FDS5课件详解

FDSFDS火灾模拟技术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粒子和水喷淋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模型：FDS是计算流体动力学（CFD）模型；FDS主要用于火灾中的烟气流动与热传递计算；FDS只能用于低速（0.3马赫）流场的计算；FDS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FDSFDS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FDSFDS输出：全局参数：热释放速率、喷头及探测器的启动时间、通过开口和固体的质量流及能量流气体参数：温度、速度、浓度、燃烧产物浓度、能见度、气压、单位体积的热释放速率、单位体积的水滴质量。固体参数：温度、热流量、燃烧率、单位面积的水滴质量FDS一、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FDS&SURFID='FIRE',HRRPUA=1000,RAMP_Q='fireramp'/&RAMPID='fireramp',T=0.0,F=0.0/&RAMPID='fireramp',T=5.0,F=1.0/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'/（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只有用于外墙才有意义。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FDS（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-TraycaseFDS模拟结果与试验结果比较FDS3.网格的设置方法●不同输出变量对网格要求不同●由粗到细逐步加密网格，直至两次结果变化不大●网格大小具体设置方法为：52)(gTcQDP16~4xD（建议取8~10）FDS网格尺寸与热释放速率的关系051015202530350510152025热释放速率/MW网格/cm●要设置网格较多时可局部加密网格（自学）8.929310141.1gTcp52)(gTcQDP10xDFDSⅤ热边界条件热边界条件的设置是一项最具挑战性的工作。Why？(1)材料的热物理性能对模拟结果非常敏感；(2)