火灾模拟软件FDS中的火源设定

火灾模拟软件FDS中的火源设定

摘要：FDS(Fire Dynanmics Simulator)是燃烧驱动流体流动的计算流体动力学模型(CFD)。该软件采用数值方法求解受火灾动力驱动的低马赫数流动的N-S 方程，重点是计算火灾中的烟气和热传导过程。到目前为止，这个模型大约有一半的应用是进行烟雾处理系统的设计和喷头/探测器的激活研究。另外一半包含了住宅或工业火灾重建的研究。

而不管是研究火灾中的烟气流动、热传导过程、还是探测器的激活，都需要有一个合理设置的火源。只有火源设置的合理，才能真正模拟、重现火灾。若火源的设置出现问题，那么后续的模拟研究都不会准确。

关键字：FDS 火源

1 FDS中燃烧和热辐射模型的简介

FDS中容易混淆的地方是气相燃烧和固相分解之间的区别。气相燃烧是指燃料蒸气和氧气的反应；固相分解是指固体或液体表面燃料蒸气的产生。尽管FDS 火灾模拟中存在多种类型的燃烧物，在模拟中只能有一个气态的燃料。实际上，只是指定了一个单气相反应，代替了所有潜在的燃料来源。

描述气相反应有两个途径。默认情况下，是利用混合分数模型来说明整个燃烧过程中的从起始表面产生燃料气体的演化。另一个是采用有限率方法，在这种情况下，燃烧过程中每个类别的气体都分别被单独的定义和追踪。这种方法比混合分数模型要复杂。常用的就是混合分数模型，本文只对它着重介绍。

2 混合分数模型下FDS中设定火源的方法

FDS中有两个途径指定一个火源。一种是在SURF行上指定一个Heat Release Rate Per Unit Area HRRPUA。另一种是指定一个HEAT_OF_REACTION，连同还要指定MATL行上的其它参数。这两种方法中，参数的设置会自动调用混合分数模型。

混合分数模型中使用一个单独的REAC行。如果输入文件中没有REAC行，会使用丙烷作为替代燃料，并且所有的燃烧速度都会得到相应的调整。

如果只是指定了火源的热释放速率HRRPUA，反应参数可能不需要调整，不需要在输入文件中添加任何的REAC行。然而，如果知道关于主要燃料气体的情况，应考虑通过REAC行至少指定基本的化学计量数。FDS会利用这些信息来决定燃烧的产物量。

2.1 在SURF行上指定HRRPUA设定火源的方法

如果只是想简单地得到一个给定热释放速度（HRR）的火源，不需要指定任何材料的性质。输入文件中也不需要添加REAC行。它只是建立了一个基本的模型，假设为从一个固体表面或通风口喷射出气体燃料。

SURF组定义流域中或流域边界上所有实体表面或开口的结构。每个SURF 行包含一个识别字符串ID='……'，以便使障碍物或者通风口与它关联起来。

这只是一个简单的火源，有单位面积热释放速度（HRRPUA），单位是kW/m2。

例如：

&SURF ID='FIRE',HRRPUA=1000.0 /

&OBST XB=2.0,4.0,1.0,5.0,0.0,0.3,SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT' /

这两个语句表示OBST的上表面的边界条件是SURF ID='FIRE'，也就是一个单位面积热释放速率为1000kW/m2的火源，障碍物OBST的上表面积是2×4=8m2，也就是热释放速率为1000×8=8MW的一个火源。

只指定HRRPUA的火源，其功率会在模拟的开始1s时间内立即就达到指定功率。如下图所示：

图2.1 功率为8MW的火源热释放速率图

如果要控制火源的速度，可以指定SURF行上边界条件的时间关系曲线。边界条件可以通过指定的函数或用户自定义的函数来设置成随时间变化的量。参数TAU_Q表示热释放速度在TAU时间内逐步增加至指定值，并停留在这个值上。如果TAU_Q是正值，热释放速度以双曲正切函数（t/τ）增加。若是负值，则以（t/τ）2函数增加[1]。

例如：

&SURF ID='FIRE',HRRPUA=1000.0 ,TAU_Q=10/

&OBST XB=2.0,4.0,1.0,5.0,0.0,0.3,SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT' /

如下图所示：

图2.2前10s热释放速率以双曲正切函数增加的火源图

图2.3前10s热释放速率以（t/τ）2函数增加的火源图

如果需要tanh或t2以外的函数，那么需要输入用户自己定义的燃烧随时间的变化关系。这就需要用到RAMP行。

例如：

&SURF ID='FIRE',HRRPUA=1000.0 ,RAMP_Q='function'/

&OBST XB=2.0,4.0,1.0,5.0,0.0,0.3,SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT' /

&RAMP ID='function',T=0.0,F=0.0 /

&RAMP ID='function',T=5.0,F=0.5 /

&RAMP ID='function',T=15.0,F=1.0 /

&RAMP ID='function',T=25.0,F=0.5 /

&RAMP ID='function',T=30.0,F=0.2 /

注意：这里的T表示时间，F表示T时刻的热释放速率与最大热释放速率的比值。

上述参数表示的火源如下图所示：

图2.4 热释放速率以自定义函数变化图

2.2指定HEAT_OF_REACTION设定火源的方法

只是指定HRRPUA的火源，没有考虑到火源燃烧过程中的实际情况，只是给出了一个燃烧产生的效果。而实际中的燃烧可能还有复杂的分解过程，材料的其它性质来影响到燃烧的过程。上面说到过模拟中只能有一个气态的燃料，也就是说其它的燃料要分解成气体来燃烧。FDS中描述固体和液体的分解有好几种方法。采用哪种方法在很大程度上取决于所知的材料性质情况，和分解模型的合适性。

2.2.1固体燃烧物

固体物质通过SURF行来描述，SURF行包含组成它的各类物质MATL。每个MATL可以进行几个反应，指定N_REACTIONS来表示其发生几个反应。每一个反应可以产生一个固体RESIDUE，水蒸汽，和/或燃料蒸气。确定每个反应的产物：固体RESIDUE，水蒸汽，和/或燃料蒸气。这些信息通过yields

NU_RESIDUE(j)，NU_WATER(j)，和NU_FUEL(j) 来表示。理想情况下，产物数量的总和应是1，表示反应物的质量守恒。接下来要制定所知物质的分解速度。通常情况下，指定REFERENCE_RATE(S-1)和

REFERENCE_TEMPERATURE(℃)。REFERENCE_RATE的默认值是0.1s-1。REFERENCE_TEMPERATURE(℃)是指在这个温度下，所指材料的质量分数以0.1s-1的速度进行了分解反应。最后还要指明每单位质量的反应物转化为其它物