FDS-课程PPT-(2)

建筑火灾动力学的场模拟FireDynamicsSimulator(FDS)胡隆华祝实2011年3月25日建筑火灾安全工程导论火灾的模拟工具•随机性模型o把火灾的发展看成一系列连续的事件或状态o用数学方法表示由一个事件转变到另一个事件，如•由着火到稳定燃烧•火灾的非连续蔓延o在分析有关的试验数据和火灾事故数据的基础上，建立概率与时间的函数关系•确定性模型o以物理和化学定律为基础•传热、传质：热解、着火、流体力学o用相互关联的数学公式来表示建筑物的火灾发展过程火灾的模拟工具•随机性模型举例：o非连续物体间火蔓延的Markov模型mmm2m12m22211m1211λ..λλ..........λ..λλλ..λλR1R1+R2R1+R3p12p13图按引燃物体顺序划分的状态转移图R1+R2+R3p13+p23p12+p32Markov状态转移矩阵火灾的模拟工具•确定性模型：o区域模型、场模型、场区网模型、专用模型•区域模型o半物理模型o基本思想：根据火灾发生后室内的气体分层现象将空间分成几个区域，假定在每个区域内状态参数均匀分布，根据质量、动量、能量、组份守恒方程，求解各区域状态参数的变化o最常用的是双区模型：烟气区和空气区o研究对象主要是热烟气层的高度、温度、浓度等状态参数随时间的变化情况火灾的模拟工具•双区模型o冷热层之间的质量、能量交换仅通过羽流进行o交界面上忽略扩散和掺混o主要研究烟气层的变化，以烟气层为研究对象室内火灾双区模型示意图MpMa火灾的模拟工具•场模拟o利用偏微分方程求解状态参数的空间分布和随时间的变化o对空间的划分比较细致，可以得到较详细的参数分布和发展变化情况o基本方程也是守恒方程o需要建立火灾各分过程的理论模型o浮力影响的湍流模型•湍流燃烧模型•辐射换热模型o炭黑（soot）生成模型o计算量大，对边界条件要求比较严格火灾的模拟工具•网络模拟o整个建筑物作为一个系统，每个房间作为一个计算体o可考虑多个房间的情况，计算结果较粗糙•场-区-(网)模型o三种模型结合起来实用o起火区域或强通风区域用场模拟，较近区域用区域模拟，较远区域用网络模拟火灾的模拟工具•确定性模型：o区域模型、场模型、专用模型模型类别模型名称开发机构适用及特点区域模型ASETNIST(U.S.)单室ASET-BNIST(U.S.)单室FIRSTNIST(U.S.)单室，多个燃烧体BRI2日本建筑研究所（BuildingResearchInstitute，Japan）多室，机械通风CCFM-VENTNIST(U.S.)多室，多层FAST/CFASTNIST(U.S.)可适用超过30个房间、30通风管道、5个风机的模型计算火灾的模拟工具•确定性模型：o区域模型、场模型、专用模型场模型ALOFT-FTNIST(U.S.)室外火灾烟气羽流CFX-4AEATechology通用计算流体力学软件FDSNIST(U.S.)三维大涡模拟，适用于多种条件下的多室火灾模拟计算JASMINEFireResearchStation(U.K.)(英国火灾研究站)烟气运动的分析软件PHOENICSCHAM.Ltd.（U.K.）三维、动态的通用计算流体力学软件STAR*CDComputationnalDynamics（U.K.）动力推算（英国）通用流体力学计算软件火灾的模拟工具•确定性模型：o区域模型、场模型、专用模型专用模型ASCOSNIST(U.S.)无火源情况下，烟气控制评估的稳态网络流模型（networkflow）BREAK1U.C.Berkeley伯克利大学计算暴露在单室火灾下窗户玻璃的破碎DETACT-T2NIST(U.S.)计算热探头和水喷淋的启动时间，t2增长火DETACT-QSNIST(U.S.)计算热探头和水喷淋的启动时间，用户自定义火源类型LAVENTNIST(U.S.)计算水喷淋和与卷帘联动的通风口的启动时间ASMETNIST(U.S.)大空间烟气控制程序CalsmokeSKLFS(China)大空间烟气控制程序FPETOOLNIST(U.S.)火灾防治工程工具计算流体动力学（CFD）模拟•计算流体动力学（CFD）模拟o将模拟区域划分为几十万乃至几百万的控制体，对控制体进行微分方程组的迭代求解o对湍流流动的模拟是一大难点：粘性＋扩散•湍流流动的数值模拟主要分为o直接数值模拟：DirectNumericalSimulation(DNS)o雷诺平均数值模拟RaynoldAveragedNavier-Stokes(RANS)o大涡数值模拟：LargeEddySimulation(LES)计算流体动力学（CFD）模拟计算流体动力学（CFD）模拟o大涡是烟气运动的主导作用因素FireDynamicsSimulator(FDS)•开发者NIST：NationalInstituteofStandardsandTechnology隶属美国商务部：DepartmentofCommerceBFRL:BuildingandFireResearchLaboratory建筑与火灾研究室•火灾动力学模拟软件o包括DNS和LES两种湍流处理方法•FDS历史：o2000，第一版o2001，第二版o2002，第三版o2004，第四版o2007，第五版FireDynamicsSimulator(FDS)•FDS的官方网站(FDS)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：o火灾生成热量和燃烧产物的低速输运过程o气体和固体表面的辐射及对流换热o固体燃料的热解o火灾蔓延和火焰传播o喷淋、感热探测器和感烟探测器的启动o喷淋系统的喷洒运动及水对火的抑制FireDynamicsSimulator(FDS)FDS假设：o低速流动：小于0.3马赫o矩形网格o指定热释放速