸入文件結(jié)構(gòu)解析FDS(FireDynamicsSimulator)是一個(gè)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開(kāi)發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件，用于模擬火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣流動(dòng)和熱傳播。FDS的輸入文件采用純文本格式，遵循特定的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，以描述模擬場(chǎng)景的幾何、材料、邊界條件、初始條件和源等信息。5.1.1輸入文件的基本結(jié)構(gòu)FDS輸入文件由一系列的關(guān)鍵詞塊組成，每個(gè)關(guān)鍵詞塊描述了模型的某個(gè)方面。關(guān)鍵詞塊的格式如下：<KEYWORD>{

<PARAMETER><VALUE>

<PARAMETER><VALUE>

...

}其中，<KEYWORD>是描述塊功能的關(guān)鍵詞，<PARAMETER>是需要設(shè)置的參數(shù)，<VALUE>是參數(shù)的值。5.1.2關(guān)鍵詞塊示例5.1.2.1MESHMESH{

NAME'Mesh1'

NX100NY50NZ25

DX0.5DY0.5DZ0.5

ORIGIN0.00.00.0

}NAME:網(wǎng)格的名稱(chēng)。NXNYNZ:網(wǎng)格在X、Y、Z方向上的單元格數(shù)量。DXDYDZ:網(wǎng)格在X、Y、Z方向上的單元格大小。ORIGIN:網(wǎng)格的原點(diǎn)坐標(biāo)。5.1.2.2SURFSURF{

ID1

NAME'Wall'

MATERIAL'Concrete'

}ID:表面的唯一標(biāo)識(shí)符。NAME:表面的名稱(chēng)。MATERIAL:表面材料的名稱(chēng)，影響熱傳導(dǎo)和煙氣吸收。5.1.2.3ZONEZONE{

ID1

NAME'Room1'

TYPE'OPEN'

SURF111111

}ID:區(qū)域的唯一標(biāo)識(shí)符。NAME:區(qū)域的名稱(chēng)。TYPE:區(qū)域類(lèi)型，如’OPEN’表示開(kāi)放空間。SURF:表面ID列表，定義區(qū)域的邊界。5.2關(guān)鍵參數(shù)詳解5.2.1MATERIAL材料參數(shù)定義了表面的物理屬性，包括熱導(dǎo)率、比熱、密度、煙氣生成率等。例如：MATERIAL{

NAME'Concrete'

THERMALCONDUCTIVITY1.7

SPECIFIC_HEAT880

DENSITY2400

}CONDUCTIVITY:熱導(dǎo)率，單位為W/(m·K)。SPECIFIC_HEAT:比熱，單位為J/(kg·K)。DENSITY:密度，單位為kg/m3。5.2.2FIRE火災(zāi)源的定義，包括位置、形狀、熱釋放率等。例如：FIRE{

ID1

NAME'Fire1'

TYPE'CONE'

X5.0Y5.0Z0.0

QDOT1000

}ID:火災(zāi)源的唯一標(biāo)識(shí)符。NAME:火災(zāi)源的名稱(chēng)。TYPE:火災(zāi)源的類(lèi)型，如’CONE’表示錐形火源。XYZ:火災(zāi)源的坐標(biāo)。QDOT:熱釋放率，單位為kW。5.2.3VENT通風(fēng)口的定義，用于模擬空氣和煙氣的進(jìn)出。例如：VENT{

ID1

NAME'Vent1'

TYPE'OPEN'

X10.0Y10.0Z3.0

AREA1.0

}ID:通風(fēng)口的唯一標(biāo)識(shí)符。NAME:通風(fēng)口的名稱(chēng)。TYPE:通風(fēng)口類(lèi)型，如’OPEN’表示開(kāi)放通風(fēng)口。XYZ:通風(fēng)口的坐標(biāo)。AREA:通風(fēng)口的面積，單位為m2。5.2.4TIME時(shí)間參數(shù)，用于控制模擬的時(shí)間步長(zhǎng)和持續(xù)時(shí)間。例如：TIME{

DT0.1

TEND3600

}DT:時(shí)間步長(zhǎng)，單位為秒。TEND:模擬結(jié)束時(shí)間，單位為秒。5.2.5POST后處理參數(shù)，定義輸出數(shù)據(jù)的類(lèi)型和頻率。例如：POST{

