火灾模拟

FDS火灾FDS数值模拟李胜利工程系建筑防火教研室FDS火灾具有随机性和确定性的双重性规律。火灾规律研究手段研究方法随机性统计分析概率论、数理统计确定性试验模拟足尺寸、缩尺寸数值模拟质量守恒、动量守恒能量守恒、化学反应规律FDSGHACw)(wA——开口面积，m2；——比表面积，通常0.12~0.18m2/kg。H——开口高度，m；G——燃料重量，kg；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FDS火灾模型（公式、方程）求解微分方程编制火灾模拟软件建立火灾场景计算、整理结果火灾的模拟过程FDS模拟类型模拟方法模拟工具经验模拟经验公式经验公式半物理模拟常微分方程组区域模型物理模拟偏微分方程组场模型模拟分类FDS火灾模拟的应用■防火设计■火因调查■灭火指挥FDSⅠ火灾模拟的过程Ⅱ场景文件的格式ⅢFDS的基本命令ⅣFDS的网格设置Ⅴ热边界条件ⅥFDS的热解模型Ⅶ燃烧模型Ⅷ计算结果的输出Ⅸ通风Ⅹ粒子及其应用ⅪFDS的控制命令Ⅻ全局参数的设置ⅩⅢ并行计算ⅩⅣ建模工具FDS火灾模拟技术目录FDSFDS历史2000，第一版2001，第二版2002，第三版2004，第四版2007，第五版FDSFDS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FDSFDSFDS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FDS一、FDS火灾模拟的基本过程前处理模拟计算后处理NotepadFDSSmokeviewExcel、Origin场景文件结果文件FDS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FDS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。FDS3.每个命令由符号“&”开头，由符号“/”结尾。每个命令可占一行或多行，命令的注释可使用汉字。FDS4.参数的值可为整数、浮点数、字符串和逻辑值（.TRUE.和.FALSE.）6.场景文件由命令HEAD开头，命令TAIL结束。文件中的其他命令无先后次序之分。5.命令各参数及参数值间可用空格或逗号隔开。逗号输入时输入法应为英文状态。FDS三、FDS的基本命令&HEAD&TAIL&TIME&MESH&OBST&SURF&VENTFDS1、HEAD命令（1）CHID参数：指定输出文件的名字，默认值为FDS模型文件的文件名。&HEADCHID='test‘/FDS（2）TITLE参数：用于描述场景，60字符以内，可以为汉字。&HEADCHID='test',TITLE='教学示例场景文件'/2、TAIL命令：表示文件的结尾，无参数。无此命令时，光标应移至下一行。FDS3、TIME命令（1）T_END参数设置模拟持续时间，单位为s，默认值1s。（2）若&TIMET_END=0/，FDS只执行场景的初始化工作，生成模型文件供Smokeview显示，不进行模拟计算。4、MESH命令：设置计算区域计算区域（doman）由矩形区域（mesh）构成，矩形区域剖分为多个矩形单元（cell）。FDSFDS354xyz（0,0,0）（5,3,4）（1）XB参数设置矩形区域范围。&MESHIJK=50,30,40,XB=0,5,0,3,0,4/注：采用MESH命令设置的区域为一封闭区域，并没有门窗等对外开口。FDS（2）IJK参数设置x轴、y轴和z轴的网格数。&MESHIJK=40,30,30,XB=0,4,0,3,0,3/注：y轴和z轴网格的数值应为2l3m5n，具体如下：23456891012151618202425273032364045485054606472758081909610010812012512813514415016016218019220021622524024325025627028830032032436037538440040543245048048650051254057660062564064867572072975076880081086490096097210001024FDSFDS5、OBST命令：设置物体（1）XB参数设置物体的位置与尺寸&OBSTXB=1,2,2,2.5,0,0.5/&OBSTXB=1,2,2,2.5,0,0.5,COLOR=‘RED’/（2）COLOR或RGB参数设置物体的颜色&OBSTXB=1,2,2,2.5,0,0.5,RGB=255,0,0/FDS（3）SURF_ID、SURF_IDS、SURF_ID6参数设置物体的属性&OBSTXB=2,4,1,4,0,2,SURF_ID='FIRE'/&OBSTXB=2,4,1,4,0,2SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT'/顶面侧面底面INERT：默认边界条件，固定温度20℃。思考：INERT边界条件如何导热？FDS&OBSTXB=2,4,1,4,0,2,SURF_ID6='FIRE','INERT',’HOT',’COLD’,’BLOW’,’INERT’/2x4x1y4y0z2z（4）TRANSPARENCY参数设置物体的透明度，该参数的范围：0~1。0表示完全透明，1不透明。该参数必须和颜色参数共同使用。&OBSTXB=1,2,2,3,0,1COLOR='BRICK'TRANSPARENCY=0.5/FDSFDS注：物体的坐标要同网格相匹配。