煙氣流動(dòng)模擬分析軟件燃燒器火災(zāi)

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)安全計(jì)算分析軟件、煙氣流動(dòng)模擬分析軟件（CFD）、PyroSim煙氣流動(dòng)模擬分析軟件 、消防安全評(píng)估軟件

在本示例中，您將創(chuàng)建一個(gè)500KW的燃燒器火災(zāi)，并測量高度為1.5米的煙羽中心的溫度。本例通過指定熱釋放率（HRR）來定義火災(zāi)。這是消防安全工程師表示火災(zāi)的非常簡單和常用的方法。消防安全評(píng)估軟件

對(duì)于本例，充分理解使用熱釋放速率建模火災(zāi)需要用戶指定兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)：

• 定義燃燒過程中產(chǎn)物和能量釋放的反應(yīng)，
• 定義火災(zāi)大小的熱釋放率（HRR）。當(dāng)指定HRR時(shí)，F(xiàn)DS使用反應(yīng)能來計(jì)算來自表面的相應(yīng)燃料質(zhì)量流率。

一旦反應(yīng)和熱釋放速率確定，氣體燃料從表面流動(dòng)，與空氣混合，并發(fā)生反應(yīng)形成燃燒產(chǎn)物（包括熱）。房間火災(zāi)示例中提供了火災(zāi)建模的較長（但仍很簡短）介紹。

圖1.本例中的燃燒器火災(zāi)

本教程演示如何：

• 創(chuàng)建一個(gè)燃燒器火災(zāi)。
• 添加熱電偶。
• 添加用于溫度可視化的切片平面。
• 使用PyroSim結(jié)果查看3D結(jié)果。
• 使用PyroSim查看2D結(jié)果。

在本示例中，說明將描述使用菜單對(duì)話框的數(shù)據(jù)輸入。這樣做是為了清晰和一致。但是，PyroSim提供了繪圖工具和快捷工具欄，可以加快許多這些任務(wù)。鼓勵(lì)用戶嘗試這些替代方法來創(chuàng)建模型。

選擇國際單位制

選擇國際單位制：

1.在“視圖”菜單上，單擊“單位”，然后選擇“SI”以使用公制顯示值。http://pg.xfjcyq.com/

創(chuàng)建網(wǎng)格

在本例中，我們將使用0.1 m寬的網(wǎng)格單元。該值略小于500 kW火災(zāi)特征直徑（D*）的1/5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，建議的單元尺寸范圍為D*的1/5到1/20，以確保在羽流建模中至少具有中等水平的準(zhǔn)確性（McGrattan，Kevin，et al.2014）。使用較小的網(wǎng)格單元（因子為2）將使誤差減少因子為4，但將使模擬運(yùn)行時(shí)間增加因子為16。

1. 在模型菜單上，單擊編輯網(wǎng)格。
2. 單擊新建。
3. 單擊確定創(chuàng)建網(wǎng)格。
4. 在 Min X 框中，輸入 –1，在 Max X 框中，輸入 1。
5. 在 Min Y 框中，輸入 –1，在 Max Y 框中，輸入 1。
6. 在 Min Z 框中輸入 0，在 Max Z 框中輸入 3。
7. 在 X 單元格框中，鍵入 20。
8. 在 Y 單元格框中，鍵入 20。
9. 在 Z 單元格框中，鍵入 30。
10. 單擊確定保存更改并關(guān)閉編輯網(wǎng)格對(duì)話框。
11. 在視圖菜單上，單擊填充視圖以調(diào)整圖像大小。

圖2.創(chuàng)建網(wǎng)格

定義反應(yīng)

對(duì)于包含燃燒的模擬，用戶必須定義反應(yīng)。

1. 在模型菜單上，單擊編輯反應(yīng)。
2. 單擊從庫中添加。
3. 選擇 POLYURETHANE_GM27 反應(yīng)并將其添加到當(dāng)前模型中。
4. 單擊關(guān)閉。
5. 單擊確定關(guān)閉編輯反應(yīng)對(duì)話框。

創(chuàng)建火災(zāi)表面

表面用于定義 FDS 模型中對(duì)象的屬性。 在此示例中，我們定義了一個(gè)燃燒器（火）表面，該表面以對(duì)應(yīng)于 1000 kW/m2 的速率釋放燃料。 默認(rèn)情況下，F(xiàn)DS 中的所有表面都是 INERT 并保持在固定溫度（通常是環(huán)境溫度）。

我們想指定燃燒器表面的溫度，但可能的范圍很大。 池火可能保持在液體沸點(diǎn)附近 (50-100 °C)，木材的著火溫度范圍為 200-700 °C (Babrauskas, 2001)，以天然氣為燃料的多孔燃燒器的范圍為 530 -750 °C（基于 McCaffre，1979FDS 驗(yàn)證指南）。 我們將假設(shè) 500 °C。

