煙氣流動模擬分析軟件燃燒器火災

關鍵詞：結構安全計算分析軟件、煙氣流動模擬分析軟件（CFD）、PyroSim煙氣流動模擬分析軟件 、消防安全評估軟件

 

在本示例中，您將創建一個500KW的燃燒器火災，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。這是消防安全工程師表示火災的非常簡單和常用的方法。消防安全評估軟件

 

對于本例，充分理解使用熱釋放速率建模火災需要用戶指定兩個輸入數據：

• 定義燃燒過程中產物和能量釋放的反應，
• 定義火災大小的熱釋放率（HRR）。當指定HRR時，FDS使用反應能來計算來自表面的相應燃料質量流率。

 

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

 

圖1.本例中的燃燒器火災

 

本教程演示如何：

• 創建一個燃燒器火災。
• 添加熱電偶。
• 添加用于溫度可視化的切片平面。
• 使用PyroSim結果查看3D結果。
• 使用PyroSim查看2D結果。

 

在本示例中，說明將描述使用菜單對話框的數據輸入。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。鼓勵用戶嘗試這些替代方法來創建模型。

 

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://www.otbwm.cn/

 

創建網格

在本例中，我們將使用0.1 m寬的網格單元。該值略小于500 kW火災特征直徑（D*）的1/5。根據經驗法則，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確性（McGrattan，Kevin，et al.2014）。使用較小的網格單元（因子為2）將使誤差減少因子為4，但將使模擬運行時間增加因子為16。

 

1. 在模型菜單上，單擊編輯網格。
2. 單擊新建。
3. 單擊確定創建網格。
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閉編輯網格對話框。
11. 在視圖菜單上，單擊填充視圖以調整圖像大小。

 

圖2.創建網格

 

定義反應

對于包含燃燒的模擬，用戶必須定義反應。

1. 在模型菜單上，單擊編輯反應。
2. 單擊從庫中添加。
3. 選擇 POLYURETHANE_GM27 反應并將其添加到當前模型中。
4. 單擊關閉。
5. 單擊確定關閉編輯反應對話框。

 

創建火災表面

表面用于定義 FDS 模型中對象的屬性。 在此示例中，我們定義了一個燃燒器（火）表面，該表面以對應于 1000 kW/m2 的速率釋放燃料。 默認情況下，FDS 中的所有表面都是 INERT 并保持在固定溫度（通常是環境溫度）。

 

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 驗證指南）。 我們將假設 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. 單擊確定創建新的燃燒器表面。 默認放熱值令人滿意
（圖 3）。
6. 在熱選項卡上，為邊界條件模型選擇固定溫度。 在表面溫度框輸入 500，在發射率框輸入 0.9。
7. 單擊 OK 保存更改并關閉 Edit Surfaces 對話框。

 

圖 3. 燃燒器表面的默認參數

 

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

 

首先我們創建障礙：

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. 單擊表面選項卡。
8. 單擊多個。
9. 對于 Max Z 曲面，選擇 Fire。
10. 單擊確定以創建新障礙物。

 

請注意，我們已確保障礙物的幾何形狀與0.1 m的單元尺寸相對應。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。

 

開放的側面和網頂

我們希望網的側面和頂部對氣流開放。這是通過在這些邊界上創建開放曲面來實現的。PyroSim可以自動為網格的全部邊界執行此操作。

 

1.在樹狀視圖中，右鍵單擊 Mesh01，然后單擊“打開網格邊界”。這將在網格的所有側面創建六個新的開放通風口。

2.由于我們希望底部關閉，請選擇通風孔孔：Mesh01[ZMIN]，然后刪除。

 

 

圖4：創建開放網格邊界

 

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

 

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. 以細胞為中心？列，選擇否。

7. 單擊確定創建切片平面。

8. 重復，但這次繪制每單位體積的熱釋放率。

9. 重復，但這次繪制 Velocity 并為向量選擇 YES。

10. 現在添加空氣體積分數圖。在氣相數量列中，單擊并滾動到列表頂部。選擇 [物種數量]，然后為數量選擇體積分數，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. 重復以繪制 AIR、PRODUCTS 和 REAC_FUEL 的體積分數。看圖 5. 這些圖將向我們顯示反應發生的位置。空氣從開放邊界供應，燃料由火面供應，產品是燃燒的結果。

12. 單擊確定關閉動畫平面切片對話框。

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

 

 

圖5：定義切片平面圖。

 

添加穩態線溫度測量

穩態線測量簡化了線上量的輸出。默認情況下，此設備在模擬的后半部分平均輸出。

1. 在輸出菜單上，單擊統計。

2. 單擊新建。 對于數量，選擇溫度。 單擊確定。

3. 在統計類型框中，選擇時間。

4. 單擊行統計。

5. 選擇穩態配置文件。

6. 對于 Num Points，輸入 50。

7. 將點 1 Z 更改為 0.2。

8. 將點 2 Z 更改為 3.0。

9. 單擊確定創建設備。

10. 在工具欄上，單擊統計區域按鈕以打開和關閉該行。

 

旋轉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，請按 CTRL+R。 PyroSim 現在將沿 Z 軸直視模型。

2. 在 3D 視圖中按下鼠標左鍵并拖動以旋轉模型。 在圖 6 中，燃燒器顯示為紅色，熱電偶顯示為黃點。 打開的通風口是藍色的。

 

圖6.燃燒器火災模型

 

保存模型

1. 在文件菜單上，單擊保存。

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

3. 單擊確定保存模型。

 

運行模擬

1. 在 FDS 菜單上，單擊運行 FDS。

2. FDS 模擬對話框將出現并顯示模擬的進度。 默認情況下，PyroSim 指定的結束時間為 10 秒。 模擬完成后，PyroSim Results 將啟動并顯示模型的 3D 靜止圖像。

 

在3D中查看煙霧

1.在PyroSim結果窗口中，雙擊3D Smoke以加載HRRPUV和煙塵質量分數數據集。

2.要清除PyroSim結果中的顯示，請再次雙擊3D Smoke。

 

圖7：單位體積的煙和熱釋放率曲線圖。

 

空氣、燃料和產品輪廓
在任何位置，空氣、燃料和產物的體積分數總和為 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數。 燃料是從火面釋放出來的產物是由燃料和空氣混合產生的。 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、燃料和產品體積分數的等高線。藍色代表零，紅色代表1。

 

開始（錯誤地）假設熱釋放速率只是一個簡單的熱源，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，模擬火災將隨時間而變化，這取決于混合和通風。實際上，如果網格邊界不夠大，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達不到規定值。

 

圖9：計算的熱釋放率。這是通過在模型域上積分單位體積的熱釋放率得到的。規定的HRR為1000kW。當燃料與空氣混合并導致燃燒時，計算的HRR隨時間而變化。

 

查看溫度測量值
可以繪制熱電偶等設備的輸出：

1. 在 PyroSim 窗口的分析菜單上，單擊繪制時間歷史結果。

2. 將出現一個對話框，顯示可用的不同類型的2D結果。 選擇burner_devc.csv，點擊打開查看溫度設備輸出。

 

圖 10. 溫度時間歷史圖

 

查看穩態溫度線測量
可以繪制熱電偶等設備的輸出：

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

2. 繪制輸出數據（圖 11）。

 

圖 11. 火上方穩態溫度的線圖

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