FDS火灾模拟与应用_薛伟

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FDS 有两种方法来定义火灾的大小 , 一种 是通过单位面积热释放速率(HRRPUA)来设定 燃料的燃烧速率 ;另一种是利用燃料的反应热 和燃料的蒸发热(HEAT_OF_VAPORIZATION)来
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预测燃烧速率 。 前一种是给定的 , 只需要单位 面积热释放速率一个参数 , 用户通过设定它来 选择怎样来实现一个合适的火灾现场 。而后一 种则带来了计算的不确定性 , 因为燃烧速率是
FDS 火灾模拟软 件包含 FDS 和 Smokeview 两部分 。FDS 是软件的主体部分 , 主要完成对 模拟 场 景的 构 建 和计 算 。 而 Smokeview 则是 FDS 计算结果直观化的程序 , 它既能处理动态 数据也能显示静态数据 , 并将这些数据以二维 或三维 形式显 现出 来 , 图 1 中描 述了 FDS 和 Smoke view 使用的数据文件之间的关系 。
因室外燃烧实验采用的原木为落叶松 , 而 FDS 的数据库中对这种燃料参数并没有给出 , 只有云杉的燃烧参数 。 为了验证与实际实验结 果相吻合 , 在编程序时必须对落叶松的燃烧参 数进行定义 。 因此 , 在参照 FDS 燃料定义方法 的基础上查阅了文献[ 2] , 为数值模拟所用燃料 的热物性和特性参数 , 选取了适当的数值(如表 1)。
Abstract :This paper discussed and analyzed how to set up the fire model by making use of FDS(Fire Dynamics Simulator), and carries out some using methods of FDS for the burning experiment outdoor through many years practice experience , and then pointed out some defects of FDS. Key words:FDS ;fire simulation
FDS 火灾模拟与应用
薛 伟 , 张光俊
(东北林业大学工程技术学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040)
摘要 :利用 FDS(Fire Dynamics Simulator)对火灾模 型的设 置进行 了探 讨和分 析 。 结合 作者 多年 应用 FDS 的实践经验 , 给出了 FDS 在室外燃烧实验方面的一些使用方法 , 并指出了 FDS 的应用限 制 。 关键词 :FDS;火灾模拟
b 、获得任意位置二维平面各种 参数的变 化。
c 、得到特定参数在三维空间内 的等值面 图。
d 、获得某一特定时间内所设定 参数的静 态数据 , 这些数据可以用二维或三维图片的形
式表现出来
③运行 Smoke view 来分析由第 2 步产生的 输出文件 , 运行 Smoke view 可以双击 文件 case
FDS fire simulation and application
XUE Wei , ZHANG Guang -jun
(Northeast Forest University , College of Engineering and Technology , Harbin 150040 , China)
-name.smv 或 直接 在命 令行 键 入 Smoke view Case -name.Smoke view 。Smoke view 也可以用 于创建新的障碍物和修改原来障碍物的属性 , 这种对障碍物的修改将被保存在一个新的 FDS 输入数据文件 case -name.data 里 。
3 FDS 应用实例
图 2 模型燃料状况
图 3 各个温度测点的数据
通过实例具体介 绍了 FDS 模拟软件 在室 进行了模拟 , 并结合实际给出了在火源设定 、燃
外应用 的情况 , 虽 然 FDS 模拟软 件有 诸多 优 烧功率设置 、设定原木燃烧参数方面的使用方
点 , 不过跟其他模拟软件比起 , 有以下限制 :
法 , 同时也给出 了 FDS 的应用 限制 , 随着 FDS
收稿日期 :2006-08 -25 作者简介 :薛 伟(1962 -), 男 , 山 东莱 州 人 , 教授 , 博士 生导师 , 主要从事森工安全与作业 .
程序是开放的 , 其准确性得到了大量试验的验 证[ 1] 。因 此 , 在 火灾 科 学领 域 得到 了 广 泛应 用[ 2 , 3] 。
2 FDS 计算步骤
c 、FDS 运行界面不友好 , 只能在命令行状 态下运行 。
d 、FDS 仅能模拟感温探测器 , 对 其它探测 器如感烟探测器则无法有效模拟 。
Simulation Using Mixture Fraction Combustion and Finite Volume Radiative Heat Transfer [ J] .Journal of Fire Protection Engineering , 2003 (13):11～ 36. [ 2] 薛伟 , 张光俊.贮木场楞堆火灾 场景模拟设 计[ J] . 林业机械与木工设备 .2006.(8):34.