&HEADCHID='test',TITLE='教学示例场景文件'/&MESHIJK=8,6,6,XB=0,4,0,3,0,3/&TIMET_END=0/模拟时间&SURFID='FIRE'HRRPUA=1000/&OBSTXB=1,2,1,2,0,0.25,SURF_ID=‘FIRE’/&VENTXB=2,3,0,0,0,2,SURF_ID='OPEN'/&TAIL/FDSFDSFDSFDS6、火源设置SURF命令中的HRRPUA参数用于设置火源，其单位为KW/m2。&SURFID='FIRE'HRRPUA=1000/&OBSTXB=1,2,1.5,2.5,0,0.5,SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT'/计算热释放速率（kW）0200400600800100012001400012345FDS设置值：1MW开窗：0.2m*m0200400600800100012000306090120150热释放速率受通风条件的影响FDS020040060080010001200012345678910时间/S释热速率/KW变化热释放速率的设置&SURFID='FIRE',HRRPUA=1000,RAMP_Q='fireramp'/&RAMPID='fireramp',T=0.0,F=0.0/&RAMPID='fireramp',T=5.0,F=1.0/FDS05001000150020002500300003006009001200时间/s释热速率/KWslowfire:α=0.0029mediumfire:α=0.0117fastfire:α=0.0469ultra-fastfire:α=0.18762tQFDS7、MULT命令：重复创建物体（1）DX、DY、DZ参数分别表示X、Y、Z轴的偏移量（2）N_LOWER、N_UPPER参数重复创建物体的个数注：需和OBST配合使用。FDS&MULTID=‘stair’,DX=0.1,DZ=0.1N_LOWER=0N_UPPER=15/&OBSTXB=1.0,1.1,1,2,0.0,0.1MULT_ID='stair‘COLOR='BLUE'/FDS（3）DXB参数：同时设置3个坐标的偏移量，请自行分析和练习。FDS8、HOLE命令：删除物体OBST的一部分（1）XB参数表示需要删除的部分；&OBSTXB=2.0,2.2,0,3,0.0,3.0,COLOR='GREEN'/&HOLEXB=2.0,2.2,0.3,1.3,0,2.1/技术手册建议：&OBSTXB=2.0,2.2,0,3,0.0,3.0,COLOR='GREEN'/&HOLEXB=1.99,2.21,0.3,1.3,0,2.1/FDS（2）HOLE命令只能用于内部物体，不能用于MESH命令形成的外部边界。FDS9、VENT命令&VENTXB=2,3,0,0,0,2,SURF_ID='OPEN'/（1）VENT表示一个平面，因此XB中坐标有一个轴是相同的。（2）VENT必须设置在OBST或MESH语句设置的计算区域外边界上。（4）若整个外表面要打开，可采用MB参数。（3）表示自然通风时OPEN只能用于边界。FDS&MESHIJK=20,15,15,XB=0,4,0,3,0,3/&VENTXB=0,4,0,0,0,3,SURF_ID='OPEN'/相当于：&VENTMB=YMIN/&VENTMB=XMIN,SURF_ID='OPEN'/&VENTMB=XMAX,SURF_ID='OPEN'/&VENTMB=YMIN,SURF_ID='OPEN'/&VENTMB=YMAX,SURF_ID='OPEN'/&VENTMB=ZMAX,SURF_ID='OPEN'/室外火灾模拟FDSWFDSFDS（5）VENT不局限于设置通风口，具体含义取决于SURF_ID。&SURFID='FIRE'HRRPUA=1000/&OBSTXB=1,2,1.5,2.5,0,0.5,SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT'/等同于&SURFID='FIRE'HRRPUA=1000/&VENTXB=1,2,1.5,2.5,0,0,SURF_ID='FIRE'/FDS四、FDS的网格设置1.影响计算时间的因素▲计算机性能（CPU、RAM等）▲火灾场景＊网格数量＊火灾荷载＊建筑布局＊模拟时间FDS模拟计算机：双CPU(3.6GHz)，内存：4G局部加密28.31552.560档烟垂壁12.33002.448.5地下商场t2火1.99002410.8中庭火灾21.137010125.6地铁杨思站t2火29.33702191.4t2火189.272825184.3体育馆t2火117.29008184.3体育馆备注运行时间/h模拟时间/sHRR/MW网格数/万名称地铁北京站FDS2.网格与计算精度的关系FDSISO9505火灾试验FDS火灾试验获得的HRR曲线FDS试验装置FDS模型FDS随着网格尺寸减小，热释放速率增加Back-TraycaseFDS随着网格尺寸减小，热释放速率减小.Back-TraycaseFDS数值计算误差•数值模型总是实际问题的简化和近似，因此数学模型本身包含误差，称为模型误差。•数值方法准确解与模型的准确解之间的误差称为截断误差。)()()()(2)())(()()(00200000xRxxnxfxxxfxxxfxfxfnnn！！FDS•在网格节点上，离散方程的精确解与该点上相应微分方程的精确解之间的误差，称为离散误差。截断误差的阶数越高，网格尺寸越小，离散误差越小。•由于计算机浮点数表示方法的限制，存在舍入误差。如：单精度数7位有效数字，双精度数16位。结论：网格越密，虽然离散误差越小，但由于计算次数剧增导致舍入误差增大，“吃掉”了离散误差的减小FDS热释放速率计算结果收敛Back-