PyroSim入门教程--文档

1.运行一个FDS例子1.1启动PyroSim(并打开ExampleGuide,Chapter1)。具体就不多说了，开始程序…………下面是PyroSim启动时的截图，上面有中文“火”的写法，但是看起来似乎是源自日文汉字(Kanji)的火。但是开发PyroSim的Thunderheadengineering是一家位于美国的公司。1.2建立网格选择ModelEditGrid...在跳出的面板上点New。把网格的边界设置为MinX=0，MaxX=10，MinY=0，MaxY=10，MinZ=0，MaxZ=10。同时把网格数量设为Xcells=20，Ycells=20，Zcells=20。如下图所示：在FDS里面，基本形状只能是长方体的(尽管通过长方体的组合，能模拟复杂的几何形状)。网格也只能是正交网格(点确定后可以看到)。这个例子是模拟风洞内的燃烧，风洞尺寸为10米*10米*10米。每边划分成20个网格，总共有8000个网格。在FDS中，由于求解器的特殊要求，每边划分的单元数通常要求是2，3或5的倍数。点击OK后，网格就生成了，如下图所示：1.3定义粒子这里的粒子并不是通常CFD软件里的拉格朗日粒子，只是为了后处理方便而定义的示踪粒子。选择ModelEditParticles...，然后点New。不要选ParticleHaveMass，这样粒子没有质量，仅是示踪粒子。选中ColorParticlesDuringAnimation，使用默认的颜色，红色。这样在结果中会有红色的示踪粒子。1.4建立面实际上，在建立网格的时候，我们已经得到了计算模型。这里的面是用来定义边界条件。要注意的是，这里仅仅定义边界条件，而没有给模型中的面指定边界条件。也就是说只定义边界上的物理条件，但并没有和模型中的边界联系起来。定义入口边界。ModelEditSurfaceProperties...，点New。Surfacename是BLOW，使用INERT作为模板。选择surfacetype为Fan/Wind”。然后下面会有很多选项。系统定义的表面类型都有明确的物理意义，还是比较好懂的。Fan/Wind里可以定义入口空气的温度和速度。为了便于区分，把Color选成蓝色。AirTemperature=20C，SpecifyNormalVelocity=-1.0m/s。-1.0m/s代表气流速度为1m/s，方向为进入计算域(+1.0m/s为出)。第三个标签下，选中EmitParticles，ParticleType=PART。最后点OK。各步骤的截图如下：在这里例子里面，只需要定义BLOW这一个面，其余的面可以用系统定义的来表示。1.5定义边界条件这里是真正指定表面的边界条件。定义入口。选择ModelNewVent...，在Specification标签下，Description=VentBlow，Type=BLOW，LiesintheplaneX=0.0，MinY=3，MaxY=7，MinZ=3，MaxZ=7。在X=0平面上，有4*4的范围为BLOW的边界条件。点OK，离开界面。具体操作和操作后的结果为：定义出口。步骤和上面的基本一样，ModelNewVent...New。Description=VentOpen，Type=Open，LiesinPlaneX=10，MinY=3，MaxY=7，MinZ=3，MinZ=7。在和入口相对的面上，有一个4*4的通风口。1.6定义切面FDS使用LES模型模拟湍流，会产生大量的瞬时数据。FDS里面需要定义切面，只有切面数据会保存。OutputSlices...。XYZplane=Y，Planevalue=5，GasPhaseQuantity=Velocity，UseVector=No。OK。在Y=5平面上，保存速度值，但是不保存矢量。1.7设定模拟参数FDSSimulationParameters...。SimulationTitle=WindTunnel，SpecifyDuration=60s，InitialTimeStep=0.15s。数值模拟总时长为60秒，初始时间步长为0.15秒(后面的时间步长有系统自动决定)。OK。1.8运行FDSFDSRunFDS...先要保存一个*.data文件(自行命名)。然后FDS开始求解，求解过程如下图所示：1.9检查结果FDS算完60秒后，会自动弹出SmokeView窗口。在上面点右键Load/UnloadSliceFileVELOCITY*Y=5.0。会显示前面定义的切面上的速度云图。在上面点右键Load/UnloadParticlefile*SMOKE/WATER。会显示粒子轨迹。至此，我们已经完成了FDS里面的第一个练习。下面可以修改上面的例子，做一个隧道内火灾的模拟。2.