如何使用消防评估软件中烟气流动模拟压力泄露

关键词：结构安全计算分析软件、烟气流动模拟分析软件（CFD）、PyroSim烟气流动模拟分析软件 、消防安全评估软件

1、简介

这篇文章给出了使用压力区和HVAC通风口进行泄漏建模的示例。自2017.2版本以来，PyroSim在用户界面中支持压力区和局部HVAC泄漏。泄漏是指当隔间被火加压时，空气通过小间隙（即在门的顶部）逸出。泄漏面积可以小于网格尺寸，因此不能直接对间隙建模，而是使用FDS中的HVAC模型将泄漏隔间连接到外部。

“泄漏的隔间表面可以被认为是一个大的暖通空调通风口，它通过一个非常小的管道连接到外面。这允许在域中的大面积上消除泄漏（就像在现实中一样），同时正确捕获泄漏路径的实际区域。对此有两种方法。第一种方法是仅利用压力区。压力区是计算域内用户指定的体积，完全被固体障碍物包围。例如，封闭房间的内部可以并且应该被声明为压力区。在这种方法中，压力区内的表面被表示为泄漏，这些表面可以被认为是一个HVAC通风口，它通过一个细小的管道连接到外部，其面积是泄漏区域。第二种方法适用于位置明确的泄漏（裂缝尺寸为亚网格的开裂门）或烟囱效应很重要的泄漏。它使用局部压力（包括区域压力），允许泄漏量变化。”将演示这两种方法。消防评估软件

2. 使用压力区

使用密封隔间时，压力区的概念很重要。如FDS手册中所述：

“FDS假设压力由“背景”分量和扰动压力组成。大多数情况下，p 只是静水压力，而 ~p 是流动引起的空间分辨扰动。您可以在计算域内指定任意数量的密封隔间，这些隔间可以有自己的“背景”压力，这些隔间或“压力区”可以通过泄漏和管道路径连接，其流量与压力相关相邻区域。”

用户负责识别和定义与密封隔间相对应的压力区域。如果密封隔间内的解决方案对您的模拟很重要，那么您必须为该隔间定义一个压力区。如果隔离房间对模拟不感兴趣，则不需要压力区。定义压力区时：

1. “压力区必须完全位于以固体障碍物为边界的区域内。如果密封区域不是矩形，FDS将扩展指定的ZONE边界以符合非矩形区域。”

2. “压力区可以跨越多个网格。如果 ZONE 跨越多个网格，请确保指定的直角坐标也是如此。这允许 FDS 为每个网格独立确定 ZONE 的实际范围。”

3. “可以通过清除压力区之间的障碍物来打破它们。如果您计划通过移除障碍物让一个区域向另一个区域开放，请确保两个区域的坐标相邻（即接触），即使其中一个区域包含分隔它们的固体障碍物。”http://pg.xfjcyq.com/

下面的zone_shape示例演示了在求解过程中使用压力分区和分区之间的开口连接。图1显示了由两个密封隔室组成的模型。在时间零点，送风机向1号房间添加空气，给1号房间加压。鼓风机在5秒时停止，因此1号房间的压力保持恒定，直到10秒时内门打开。这会降低1号房间的压力，增加2号房间的压力，直到压力相等。20秒时，2号房间的外门打开。这会将空气排放到外部，全部压力都会恢复到环境压力。

图 1. zone_shape 模型。

两个房间都必须使用压力区。 图 2显示了用于求解的两个网格和两个压力区边界。因为房间1是L形的，所以区域1被定义在房间内，我们依靠FDS来扩展边界以符合非矩形区域。请注意，区域1有意跨越两个网格。

图 2. 模型中定义的两个网格和两个区域。

解决方案如图 3所示，与预期结果相符。

图 3. 作为时间函数的房间压力。

批注：如果您没有为此模型定义两个内部压力区，您将无法在每个房间中获得正确的压力。例如，删除内门和外门，使房间2完全隔离。如果您只是使用默认压力区，则只有一个背景压力，并且房间2中的压力将与房间 1 中的压力相同，即使没有流入房间2的流量。或者，如果您在房间2中添加一个开放式通风口，即使尽管送风口向房间1增加空气并且与房间2没有连接，但房间1的背景压力将保持为零。

3. 压力区泄漏

正如FDS手册中所述，“压力区泄漏方法旨在捕获通过墙壁发生的大量泄漏。” ( McGrattan et al. 2019 ) 压力区泄漏利用两个区“背景”压力之间的压差来计算泄漏流量。假设流量很小，并且流入一个区域的流量将处于该区域的温度（没有来自发生泄漏的区域的热传输）。

