FDS5课件2.ppt

FDS火灾模拟技术目录,FDS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,FDS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,FDS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,一、火灾模拟的基本过程,前 处 理,模拟计算,后 处 理,Notepad,FDS,SmokeviewExcel、Origin,场景文件,结果文件,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,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。,3.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。,4.参数的值可为整数、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。,三、FDS的基本命令,&HEAD&TAIL&TIME&MESH&OBST&SURF&VENT,1、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。,&HEAD CHID=test/,（2）TITLE参数：用于描述场景，60字符以内，可以为汉字。,&HEAD CHID=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。,3、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&TIME T_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）。,（1）XB参数设置矩形区域范围。,&MESH IJK=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。,（2）IJK参数设置x轴、y轴和z轴的网格数。,&MESH IJK=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：2 3 4 5 6 8 9 10 12 15 16 18 24 25 27 30 32 36 40 45 48 50 54 60 64 72 75 80 81 90 96 100 108 120 125128 135 144 150 160 162 180 192 200 216 225 240 243 250 256 270 288 300 320 324 360 375 384 400405 432 450 480 486 500 512 540 576 600 625 640 648 675 720 729 750 768 800 810 864 900 960 972 1000 1024,5、OBST命令：设置物体,（1）XB参数设置物体的位置与尺寸,&OBST XB=1,2,2,2.5,0,0.5/,&OBST XB=1,2,2,2.5,0,0.5,COLOR=RED/,（2）COLOR或RGB参数设置物体的颜色,&OBST XB=1,2,2,2.5,0,0.5,RGB=255,0,0/,（3）SURF_ID、SURF_IDS、SURF_ID6参数 设置物体的属性,&OBST XB=2,4,1,4,0,2,SURF_ID=FIRE/,&OBST XB=2,4,1,4,0,2 SURF_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？,&OBST XB=2,4,1,4,0,2,SURF_ID6=FIRE,INERT,HOT,COLD,BLOW,INERT/,（4）TRANSPARENCY参数设置物体的透明度，该参数的范围：01。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。,&OBST XB=1,2,2,3,0,1 COLOR=BRICK TRANSPARENCY=0.5/,注：物体的坐标要同网格相匹配。,&HEAD CHID=test,TITLE=教学示例场景文件/&MESH IJK=8,6,6,XB=0,4,0,3,0,3/&TIME T_END=0/模拟时间&SURF ID=FIRE HRRPUA=1000/&OBST XB=1,2,1,2,0,0.25,SURF_ID=FIRE/&VENT XB=2,3,0,0,0,2,SURF_ID=OPEN/&TAIL/,6、火源设置,SURF命令中的HRRPUA参数用于设置火源，其单位为KW/m2。,&SURF ID=FIRE HRRPUA=1000/&OBST XB=1,2,1.5,2.5,0,0.5,SURF_IDS=FIRE,INERT,INERT/,热释放速率受通风条件的影响,变化热释放速率的设置,&SURF ID=FIRE,HRRPUA=1000,RAMP_Q=fireramp/&RAMP ID=fireramp,T=0.0,F=0.0/&RAMP ID=fireramp,T=5.0,F=1.0/,7、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。