TYPE'VOLUME'

NAME'Room1'

DT10

}TYPE:輸出數(shù)據(jù)的類(lèi)型，如’VOLUME’表示區(qū)域內(nèi)的體積數(shù)據(jù)。NAME:輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的區(qū)域名稱(chēng)。DT:輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，單位為秒。通過(guò)上述關(guān)鍵詞塊和參數(shù)的組合，可以詳細(xì)地定義一個(gè)火災(zāi)模擬場(chǎng)景，包括幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、火災(zāi)源、通風(fēng)條件和輸出需求。FDS的輸入文件編寫(xiě)是模擬準(zhǔn)備的關(guān)鍵步驟，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和研究目的進(jìn)行細(xì)致的設(shè)置。6案例分析與實(shí)踐6.1簡(jiǎn)單燃燒場(chǎng)景建模在進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，使用FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件建立模型是一個(gè)關(guān)鍵步驟。FDS采用大渦模擬(LES)方法，能夠精確模擬火災(zāi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括燃燒、煙氣流動(dòng)、熱輻射等。下面，我們將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的燃燒場(chǎng)景來(lái)演示如何使用FDS進(jìn)行建模。6.1.1場(chǎng)景描述假設(shè)我們有一個(gè)10mx10mx10m的封閉房間，房間中央放置了一個(gè)1mx1mx1m的燃燒源。我們將模擬這個(gè)燃燒源在房間內(nèi)的燃燒過(guò)程，以及煙氣的擴(kuò)散。6.1.2FDS模型建立FDS模型的建立主要通過(guò)編寫(xiě)輸入文件來(lái)完成，輸入文件通常是一個(gè)文本文件，包含了模型的幾何信息、材料屬性、邊界條件、初始條件等。6.1.2.1幾何信息首先，我們需要定義房間的幾何信息。在FDS中，這通常通過(guò)MESH命令來(lái)完成。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的MESH命令示例：MESH10.00.00.010.010.010.01.01.01.0這里，MESH1定義了第一個(gè)網(wǎng)格，0.00.00.0是網(wǎng)格的起點(diǎn)坐標(biāo)，10.010.010.0是網(wǎng)格的尺寸，1.01.01.0是網(wǎng)格的分辨率。6.1.2.2燃燒源定義接下來(lái)，我們需要定義燃燒源。在FDS中，這通常通過(guò)SURF和HEAT命令來(lái)完成。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的燃燒源定義示例：SURF100"BURNER"111111111111111111111111111111