将使用图 4所示的模型进行说明。压力区泄漏分为三个步骤：

11. 定义区域。

2. 定义泄漏表面。

3. 将泄漏表面应用于两个区域都有边界的实体。

PyroSim 图形界面支持压力区泄漏。以下步骤用于创建如下所示的模型。

1. 定义区域 1（使用工具绘制或双击树中的区域）。这是一个由INERT表面和障碍物包围的封闭区域。指定泄漏区域。

2. 创建泄漏表面。表面类型是漏气。指定区域 1 和区域 0（默认外部区域）之间的泄漏路径。

3. 创建一个使用泄漏表面的障碍物。

在本例中，空气通过1㎡的通风口以1 kg/s的速率供应。渗漏面积为0.1㎡。然后空气通过障碍物流向开放边界。

图 4. 压力区模型。空气供应到1区，泄漏到0区并从OPEN通风口流出。

由于流速已知，因此可以使用FDS用户指南中的公式 9.6 计算预期压降：

泄漏方程

区域1中的计算达到与预期值匹配的稳态值。

4. 局部泄漏

正如FDS手册中所述，“局部泄漏方法旨在表示通过特定裂缝的泄漏。例如，一扇裂开的门可能有一个太小而无法用网格解决的开口。有人会；然而，仍然想捕捉到热气体可以从裂缝顶部逸出而冷气体进入底部的事实。”

如图5所示，将先使用先前模型的变体来说明局部泄漏。

图 5. 在障碍物的顶部和底部使用局部泄漏的模型。

使用以下步骤创建此模型：

1. 定义区域 1。 区域 1 和区域 0 之间的泄漏面积为零。

2. 在区域之间创建障碍物。

3. 定义障碍物顶部和底部的内部和外部通风口。

4. 创建类型为LEAK的新HVAC构件，该构件连接内部和外部顶部通风口。指定泄漏面积为0.1 m2。单击“启用泄漏焓”。

5. 重复并制作一个连接内部和外部底部通风口的泄漏型HVAC部件。指定泄漏面积为0.1 m2。单击“启用泄漏焓”。

这种情况的结果如图 6所示。起初，1 区的热空气上升，进入 0 区的热空气仅在顶部。当第 1 区充满热空气时，底部通风口的空气也很热。

图 6. 提供热空气时的温度，模型使用局部泄漏。在 15 秒时，热空气从顶部通风口泄漏，而底部通风口仍然泄漏冷空气。

5. FDS 验证示例 leak_test_2

图 7显示了FDS 验证指南中描述的leak_test_2模型。 “两个隔间（每个 0.9 m x 1 m x 1 m）通过一个小风扇和地板漏水连接。在风扇排放侧的地板上增加了第二个泄漏孔。该通风口泄漏到环境中。当模拟开始时，风扇将空气从一个隔间推向另一个隔间。随着压力升高，泄漏量增加，直至泄漏流量与风机流量相等。由于一些来自内部隔间的空气被排放到环境中，两个隔间的平均压力降低，直到内部隔间的压力等于环境的压力。此时，没有更多的泄漏到外面，风扇流量等于两个隔间之间的泄漏流量。”

图 7. 用于leak_test_2 的模型显示HVAC 风扇和泄漏通风口。

图8显示了10秒时的压力矢量。矢量的颜色对应于压力，矢量显示速度。

图 8.leak_test_2 在 10 秒时的结果。矢量的颜色表示压力，矢量表示速度。

6. FDS 验证示例 door_crack

图 9显示了 FDS 用户指南中描述的door_crack模型，可用作验证问题。 “这个例子涉及一个小隔间，其中一面墙上有一个风扇，另一面墙上有一扇关闭的门，底部有泄漏。一个小（160 千瓦）的火被添加到隔间。起初，由于火产生的热量和风扇将空气吹入隔间，压力升高。终于，隔间内的压力升高超过了风扇的最大压力，此时隔间开始从风扇和泄漏处排出。由于火灾，压力将继续上升，直到由于泄漏和通过风扇回流造成的压力释放等于火灾引起的压力增加。”

图 9. door_crack 仿真中使用的模型。

结果如图10 50 s所示。此时，风扇正在向车厢内吹气。稍后，隔间空气通过风扇和泄漏处流出。

图 10. 50 秒时的烟雾和速度矢量。