表1
NW_FUEL
NU_O2 NU_CO2 NU_H 2O SOOT_YIE LD H EAT_OF_VAPO RIZATION DENSITY
KS C EPUMO2 CHAR_DENS ITY
图 1 FDS 中使用的数据 文件和程序
参数含义
摩尔质量
氧气的理想化学当量分数 二氧化碳的理想化学当量分数
第 35 卷第 6 期 2006 年 11 月
吉 林 林 业 科 技 JILIN FORESTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY
文章编号 :1005-7129(2006)06-0018-03 中图分类号 :S762.2 文献标识码 :A
Vol.35 No.6 Nov.2006
模型的计算区域长 X =2.4 m , Y =2.4 m , Z =2.4 m 。 采用直角坐标网络 , 均匀分布 , 尺 寸为 0.1 m 的立方体 ;网络数为 NX ×NY ×NZ
=24 ×24 ×24 =13 824 , 在坐标系中形成精细的 网络 。 计算区域与外部环境间的界面采用自由 边界 , 允许流体自由进入和离开计算区域 。 在 自由边界上 , 压力等于环境压力 101 325 Pa 。落 叶松的直径在 0.25 ～ 0.30 m 之间 , 长度为 1 m , 环境温度 13 ℃, 平均风速 1 m s , 从左侧中间点 火 。为了便于构造楞堆 , 用矩形代替了圆柱形 , 从左侧点火 , 图中黄色小点为温度测点 。下面 的图 2 给出了上述模型的燃烧情况 , 图 3 给出 了 FDS 输出数据的 Excel 格式 。
水蒸气的理想化学当量分数 转化为烟粒子的质量分数
蒸发潜热 密度
热传导率 比热
每单位氧气集合能量 碳化密度
单位
g mol -
kJ kg kg m3 w m·k kw kg·k kJ kg kg m3
落叶松
87 3.7 3.4 3.1 0.01 565 705 0.64 2.0 11020 235
云杉
87 3.7 3.4 3.1 0.01 500 450 0.28 1.6 11020 120
a 、 DS 建模不灵活 , 只能直接创建立 方体 软件在火灾科学领域的应用范围越来越广 , 必
模型 , 其它形状的模型只能用立方体模型来近 将成为火灾研究人员的得力的助手 。
似 , 因此会加大计算误差 。 b 、DS 只能划分矩形网格 , 而某些情况下 ,
参考文献
其它形状的网格计算更准确 。
[ 1] J.E.Floyd, K.B.McGrattan , S.Hostikka , et a1.CFD Fire
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力 、热释放率 、燃烧产物的浓度 、混合分数以及 热流和辐射对流等 。 计算中想要得到什么参数 的数据 , 在哪个位置的数据 , 计算前必须在输入 文件中提前设定 , 一旦开始计算就无法进行更 改 。FDS 数据的输出主要有以下几种形式 :
a 、 以在计算区域内任何位置设置测点 , 获 得所需参数在该位置随时间的变化趋势 。
1 前言
计算机模拟技术在性能化防火设计中得到 普遍应用 , 而场模拟是火灾计算机模拟的重要 组成 部分 。 场模拟软件 FDS 为研究 火灾动力 学和燃烧过程提供了有效工具 。其计算结果能 否应用在消防工程领域以解决实际消防问题 , 取决于计算结果的精度 。
FDS 模 拟 软 件 是 美 国 国 家 标 准 研 究 所 (NIST)建筑与 火灾研究实验室(BFRL)开 发的 产品 ,FDS 模型是以大涡模拟(LES)为基础的三 维计算流体动力学软件(CFD), 可以 模拟火灾 湍流流动过程 。 该软件采用数值方法求解受火 灾浮力驱动的低马赫数流动的 N -S 方程 , 重 点计算火灾中的烟气和热传递过程 。由于 FDS
使用 FDS 和 Smokeview 的一般步骤 : ①建立一个 FDS 输入文件 case -name.data 。FDS 的输入文件包括以下信息 :计算域的 大小 、数字栅格的大小 、计算域内物体的几何形 状 、火源的设定 、燃料类型 、热时放速率 、材料的 热物性 、边界条件等 。 ②运行 FDS , 然后 FDS 生成一个或多个输 出文件 。FDS 的输出参数主要是密度 、温度 、压
一个复杂函数 , 其与火焰通过对流与辐射反馈 的热量和通过固体或液体燃料传导 的热量有
关 。 利用燃料的反应热和蒸发热来预测燃烧速 率会带来计算中潜在的误差 。 一般来说 , 它会 相应地高估传递到燃料表面的热流 , 因此用户 需要设定最大燃烧速率(BURNING_RATE_MAX) 来阻止燃料的过度分解 , 以限制燃料的燃烧速 率在合理的范围内 。