HEAT1001001.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0SURF100定義了表面100，HEAT100則定義了在表面100上的熱釋放。這里，我們假設(shè)燃燒源是一個(gè)完全封閉的立方體，熱釋放均勻分布在其表面。6.1.2.3材料屬性定義材料屬性對(duì)于模擬燃燒過(guò)程至關(guān)重要。在FDS中，這通常通過(guò)MATERIAL命令來(lái)完成。例如，我們可以定義燃燒源的材料屬性如下：MATERIAL100"BURNER_MATERIAL"1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0這里，MATERIAL100定義了材料100，BURNER_MATERIAL是材料的名稱(chēng)，后續(xù)的數(shù)值定義了材料的物理屬性，如密度、熱導(dǎo)率等。6.1.3運(yùn)行FDS一旦模型建立完成，我們可以通過(guò)FDS的命令行界面來(lái)運(yùn)行仿真。運(yùn)行命令通常如下：fdsinput.fds這里，input.fds是你的FDS輸入文件的名稱(chēng)。6.1.4結(jié)果分析FDS仿真完成后，會(huì)生成一系列的輸出文件，包括溫度、速度、煙氣濃度等。這些文件可以使用FDS自帶的可視化工具fdsview來(lái)查看和分析。6.2復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境仿真在處理更復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境時(shí)，F(xiàn)DS的建模和仿真過(guò)程會(huì)更加復(fù)雜。例如，考慮一個(gè)包含多個(gè)燃燒源、不同材料、以及復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景。下面，我們將通過(guò)一個(gè)示例來(lái)演示如何處理這種復(fù)雜場(chǎng)景。6.2.1場(chǎng)景描述假設(shè)我們有一個(gè)大型的商業(yè)建筑，建筑內(nèi)部有多個(gè)燃燒源，包括家具、電器等。建筑的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括多個(gè)樓層、樓梯、電梯井等。我們的目標(biāo)是模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣在建筑內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程，以及人員疏散的安全性。6.2.2FDS模型建立對(duì)于這種復(fù)雜場(chǎng)景，我們需要更詳細(xì)的定義每個(gè)燃燒源、材料屬性、以及建筑的幾何結(jié)構(gòu)。6.2.2.1燃燒源與材料屬性對(duì)于每個(gè)燃燒源，我們需要定義其位置、尺寸、熱釋放率等。同時(shí)，對(duì)于建筑內(nèi)部的每種材料，我們也需要定義其物理屬性。這可以通過(guò)多個(gè)SURF、HEAT和MATERIAL命令來(lái)完成。6.2.2.2幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，我們可能需要定義多個(gè)MESH，并使用WALL、FLOOR、CEILING等命令來(lái)定義建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。6.2.3運(yùn)行FDS對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景，我們可能需要更長(zhǎng)的仿真時(shí)間，以及更多的計(jì)算資源。在運(yùn)行FDS時(shí)，我們可能需要使用并行計(jì)算，或者在高性能計(jì)算集群上運(yùn)行。6.2.4結(jié)果分析對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景，結(jié)果分析也會(huì)更加復(fù)雜。我們可能需要分析煙氣在建筑內(nèi)部的擴(kuò)散路徑，人員疏散的安全性，以及火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響等。這通常需要使用更高級(jí)的可視化工具，以及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析工具。以上就是使用FDS進(jìn)行燃燒仿真的一些基本步驟和技巧。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可能需要根據(jù)具體場(chǎng)景，調(diào)整模型的參數(shù)，以及仿真設(shè)置，以獲得更精確的仿真結(jié)果。7結(jié)果分析與后處理7.1輸出數(shù)據(jù)解讀在使用FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件進(jìn)行燃燒仿真后，生成的輸出數(shù)據(jù)包含了豐富的火災(zāi)場(chǎng)景信息，包括但不限于溫度、煙氣濃度、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊取＿@些數(shù)據(jù)以特定的格式存儲(chǔ)，解讀這些數(shù)據(jù)是分析火災(zāi)行為、驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。7.1.1FDS輸出數(shù)據(jù)格式FDS的輸出數(shù)據(jù)主要分為兩種類(lèi)型：歷史數(shù)據(jù)（HistoryData）和網(wǎng)格數(shù)據(jù)（GridData）。歷史數(shù)據(jù)：記錄了指定位置或?qū)ο箅S時(shí)間變化的參數(shù)，如溫度、煙氣濃度等。這些數(shù)據(jù)通常以.hst文件格式存儲(chǔ)。網(wǎng)格數(shù)據(jù)：提供了整個(gè)模擬區(qū)域在不同時(shí)間點(diǎn)的詳細(xì)信息，包括溫度、壓力、速度等。網(wǎng)格數(shù)據(jù)以.gdt文件格式存儲(chǔ)。7.1.2示例：解讀.hst文件假設(shè)我們有一個(gè).hst文件，記錄了火災(zāi)中某點(diǎn)的溫度變化。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的.hst文件內(nèi)容示例：HISTORY:1

TIME:0.0000000E+00

TEMP:2.9315000E+02

...

