FDS火灾模拟技术

FDS火灾模拟技术Ⅰ

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NotepadFDSSmokeviewExcel、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&VENT1、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‘/（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。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&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）。354xyz（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。（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：2345689101215161824252730323640454850546064727580819096100108120125128135144150160162180192200216225240243250256270288300320324360375384400405432450480486500512540576600625640648675720729750768800810864900960972100010245、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/（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=2,4,1,4,0,2

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？&OBSTXB=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：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/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/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。&SURFID='FIRE'HRRPUA=1000/&OBSTXB=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&SURFID='FIRE',HRRPUA=1000,RAMP_Q='fireramp'/&RAMPID='fireramp',T=0.0,F=0.0/&RAMPID='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。&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。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；&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/（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&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。&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（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'/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Back-Traycase随着网格尺寸减小，热释放速率减小.Back-Traycase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Back-Traycase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8~10）●要设置网格较多时可局部加密网格（自学）

Ⅴ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（specificheat）通过MATL

命令设置热物性系数：&MATLID='BRICK'CONDUCTIVITY=0.69SPECIFIC_HEAT=0.84DENSITY=1600./CONDUCTIVITY

和SPECIFIC_HEAT

可以设置为温度的函数：&MATLID='BRICK'CONDUCTIVITY_RAMP=‘c_ramp’SPECIFIC_HEAT=0.84DENSITY=1600./&RAMPID=‘c_ramp’,T=20,F=1.00&RAMPID=‘c_ramp’,T=50,F=1.05&RAMPID=‘c_ramp’,T=100,F=1.21&RAMPID=‘c_ramp’,T=200,F=1.33&RAMPID=‘c_ramp’,T=500,F=1.332.物体的简单热边界条件&MATLID='BRICK’…/&SURFID='BRICKWALL'MATL_ID='BRICK'THICKNESS=0.20/&OBSTXB=0.1,5.0,1.0,1.2,0.0,1.0,SURF_ID='BRICKWALL'/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。&MATLID=‘BRICK’…/砖&MATLID=‘MORTAR’…/砂浆&SURFID='BRICKWALL'

MATL_ID(1,1)=‘MORTAR‘MATL_ID(2,1)=‘BRICK'THICKNESS(1)=0.02THICKNESS(2)=0.18/&OBSTXB=0.1,5.0,1.0,1.2,0.0,1.0,SURF_ID='BRICKWALL'/若层只有一种材料组成:

MATL_ID=‘MORTAR‘,‘BRICK'THICKNESS=0.02,0.18/&MATLID=‘SAND’…/砂子&MATLID=‘CEMENT’…/水泥石&SURFID='BRICKWALL'

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（backside）的边界条件&SURFMATL_ID=‘MORTAR‘,‘BRICK'THICKNESS=0.02,0.18BACKING=‘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ⅥFDS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&SURFID='FIRE'HRRPUA=1000/&OBSTXB=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。Aspecified

fireisbasicallymodeledastheejectionofgaseousfuelfromasolidsurfaceorvent.2.按确定速率燃烧的固体燃料&MATLID='stuff'CONDUCTIVITY=0.1SPECIFIC_HEAT=1.0DENSITY=900.0/&SURFID='mysurface‘COLOR='GREEN'MATL_ID='stuff'HRRPUA=1000.

IGNITION_TEMPERATURE=500.HEAT_OF_VAPORIZATION=1000.RAMP_Q='fire_ramp'THICKNESS=0.01/&RAMPID='fire_ramp',T=0.0,F=0.0/&RAMPID='fire_ramp',T=10.0,F=1.0/&RAMPID='fire_ramp',T=310.0,F=1.0/&RAMPID='fire_ramp',T=320.0,F=0.0/3.SolidFuelsthatdoNOTBurnataSpecifiedRate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。referencetemperature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.&MATLID='water'DENSITY =1000.CONDUCTIVITY=0.20SPECIFIC_HEAT=4.184N_REACTIONS =1REFERENCE_TEMPERATURE=100.NU_WATER=1.HEAT_OF_REACTION=2500./&MATLID='stuff'DENSITY=500.CONDUCTIVITY=0.20SPECIFIC_HEAT=1.0N_REACTIONS=1REFERENCE_TEMPERATURE=300.NU_FUEL =0.8NU_RESIDUE=0.2RESIDUE='ash'HEAT_OF_REACTION=1000./&MATLID='ash'DENSITY=500.CONDUCTIVITY=0.20SPECIFIC_HEAT=1.0/4.液体燃料（蒸发）&MATLID='ETHANOLLIQUID'NU_FUEL=0.97HEAT_OF_REACTION=880.CONDUCTIVITY=0.17SPECIFIC_HEAT=2.45DENSITY=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（theabsorptionindepthofthermalradiation）。5.燃料的视觉消失(BURN_AWAY)&OBSTXB=…,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。&MATLID='FOAM'