,&MULT ID=stair,DX=0.1,DZ=0.1 N_LOWER=0 N_UPPER=15/&OBST XB=1.0,1.1,1,2,0.0,0.1 MULT_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。,8、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；,&OBST XB=2.0,2.2,0,3,0.0,3.0,COLOR=GREEN/&HOLE XB=2.0,2.2,0.3,1.3,0,2.1/,技术手册建议：&OBST XB=2.0,2.2,0,3,0.0,3.0,COLOR=GREEN/&HOLE XB=1.99,2.21,0.3,1.3,0,2.1/,（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。,9、VENT 命令,&VENT XB=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。,&MESH IJK=20,15,15,XB=0,4,0,3,0,3/&VENT XB=0,4,0,0,0,3,SURF_ID=OPEN/相当于：&VENT MB=YMIN/,&VENT MB=XMIN,SURF_ID=OPEN/&VENT MB=XMAX,SURF_ID=OPEN/&VENT MB=YMIN,SURF_ID=OPEN/&VENT MB=YMAX,SURF_ID=OPEN/&VENT MB=ZMAX,SURF_ID=OPEN/,（5）VENT不局限于设置通风口，具体含义取决于SURF_ID。,&SURF ID=FIRE HRRPUA=1000/&OBST XB=1,2,1.5,2.5,0,0.5,SURF_IDS=FIRE,INERT,INERT/,等同于&SURF ID=FIRE HRRPUA=1000/&VENT XB=1,2,1.5,2.5,0,0,SURF_ID=FIRE/,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,模拟计算机：双CPU(3.6GHz)，内存：4G,2.网格与计算精度的关系,ISO9505火灾试验,火灾试验获得的HRR曲线,试验装置,FDS模型,随着网格尺寸减小，热释放速率增加,随着网格尺寸减小，热释放速率减小.,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。,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,热释放速率计算结果收敛,模拟结果与试验结果比较,3.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：,（建议取810）,要设置网格较多时可局部加密网格（自学）,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)许多材料的热物理参数并不清楚；,(3)即使所有材料的热物性参数都知道，由于FDS模型本身的算法及网格数的限制，也不可能模拟所有感兴趣的形象。,1.热物性参数,密度（density）导热系数（conductivity）比热（specific heat）,通过 MATL 命令设置热物性系数：,&MATL ID=BRICK CONDUCTIVITY=0.69 SPECIFIC_HEAT=0.84 DENSITY=1600./,CONDUCTIVITY 和 SPECIFIC_HEAT 可以设置为温度的函数：,&MATL ID=BRICK CONDUCTIVITY_RAMP=c_ramp SPECIFIC_HEAT=0.84 DENSITY=1600./&RAMP ID=c_ramp,T=20,F=1.00&RAMP ID=c_ramp,T=50,F=1.05&RAMP ID=c_ramp,T=100,F=1.21&RAMP ID=c_ramp,T=200,F=1.33&RAMP ID=c_ramp,T=500,F=1.33,2.物体的简单热边界条件,&MATL ID=BRICK/&SURF ID=BRICK WALL MATL_ID=BRICK THICKNESS=0.20/&OBST XB=0.1,5.0,1.0,1.2,0.0,1.0,SURF_ID=BRICK WALL/,3.物体的复杂热边界条件,固体的边界可由多层（layer）组成,每层 可由多种材料（material）组成.,MATL(IL,IC)参数:命令中IL层的索引值,由1开始(最外边界);IC材料的索引值。