隧道火灾模拟隧道内的火灾模拟是一个很常见的FDS应用。如果在隧道内发生火灾，如果通风系统没有工作，燃烧产生的烟会向两边对称扩散，引起能见度的下降，和对隧道内人员的健康威胁。通常，需要在隧道入口装风扇，把烟吹向出口，这样烟雾就不会向入口扩散。烟雾向上游的扩散成为是逆流(backlayerflow)。入口风速大，逆流长度就小，或者没有逆流；入口风速小，逆流长度就长。逆流长度刚好为零的入口风速成为是临界速度(criticalvelocity)。FDS广泛使用于逆流的研究。这里要做的是一个60*16*6的隧道。入口速度是3m/s，入口温度是25C。在底部有一块8*8的燃烧区域，火灾大小为100MW。为了简化问题没有模拟过程，而是直接把100兆瓦的热量直接分布在64平方米的面积上，折合1562.5kw/m2。2.1继续前面的模型下面要修改前面建立的模型。如果模型没有打开，可以打开保存的*.psm或者*.data文件。2.2建立网格在左边的树形目录上，双击GridsGRID。在弹出的面板上，修改MaxX=60，MaxY=16，MaxZ=6，Xcells=120，Ycells=32，Zcells=12。OK。点OK后，可能模型不在屏幕中央，可以点击工具栏上右数倒数第二个图标(ResetViewtoAllVisibleObjects)重置显示。步骤和结果如下所示：2.3建立面这里需要建立两个面。第一个面是入口，修改前面的BLOW条件；第二个面是FIRE，需要创建。在左边双击SurfacesBLOW。PropertiesAirTemperature=25C。AirFlowSpecifyNormalVelocity=-3m/s。ModelEditSurfaceProperties...New...，SurfaceName=FIRE，OK。SurfaceType=Non-FlammableSolid。BoundaryConditionsBoundaryTypes=FixedHeatFlux，HeatFlux=1562.5，OK。2.4定义边界条件按照上面的描述，有三个边界条件需要定义。双击ModelVentBlow。把整个X=0平面设成是入口。MinY=0，MaxY=16，MinZ=0，MaxZ=6。OK。双击ModelVentOpen。把整个X=60平面设成是出口。LiesintheplaneX=60，MinY=0，MaxY=16，MinZ=0，MaxZ=6。OK。新建一个FireRegion边界条件，在主菜单上选择：ModelNewVent。Description=VentFire，Type=FIRE，LiesintheplaneZ=0，MinX=26，MaxX=34，MinY=4，MaxY=12。OK。过程及结果如下：2.5定义切面在Y=8平面定义一个切面。OutputSlices...。把PlaneValue改成8。在Y=8平面定义一个新的切面，来显示温度。因为我们没有模拟燃烧，根据温度场可以大概知道烟雾的分布。XYZPlane=Y，PlaneValue=8，GasPhaseQuantity=TEMPERATURE，UseVector?=No。2.6设定模拟参数模拟的总时长为60秒。FDSSimulationParameters...。SimulationTitle=TunnelFire，SpecifyDuration=60，InitialTimeStep=0.1。OK。2.7运行FDSFDSRunFDS...。先保存一个合适的*.data文件。然后求解器会启动。求解过程大约为15分钟(在我的电脑上)。求解结束后，会自动跳出SmokeView。1.9检查结果在自动弹出SmokeView窗口上面点右键Load/UnloadSliceFileTEMPERATURE*Y=8.0。会显示前面定义的切面上的温度云图。1.10分析在上面的温度云图中，我们可以看到，在入口速度为3m/s的时候，隧道内有非常显著的回流。也就是说3m/s的入口速度，不足以阻止烟气向上游扩散。有兴趣的朋友可以增加入口速度，看看这个问题的临界速度是多少。我试出的临街速度是4.5m/s左右。另外一个问题是这个结果准确吗？理论上来说LES和k-e相比，有很大的优越性，但是由于FDS使用是有限差分的方法，而且没有检查收敛性(explicit)，通常情况下只能作为参考。比如这个例子，有兴趣的朋友，可以用Fluent/CFX建模算一下，Fluent/CFX给出的临界速度应该在2.7m/s左右。差别还是相当大的。另外根据我的测试(和一组条件不同的实验数据的比较)，基于k-e的Fluent/CFX结果通常会稍稍低估临街速度。但是总体而言，还是Fluent/CFX的结果更加可信。值得提醒的是，用Fluent/CFX的时候，一定要记得加上浮力修正。