1. 在模型菜單上，單擊編輯表面。
2. 單擊新建。
3. 在表面名稱框中，鍵入火。
4. 在表面類型列表中，為表面類型選擇燃燒器。
5. 單擊確定創(chuàng)建新的燃燒器表面。 默認(rèn)放熱值令人滿意
（圖 3）。
6. 在熱選項(xiàng)卡上，為邊界條件模型選擇固定溫度。 在表面溫度框輸入 500，在發(fā)射率框輸入 0.9。
7. 單擊 OK 保存更改并關(guān)閉 Edit Surfaces 對(duì)話框。

圖 3. 燃燒器表面的默認(rèn)參數(shù)

創(chuàng)造火災(zāi)
為了在我們的模型中定位火災(zāi)（燃料源），我們創(chuàng)建了一個(gè)障礙物并將火面指定到障礙物的頂部。 如果火災(zāi)在模型邊界上，我們可以只使用通風(fēng)口而不包括障礙物。

首先我們創(chuàng)建障礙：

1. 在模型菜單上，單擊新建障礙物。
2. 在 ID 框中，鍵入Fire Obstruction。
3. 單擊幾何選項(xiàng)卡。
4. 在Min X 框中，輸入 –.5，在MaxX 框中，輸入 .5。
5. 在 Min Y 框中，輸入 –.5，在 Max Y 框中，輸入 .5。
6. 在 Min Z 框中輸入 0，在 Max Z 框中輸入 .2。
7. 單擊表面選項(xiàng)卡。
8. 單擊多個(gè)。
9. 對(duì)于 Max Z 曲面，選擇 Fire。
10. 單擊確定以創(chuàng)建新障礙物。

請(qǐng)注意，我們已確保障礙物的幾何形狀與0.1 m的單元尺寸相對(duì)應(yīng)。這就消除了障礙物將捕捉到什么尺寸的任何不確定性。頂表面積為1.0 m2，因此總熱釋放率為1000 kW。

開放的側(cè)面和網(wǎng)頂

我們希望網(wǎng)的側(cè)面和頂部對(duì)氣流開放。這是通過在這些邊界上創(chuàng)建開放曲面來實(shí)現(xiàn)的。PyroSim可以自動(dòng)為網(wǎng)格的全部邊界執(zhí)行此操作。

1.在樹狀視圖中，右鍵單擊 Mesh01，然后單擊“打開網(wǎng)格邊界”。這將在網(wǎng)格的所有側(cè)面創(chuàng)建六個(gè)新的開放通風(fēng)口。

2.由于我們希望底部關(guān)閉，請(qǐng)選擇通風(fēng)孔孔：Mesh01[ZMIN]，然后刪除。

圖4：創(chuàng)建開放網(wǎng)格邊界

添加熱電偶
1. 在設(shè)備菜單上，單擊新建熱電偶。
2. 在設(shè)備名稱框中，鍵入熱電偶在 1.5 m。
3. 在位置行的 Z 框中，輸入 1.5。
4. 單擊確定以創(chuàng)建熱電偶。 它將在模型中心顯示為一個(gè)黃點(diǎn)。
5. 在工具欄上，單擊“顯示標(biāo)簽”按鈕以打開和關(guān)閉標(biāo)簽。

添加切片平面（輪廓平面）

1. 在輸出菜單上，單擊二維切片。

2. 在 XYZ 平面列中，單擊輸入單元格并選擇 Y。

3. 在平面值列中，單擊單元格并鍵入 0。

4. 在氣相數(shù)量列中，單擊單元格并選擇溫度。

5. 在使用向量中？列，選擇否。

6. 以細(xì)胞為中心？列，選擇否。

7. 單擊確定創(chuàng)建切片平面。

8. 重復(fù)，但這次繪制每單位體積的熱釋放率。

9. 重復(fù)，但這次繪制 Velocity 并為向量選擇 YES。

10. 現(xiàn)在添加空氣體積分?jǐn)?shù)圖。在氣相數(shù)量列中，單擊并滾動(dòng)到列表頂部。選擇 [物種數(shù)量]，然后為數(shù)量選擇體積分?jǐn)?shù)，然后為
品種選擇空氣。單擊確定。為向量和單元格居中選擇 NO。按 ENTER 鍵換行。

11. 重復(fù)以繪制 AIR、PRODUCTS 和 REAC_FUEL 的體積分?jǐn)?shù)。看圖 5. 這些圖將向我們顯示反應(yīng)發(fā)生的位置。空氣從開放邊界供應(yīng)，燃料由火面供應(yīng)，產(chǎn)品是燃燒的結(jié)果。