,&MATL ID=BRICK/砖&MATL ID=MORTAR/砂浆&SURF ID=BRICK WALL MATL_ID(1,1)=MORTAR MATL_ID(2,1)=BRICK THICKNESS(1)=0.02 THICKNESS(2)=0.18/&OBST XB=0.1,5.0,1.0,1.2,0.0,1.0,SURF_ID=BRICK WALL/,若层只有一种材料组成:MATL_ID=MORTAR,BRICK THICKNESS=0.02,0.18/,&MATL ID=SAND/砂子&MATL ID=CEMENT/水泥石&SURF ID=BRICK WALL MATL_ID(1,1)=SAND MATL_ID(1,2)=CEMENT or:MATL_ID(1,1:2)=SAND,CEMENT MATL_MASS_FRACTION(1,1:2)=0.8,0.2 MATL_ID(2,1)=BRICK THICKNESS(1:2)=0.02,0.18/,4.物体背面（back side）的边界条件,&SURF MATL_ID=MORTAR,BRICK THICKNESS=0.02,0.18 BACKING=VOID/向大气层导热（默认值）,若墙体厚度小于等于网格尺寸：BACKING=EXPOSED/向对面房间导热,BACKING=INSULATED/不导热,FDS的热解模型,燃烧和热解的区别：,燃烧（Combustion）可燃挥发份和氧气的反应,热解（Pyrolysis）固体或液体表面可燃挥发份的挥发过程,1.确定热释放速率的火源,&SURF ID=FIRE HRRPUA=1000/&OBST XB=1,2,1,2,0,0.5,SURF_ID=FIRE/,采用这种方法，火源相当于物体表面向外喷射气体燃料。A specied re is basically modeled as the ejection of gaseous fuel from a solid surfaceor vent.,2.按确定速率燃烧的固体燃料,&MATL ID=stuff CONDUCTIVITY=0.1 SPECIFIC_HEAT=1.0 DENSITY=900.0/&SURF ID=my surface COLOR=GREEN MATL_ID=stuff HRRPUA=1000.IGNITION_TEMPERATURE=500.HEAT_OF_VAPORIZATION=1000.RAMP_Q=fire_ramp THICKNESS=0.01/&RAMP ID=fire_ramp,T=0.0,F=0.0/&RAMP ID=fire_ramp,T=10.0,F=1.0/&RAMP ID=fire_ramp,T=310.0,F=1.0/&RAMP ID=fire_ramp,T=320.0,F=0.0/,3.Solid Fuels that do NOT Burn at a Specied Rate,燃料的热解参数通过 MATL 命令设置.,燃料可能经历多种反应，各反应出现的温度并不相同.,N_REACTIONS 反应数REFERENCE_TEMPERATURE 参考温度,参考温度并非燃料的点燃温度。,reference temperature,每种反应会生成残留物,水蒸气和可燃性气体。,NU_RESIDUE(j)残留物的比例NU_WATER(j)水蒸气的比例NU_FUEL(j)可燃气体的比例RESIDUE(j)残留物的性质(MATL_ID),注:理论上,反应应符合质量守恒定律，即反应生成物的比例之和应为1.,&MATL ID=water DENSITY=1000.CONDUCTIVITY=0.20 SPECIFIC_HEAT=4.184 N_REACTIONS=1 REFERENCE_TEMPERATURE=100.NU_WATER=1.HEAT_OF_REACTION=2500./,&MATL ID=stuff DENSITY=500.CONDUCTIVITY=0.20 SPECIFIC_HEAT=1.0 N_REACTIONS=1 REFERENCE_TEMPERATURE=300.NU_FUEL=0.8 NU_RESIDUE=0.2 RESIDUE=ash HEAT_OF_REACTION=1000./&MATL ID=ash DENSITY=500.CONDUCTIVITY=0.20 SPECIFIC_HEAT=1.0/,4.液体燃料（蒸发）,&MATL ID=ETHANOL LIQUID NU_FUEL=0.97 HEAT_OF_REACTION=880.CONDUCTIVITY=0.17 SPECIFIC_HEAT=2.45 DENSITY=787.BOILING_TEMPERATURE=76.INITIAL_VAPOR_FLUX=8e-4.ABSORPTION_COEFFICIENT=40./,BOILING_TEMPERATURE液体燃料的蒸发温度,INITIAL_VAPOR_FLUX液体燃料的初始蒸发值,ABSORPTION_COEFFICIENT热辐射的吸收深度（the absorption in depth of thermal radiation）。,5.