TIME:1.0000000E+03

TEMP:1.0000000E+03在這個(gè)示例中，TIME列表示時(shí)間點(diǎn)，TEMP列表示該時(shí)間點(diǎn)的溫度。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，我們可以了解火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中溫度的變化趨勢(shì)。7.2可視化結(jié)果展示可視化是結(jié)果分析的重要環(huán)節(jié)，它幫助我們直觀地理解火災(zāi)動(dòng)態(tài)，包括火焰的傳播、煙氣的流動(dòng)、溫度和壓力的分布等。FDS提供了多種可視化工具，如Smokeview，用于生成2D和3D的可視化結(jié)果。7.2.1Smokeview使用示例Smokeview是FDS自帶的可視化工具，可以用來(lái)查看和分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)。下面是一個(gè)使用Smokeview查看網(wǎng)格數(shù)據(jù)的步驟示例：打開(kāi)Smokeview：在FDS安裝目錄下找到Smokeview程序并運(yùn)行。加載數(shù)據(jù)：選擇“File”菜單下的“Open”，然后選擇你的.gdt文件。選擇可視化類(lèi)型：在“Display”菜單中，你可以選擇不同的可視化類(lèi)型，如溫度、煙氣濃度、速度矢量等。調(diào)整時(shí)間：使用“Time”菜單來(lái)選擇不同的時(shí)間點(diǎn)，觀察火災(zāi)隨時(shí)間的演變。保存圖像或動(dòng)畫(huà)：使用“File”菜單下的“SaveImage”或“SaveAnimation”來(lái)保存你的可視化結(jié)果。7.2.2示例：使用Smokeview查看溫度分布假設(shè)我們已經(jīng)加載了一個(gè).gdt文件，接下來(lái)我們想查看火災(zāi)中某一時(shí)刻的溫度分布。在Smokeview中，我們選擇“Display”菜單下的“Temperature”，然后調(diào)整時(shí)間到我們感興趣的時(shí)刻。Smokeview將顯示一個(gè)彩色的溫度分布圖，顏色越深表示溫度越高。通過(guò)這種方式，我們可以清晰地看到火災(zāi)中溫度的分布情況，以及高溫區(qū)域的位置和范圍。7.2.3數(shù)據(jù)樣例與代碼雖然Smokeview是一個(gè)圖形界面工具，不直接使用代碼，但我們可以使用Python的matplotlib庫(kù)來(lái)讀取和可視化.hst文件中的歷史數(shù)據(jù)。下面是一個(gè)Python代碼示例，用于讀取和繪制.hst文件中的溫度數(shù)據(jù)：importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#讀取.hst文件

defread_hst(filename):

data=np.genfromtxt(filename,names=True,delimiter='')

returndata

#繪制溫度隨時(shí)間變化的圖表

defplot_temperature(data):

plt.figure()

plt.plot(data['TIME'],data['TEMP'])

plt.xlabel('時(shí)間(s)')

plt.ylabel('溫度(K)')

plt.title('火災(zāi)中某點(diǎn)的溫度變化')

plt.grid(True)

plt.show()

#主程序

if__name__=="__main__":

filename='example.hst'#假設(shè)這是你的.hst文件名

data=read_hst(filename)

plot_temperature(data)在這個(gè)示例中，我們首先定義了兩個(gè)函數(shù)：read_hst用于讀取.hst文件，plot_temperature用于繪制溫度隨時(shí)間變化的圖表。然后在主程序中，我們調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)來(lái)讀取文件并繪制圖表。通過(guò)這種方式，我們可以更深入地分析歷史數(shù)據(jù)，而不僅僅是通過(guò)Smokeview的圖形界面。通過(guò)上述步驟和示例，我們可以有效地解讀和可視化FDS的輸出數(shù)據(jù)，從而更好地理解火災(zāi)的動(dòng)態(tài)行為，為火災(zāi)安全設(shè)計(jì)和評(píng)估提供有力支持。8高級(jí)仿真技巧8.1多區(qū)域模型連接在FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬）軟件中，多區(qū)域模型連接是一種高級(jí)技巧，用于模擬大型或復(fù)雜建筑中的火災(zāi)行為，其中建筑被分割成多個(gè)相互連接的區(qū)域。這種分割可以提高計(jì)算效率，同時(shí)保持模型的準(zhǔn)確性。下面將詳細(xì)介紹如何在FDS中建立多區(qū)域模型連接。8.1.1原理多區(qū)域模型連接基于以下原理：區(qū)域劃分：將建筑空間劃分為多個(gè)較小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以獨(dú)立模擬。邊界條件：定義區(qū)域之間的邊界條件，包括開(kāi)口、門(mén)、窗等，以確保熱量、煙氣和空氣流動(dòng)的連續(xù)性。數(shù)據(jù)交換：通過(guò)定義的邊界條件，F(xiàn)DS在不同區(qū)域之間交換數(shù)據(jù)，如溫度、煙氣濃度和氣流速度，以模擬整個(gè)建筑的火災(zāi)動(dòng)態(tài)。8.1.2內(nèi)容8.1.2.1區(qū)域定義在FDS中，每個(gè)區(qū)域都由一個(gè)MESH命令定義，該命令指定區(qū)域的幾何形狀、網(wǎng)格大小和邊界條件。例如：MESH,

NAME="Room1",

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=0.3,

BC="WALL",

BC="WALL",