12. 單擊確定關(guān)閉動(dòng)畫平面切片對(duì)話框。

13. 在工具欄上，單擊 Show Slices 按鈕以打開和關(guān)閉切片平面。

圖5：定義切片平面圖。

添加穩(wěn)態(tài)線溫度測量

穩(wěn)態(tài)線測量簡化了線上量的輸出。默認(rèn)情況下，此設(shè)備在模擬的后半部分平均輸出。

1. 在輸出菜單上，單擊統(tǒng)計(jì)。

2. 單擊新建。 對(duì)于數(shù)量，選擇溫度。 單擊確定。

3. 在統(tǒng)計(jì)類型框中，選擇時(shí)間。

4. 單擊行統(tǒng)計(jì)。

5. 選擇穩(wěn)態(tài)配置文件。

6. 對(duì)于 Num Points，輸入 50。

7. 將點(diǎn) 1 Z 更改為 0.2。

8. 將點(diǎn) 2 Z 更改為 3.0。

9. 單擊確定創(chuàng)建設(shè)備。

10. 在工具欄上，單擊統(tǒng)計(jì)區(qū)域按鈕以打開和關(guān)閉該行。

旋轉(zhuǎn)模型以獲得更好的視圖

1. 要重置縮放比例并使模型正確居中，請(qǐng)按 CTRL+R。 PyroSim 現(xiàn)在將沿 Z 軸直視模型。

2. 在 3D 視圖中按下鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)以旋轉(zhuǎn)模型。 在圖 6 中，燃燒器顯示為紅色，熱電偶顯示為黃點(diǎn)。 打開的通風(fēng)口是藍(lán)色的。

圖6.燃燒器火災(zāi)模型

保存模型

1. 在文件菜單上，單擊保存。

2. 選擇一個(gè)位置來保存模型（通常是一個(gè)新文件夾）。 對(duì)于此示例，我們將創(chuàng)建一個(gè)Burner Fire文件夾并將文件命名為Burner fire。

3. 單擊確定保存模型。

運(yùn)行模擬

1. 在 FDS 菜單上，單擊運(yùn)行 FDS。

2. FDS 模擬對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)并顯示模擬的進(jìn)度。 默認(rèn)情況下，PyroSim 指定的結(jié)束時(shí)間為 10 秒。 模擬完成后，PyroSim Results 將啟動(dòng)并顯示模型的 3D 靜止圖像。

在3D中查看煙霧

1.在PyroSim結(jié)果窗口中，雙擊3D Smoke以加載HRRPUV和煙塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)集。

2.要清除PyroSim結(jié)果中的顯示，請(qǐng)?jiān)俅坞p擊3D Smoke。

圖7：單位體積的煙和熱釋放率曲線圖。

空氣、燃料和產(chǎn)品輪廓
在任何位置，空氣、燃料和產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)總和為 1。這些量的典型等值線如圖 8 所示。空氣是大部分模型的大部分體積分?jǐn)?shù)。 燃料是從火面釋放出來的產(chǎn)物是由燃料和空氣混合產(chǎn)生的。 每單位體積的熱釋放率 (HRRPUV) 繪圖顯示了燃燒的位置。

圖8：空氣、燃料和產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)的等高線。藍(lán)色代表零，紅色代表1。

開始（錯(cuò)誤地）假設(shè)熱釋放速率只是一個(gè)簡單的熱源，而不是燃燒的燃料蒸汽。不明白，如果我們指定熱釋放率和燃燒，模擬火災(zāi)將隨時(shí)間而變化，這取決于混合和通風(fēng)。實(shí)際上，如果網(wǎng)格邊界不夠大，未燃燒的燃料蒸汽將被帶出模型邊界，模型熱釋放率將永遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)定值。

圖9：計(jì)算的熱釋放率。這是通過在模型域上積分單位體積的熱釋放率得到的。規(guī)定的HRR為1000kW。當(dāng)燃料與空氣混合并導(dǎo)致燃燒時(shí)，計(jì)算的HRR隨時(shí)間而變化。

查看溫度測量值
可以繪制熱電偶等設(shè)備的輸出：

1. 在 PyroSim 窗口的分析菜單上，單擊繪制時(shí)間歷史結(jié)果。

2. 將出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，顯示可用的不同類型的2D結(jié)果。 選擇burner_devc.csv，點(diǎn)擊打開查看溫度設(shè)備輸出。

圖 10. 溫度時(shí)間歷史圖

查看穩(wěn)態(tài)溫度線測量
可以繪制熱電偶等設(shè)備的輸出：

1. 在burner_fire 文件夾中打開burner_fire_line.csv 文件。

2. 繪制輸出數(shù)據(jù)（圖 11）。

圖 11. 火上方穩(wěn)態(tài)溫度的線圖