燃料的视觉消失(BURN_AWAY),&OBST XB=,BURN_AWAY=.TRUE./,若BURN_AWAY 设置为TRUE,物体的边界条件只能通过SURF_ID设定，不能采用SURF_IDS及SURF_ID6设定。,&MATL ID=FOAM HEAT_OF_REACTION=500.CONDUCTIVITY=0.2 SPECIFIC_HEAT=1.0 DENSITY=20.N_REACTIONS=1 NU_FUEL=1.REFERENCE_TEMPERATURE=100./&SURF ID=FOAM SLAB MATL_ID=FOAM THICKNESS=0.05 BURN_AWAY=.TRUE./&OBST XB=1,2,1,2,0.1,0.3,SURF_ID=FOAM LAB/,&MATL ID=FOAM HEAT_OF_REACTION=500.CONDUCTIVITY=0.2 SPECIFIC_HEAT=1.0 DENSITY=20.HEAT_OF_COMBUSTION=3000/&SURF ID=FOAM SLAB MATL_ID=FOAM HRRPUA=500 IGNITION_TEMPERATURE=120 THICKNESS=0.05 BURN_AWAY=.TRUE./,燃烧模型,尽管FDS火灾模拟中可以设置多种可燃物，但仅有一种气体燃料参与燃烧。原因是为了节省计算机的模拟时间,默认的气体燃料是丙烷，而其它气体的燃烧率FDS会自动调整为默认气体的燃烧率。,若通过HRRPUA设置火源的热释放速率，使用者不需要设置任何反应参数。If you only specify the res heat release rate with HRRPUA,then the reaction parameters may not require adjusting.,1.REAC 命令,C、H、O、N、OTHER：化学公式,MW_OTHER：OTHER的摩尔质量,SOOT_YIELD：烟气生产量.(默认值 0.01),CO_YIELD：一氧化碳的生产量.(默认值 0.0),燃烧产物的生产量,2.CO 生成,（1）若模拟的场景为燃料控制型火灾,激活一氧化碳的 生成算法的意义不大。,&MISC CO_PRODUCTION=.TRUE./,（2）对于燃料控制型火灾，应该指定反应的CO_YIELD值进行火灾模拟。,3.其它气体种类模拟:SPEC 命令,FDS可模拟气体（23种）,FDS计算结果的输出,Plot3d文件的显示,1.点量的输出:DEVC 命令,&DEVC XYZ=3.5,0.5,1.5 ID=temp QUANTITY=TEMPERATURE/,XYZ:测点的位置,QUANTITY:变量名,结果输出到 casename_devc.csv文件中,2.云图动画:SLCF 命令,&SLCF XB=0,4,1.5,1.5,0,3,QUANTITY=TEMPERATURE/,PBX,PBY,PBZ:平面 x=,y=,z=,VECTOR:是否输出变量的矢量,3.等值面动画:ISOF 命令,&ISOF QUANTITY=TEMPERATURE VALUE(1)=50.VALUE(2)=200.VALUE(3)=500./,常用输出量,通风（Ventilation）,1、机械通风通过SURF命令的VEL参数,风速的单位为m/s若VEL为正值,由计算区域向外抽风若VEL为负值,向计算区域送风,&SURF ID=fan1,VEL=-1.0/&VENT XB=3,3.2,0,0,2.8,3,SURF_ID=fan1,2、若已知风机的体积流量，则采用SURF命令的VOLUME_FLUX 参数（m3/s）,&SURF ID=fan2,VOLUME_FLUX=-6.0/&VENT XB=3,3.2,0,0,2.8,3,SURF_ID=fan1,3、可以采用SURF命令的TMP_FRONT 参数设置空气的温度。,粒子和水喷淋,1.粒子的属性:PART 命令,DENSITY:默认值 1000kg/m3,SPECIFIC_HEAT:默认值 4.184kj/kg/K,HEAT_OF_VAPORIZATION:默认值2259kj/kg,H_V_REFERENCE_TEMPERATURE:汽化温度,(1)粒子的热物理属性,DIAMETER:平均直径,默认值500m,分布如下:,GAMMA_D:值越大,粒子直径的离散度越小，即越接近平均值。,(2)粒子尺寸,COLOR:默认情况下为单一颜色,水粒子为蓝色，燃料粒子为黄色，其它粒子为黑色。,QUANTITIES:粒子颜色可以随下列因素变化：DROPLET_TEMPERATURE(C)DROPLET_DIAMETER(m)DROPLET_VELOCITY(m/s)DROPLET_MASS(kg)DROPLET_AGE(s),&PART ID=drops,QUANTITIES(1:2)=DROPLET_DIAMETER,DROPLET_TEMPERATURE/,(3)粒子颜色,(4)粒子数量控制及存在时间,DT_INSERT:粒子的喷射间隔（默认值0.01s）,DROPLETS_PER_SECOND:喷头动作后每秒钟喷射的粒子数（默认值5000）。