HEAT_OF_REACTION=500.CONDUCTIVITY=0.2SPECIFIC_HEAT=1.0DENSITY=20.

N_REACTIONS=1NU_FUEL=1.REFERENCE_TEMPERATURE=100./&SURFID='FOAMSLAB'MATL_ID='FOAM'THICKNESS=0.05

BURN_AWAY=.TRUE./&OBSTXB=1,2,1,2,0.1,0.3,SURF_ID='FOAMLAB'/&MATLID='FOAM'HEAT_OF_REACTION=500.CONDUCTIVITY=0.2SPECIFIC_HEAT=1.0DENSITY=20.

HEAT_OF_COMBUSTION=3000/&SURFID='FOAMSLAB'MATL_ID='FOAM'

HRRPUA=500IGNITION_TEMPERATURE=120THICKNESS=0.05BURN_AWAY=.TRUE./Ⅶ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。Ifyouonlyspecifythefire’sheatreleaseratewithHRRPUA,thenthereactionparametersmaynotrequireadjusting.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。&MISCCO_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）

ⅧFDS计算结果的输出FDS输出Plot3d文件的显示1.点量的输出:DEVC

命令&DEVCXYZ=3.5,0.5,1.5ID='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&SLCFXB=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&ISOFQUANTITY='TEMPERATURE‘VALUE(1)=50.VALUE(2)=200.VALUE(3)=500./常用输出量输出量（QUANTITY）单位适用命令TEMPERATURE℃D、I、P、SvisibilitymD、I、P、Soxygenmol/molD、I、P、Scarbondioxidemol/molD、I、P、Scarbonmonoxidemol/molD、I、P、S

Ⅸ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&SURFID=‘fan1’,VEL=-1.0/&VENTXB=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）&SURFID=‘fan2’,VOLUME_FLUX=-6.0/&VENTXB=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。

Ⅹ粒子和水喷淋1.粒子的属性:PART

命令DENSITY:默认值1000kg/m3SPECIFIC_HEAT:默认值4.184kj/kg/KHEAT_OF_VAPORIZATION:默认值2259kj/kgH_V_REFERENCE_TEMPERATURE:汽化温度(1)粒子的热物理属性DIAMETER:平均直径,默认值500μm,分布如下:GAMMA_D:γ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(µm)DROPLET_VELOCITY(m/s)DROPLET_MASS(kg)DROPLET_AGE(s)&PARTID='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C2—6×106K/(m/s)0.52.水喷淋模拟(2)模拟喷淋命令&PROPID=‘splk‘QUANTITY='SPRINKLERLINKEMPERATURE',RTI=150,C_FACTOR=0.7,ACTIVATION_TEMPERATURE=68,FLOW_RATE=200(L/min),DROPLET_VELOCITY=5,PART_ID='waterdrops',SPRAY_ANGLE=30,80/&DEVCID='Spr8',XYZ=2.0,1.5,2.8,PROP_ID='splk'/SPRAY_ANGLE=30,80SPRAY_ANGLE=30,80(3)管径水压的影响&PROPID='Mynozzle'PART_ID='waterdrops'FLOW_RATE=0.9OPERATING_PRESSURE=10.0DROPLET_VELOCITY=15.0SPRAY_ANGLE=0.0,80.0PRESSURE_RAMP='PR1'/&RAMPID='PR1'T=1,F=16.0/&RAMPID='PR1'T=2,F=10.0/&RAMPID='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。Inthegasphase,flamesareextinguishedduetoloweredtemperaturesanddilutionoftheoxygensupply.

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。Forthesolidphase,waterreducesthefuelpyrolysisratebycoolingthefuelsurfaceandalsochangingthechemicalreactionsthatliberatefuelgasesfromthesolid.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