率：此时计算精度80%~90%o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o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FireDynamicsSimulator(FDS)动力学模型（控制方程）o连续方程o动量方程o组分方程o能量方程0t＝＋ulllllmYDuYY)(tfgpuutu))((llLlrYDhTkqDtDphuht)(FireDynamicsSimulator(FDS)•湍流处理方法：•LES:Smagorinsky亚网格湍流模型（default）•DNSSCSijkijk2)(2222222)(32)()()()(2)(2)(2uywzvxwzuyvxuzwyvxuSPrijkpijkckScDijkijk)(FireDynamicsSimulator(FDS)•收敛判据o不同于一般的残渣（residue）判别法(RANS)•固定时间步长，对比前后迭代计算的差oCourant-Friedrichs-Lewy(CFL)criterion•变时间步长1),,max(zwyvxutijkijkijk010002000300040005000600070000.40.50.60.70.80.91.01.11.2CFLnumberIterationnumber010002000300040005000600070000.000.010.020.030.040.050.060.07Timestep(s)IterationnumberFireDynamicsSimulator(FDS)•燃烧模型o单一燃料混合分数燃烧模型FireDynamicsSimulator(FDS)•多步反应燃烧模型（Multi-stepcombustion)oFDS4~：单步反应oFDS5：多步反应FireDynamicsSimulator(FDS)•燃烧模型o有限化学反应速率模型(DNS)•研究火灾过程中污染物和有毒、有害组分的产生状况，则需要引入包含相应物质产生机理和产生速率的有限化学反应模型。222222xyCHxyOCOHOCHOCOHO/2[][][]xyabERTxydCHBCHOedtB:反应活化能的指前因子E:反应活化能a、b:表示可燃物与氧气的反应级数FireDynamicsSimulator(FDS)•辐射模型吸收系数散射系数FireDynamicsSimulator(FDS)•墙壁对流热损模型oDNSoLES自然对流强迫对流FireDynamicsSimulator(FDS)前处理模拟计算后处理Notepad/UltraEditPyrosim/FireSimFDSSmokeviewfds2ascii任务文件结果文件FireDynamicsSimulator(FDS)•输入文件编制o纯文本文件，扩展名任意，推荐job_name.fdso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，不区分大小写o每个命令由符号“&”开头，由符号“/”结尾，符号外边为注释。每个命令可占一行或多行o参数按照Fortran语法，可为整数、浮点数、字符串和逻辑值（.TRUE.和.FALSE.）o命令各参数及参数值间可用空格或逗号隔开o由命令HEAD开头，命令TAIL结束。文件中的其他命令一般无先后次序之分FireDynamicsSimulator(FDS)•文件头HEADoCHID参数：指定任务名，输出文件的名字oTITLE参数：用于描述场景，60字符以内&HEADCHID='roomfire',TITLE=‘RoomFireTest'/FireDynamicsSimulator(FDS)•时间控制TIMEoT_END参数设置模拟持续时间，单位为s，默认值1so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&TIMETWFIN=360./FireDynamicsSimulator(FDS)•设置计算网格MESHoXB参数设置矩形区域范围，单位m采用MESH命令设置的区域为一封闭区域oIJK参数设置x轴、y轴和z轴的网格个数y轴和z轴网格的数值推荐为2l3m5n，不强制要求&MESHIJK=50,30,40,XB=0,5,0,3,0,4/FireDynamicsSimulator(FDS)•设置计算网格MESHo多个计算网格FireDynamicsSimulator(FDS)•设置计算网格MESHo不相邻的计算网格FireDynamicsSimulator(FDS)•全局参数MISCoTMPA:环境温度，摄氏度，默认20℃oHUMIDITY:相对湿度，默认值40%.oU0,V0,W0:背景空气速度（s/m）oSURF_DEFAULT:默认边界条件，默认值INERToP_INF:大气压，默认值101325PaoGVEC:重力加速度，默认值GVEC=0,0,-9.81&MISCTMPA=25,HUMIDITY=20,U0=0,V0=0,W0=2.0,SURF_DEFAULT='GYPSUMBOARD/FireDynamicsSimulator(FDS)&MISCP_INF=65200./FireDynamicsSimulator(FDS)&MISCGVEC=0,0,0/&MISCGVEC=0,0,-9.8/FireDynamicsSimulator(FDS)&MISCGVEC=-6.94,0,-6.94/FireDynamicsSimulator(FDS)•设置物体OBSToXB参数设置物体的位置与尺寸（m）物体边缘将对齐到网格上，允许零厚度的物体oCOLOR或RGB参数设置物体的