注：在PROP命令中设置,AGE:粒子的存在时间（默认值100000s）,(1)喷头动作原理,Tl 敏感元件温度,Tg气体温度,Tm喷头托架温度,C26106K/(m/s)0.5,2.水喷淋模拟,(2)模拟喷淋命令,&PROP ID=splkQUANTITY=SPRINKLER LINK EMPERATURE,RTI=150,C_FACTOR=0.7,ACTIVATION_TEMPERATURE=68,FLOW_RATE=200(L/min),DROPLET_VELOCITY=5,PART_ID=water drops,SPRAY_ANGLE=30,80/,&DEVC ID=Spr8,XYZ=2.0,1.5,2.8,PROP_ID=splk/,SPRAY_ANGLE=30,80,SPRAY_ANGLE=30,80,(3)管径水压的影响,&PROP ID=My nozzlePART_ID=water dropsFLOW_RATE=0.9OPERATING_PRESSURE=10.0DROPLET_VELOCITY=15.0SPRAY_ANGLE=0.0,80.0PRESSURE_RAMP=PR1/&RAMP ID=PR1 T=1,F=16.0/&RAMP ID=PR1 T=2,F=10.0/&RAMP ID=PR1 T=3,F=8.0/,(4)水对火灾的抑制作用,在气体状态下，火由于温度降低及缺氧而熄灭。In the gas phase,ames are extinguished due to lowered temperatures and dilution of the oxygen supply.,在固体状态下，水通过冷却燃料及改变化学反应而减少燃料的热解速度。For the solid phase,water reduces the fuel pyrolysis rate by cooling the fuel surface and also changing the chemical reactions that liberate fuel gases from the solid.,注1：若固体或液体燃料通过MATL命令设置了反应参数，则不需设置水对燃料的抑制参数。,注2：若火源是通过HRRPUA参数设置，其实设置的是气体燃料的喷射率，因此需要水对燃料的抑制参数。,根据试验，燃料的损失率可表示为:,k 为含水率的函数，可表示为:,式中E_COEFFICIENT 参数通过SURF命令设置。,FDS的控制命令,&OBST XB=0,4,0,0.1,0,3,COLOR=STEEL BLUE/&HOLE XB=0.5,1.5,-0.01,0.11,0,2/&DEVC ID=TT,QUANTITY=TEMPERATURE XYZ=3.0,0.3,2.5/SETPOINT=50,INITIAL_STATE=.FALSE.&HOLE XB=2.5,3.5,-0.01,0.11,1,2.5,DEVC_ID=TT/,全局参数的设置,TMPA:环境温度，默认 20.,HUMIDITY:相对湿度，默认值40%.,&MISC TMPA=-20,HUMIDITY=25/,U0,V0,W0:空气的初始速度（s/m）,1.MISC 的基本参数,SURF_DEFAULT:默认边界条件，默认值 INERT,&MATL ID=con CONDUCTIVITY=1.2 SPECIFIC_HEAT=0.9 DENSITY=1900./&SURF ID=concrete MATL_ID=con THICKNESS=0.24 BACKING=EXPOSED/&MISC SURF_DEFAULT=concree/,P_INF:大气压，默认值 101325 Pa.,拉萨：3650,GVEC:重力加速度，默认值 GVEC=0,0,-9.81.,&MISC GVEC=0,0,0/,&MISC GVEC=0,0,-9.81/,&MISC GVEC=-6.94,0,-6.94/,&MISC GVEC=0,0,-9.81/,2.暂停和重新开始计算,(1)暂停方法,在FDS输出文件目录下放置CHID.stop 文件，该文件只需文件名，可以为空文件。,FDS发现CHID.stop后，生成一个 CHID.restart 文件并退出计算。,(2)重新开始计算方法,删除 CHID.stop 文件在FDS场景文件中增加&MISC RESTART=.TRUE./,(3)自动生成恢复文件,&DUMP DT_RESTART=30/,并行计算,1.FDS可实施的并行计算类型,2.多重网格（多个MESH）语句,不相邻网格及应用,3.并行计算的观察,4.联网并行计算的设置,场景文件中计算区域必须为多重网格安装 MPICH2编制任务分配文件 config.txt 运行mpiexec file config.txt,exe 192.168.18.14fdsrunfds5_mpi.exe test.fdsdir 192.168.18.14fdsrunhosts192.168.18.14 1192.168.18.211 1,计算中采用的config.txt文件,并行计算运行界面,建模工具,谢谢观赏,