火灾模拟

一、FDS火灾模拟的基本过程
前处理 场景文件
模拟计算 结果文件
后处理
Notepad
FDS
Smokeview Excel、Origin
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。
&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 /
释热速率/KW
3000 2500 2000 1500 1000
&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：
500 0
0
Q t2
ultra-fast fire:α=0.1876 fast fire:α=0.0469 medium fire:α=0.0117 slow fire:α=0.0029
300
600
900
时间/s
1200
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
&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。
（3）表示自然通风时OPEN只能用于边界。
（4）若整个外表面要打开，可采用MB参数。
&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'/
•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
&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'/
计算热释放速率（kW）
1400 1200 1000
备注
/MW
/s
/h
25
728
189.2
t2火
8
900
117.2
t2火
2
370
29.3
t2火
2.5
155
28.3 局部加密
10
370
21.1
2.4
300
12.3
24
900
1.9
t2火
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
&OBST XB=2,4,1,4,0,2,SURF_ID6= 'FIRE','INERT',’HOT' ,’COLD’,’BLOW’,’INERT’/
x 2 x 4 y 1 y 4 z 0 z2
（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。
室外火灾模拟
WFDS
（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'/
■防火设计 ■火因调查 ■灭火指挥
火灾模拟的应用
FDS火灾模拟技术目录
Ⅰ 火灾模拟的过程
Ⅷ 计算结果的输出
Ⅱ 场景文件的格式
Ⅸ 通风
Ⅲ FDS的基本命令
Ⅹ 粒子及其应用
Ⅳ FDS的网格设置
Ⅺ FDS的控制命令
Ⅴ 热边界条件
Ⅻ 全局参数的设置
Ⅵ FDS的热解模型
ⅩⅢ 并行计算
Ⅶ 燃烧模型
ⅩⅣ 建模工具
C值≥0.07时为燃料控制型火灾， C值＜0.07时为通风控制型火灾。
火灾按通风状况的分类
火灾模型 （公式、方程） 求解微分方程 编制火灾模拟软件 建立火灾场景 计算、整理结果 火灾的模拟过程
模拟分类
模拟类型 经验模拟 半物理模拟 物理模拟
模拟方法 经验公式 常微分方程组 偏微分方程组
模拟工具 经验公式 区域模型 场模型
（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？
800 600 400 200
0
0
1
2
3
4
5
1200 1000 800 600 400 200
0
0
设置值：1MW 开 窗：0.2m*m
30
60
90 120 150
热释放速率受通风条件的影响
释热速率/KW
变化热释放速率的设置
1200 1000 800 600 400 200
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 时间/S
试验装置
FDS模型
随着网格尺寸减小，热释放速率增加 Back-Tray case
随着网格尺寸减小，热释放速率减小. Back-Tray case
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）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 （1）VENT表示一个平面，因此XB中坐标有 一个轴是相同的。
&VENT XB=2,3,0,0,0,2,SURF_ID='OPEN'/
（2）VENT必须设置在OBST或MESH语句设置 的计算区域外边界上。
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/
（2）COLOR或RGB参数设置物体的颜色 &OBST XB=1,2,2,2.5,0,0.5,COLOR=‘RED’/ &OBST XB=1,2,2,2.5,0,0.5, RGB=255,0,0 /
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。
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。
三、FDS的基本命令
&HEAD &TAIL &TIME &MESH &OBST &SURF &VENT
Biblioteka Baidu
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。
2 3 4 5 6 8 9 10 12 15 16 18 20 24 25 27 30 32 36 40 45 48 50 54 2160 64 72 75 80 81 90 96 100 108 120 125 22128 135 144 150 160 162 180 192 200 216 225 240 243 250 256 270 288 300 320 324 360 375 384 400 405 432 450 480 486 500 512 540 576 600 625 640 648 675 720 729 750 768 800 810 864 900 960 972 1000 1024
（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）。
z
（5,3,4）
4
y
3
（0,0,0） 5
x
（1）XB参数设置矩形区域范围。
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
名称
体育馆 体育馆 地铁北京站 档烟垂壁 地铁杨思站 地下商场 中庭火灾
网格数 /万 184.3 184.3
191.4 60
125.6 48.5 10.8
HRR
模拟时间 运行时间
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.）
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。
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
火灾具有随机性和确定性的双重性规律。
火灾规律 随机性
确定性
研究手段 统计分析 试验模拟
数值模拟
研究方法 概率论、数理统计 足尺寸、缩尺寸 质量守恒、动量守恒 能量守恒、化学反应规律
C (Aw H)
G
Aw —— 开口面积，m2；
H ——开口高度，m； G ——燃料重量，kg；
——比表面积，通常0.12~0.18m2/kg。
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/