烟气流动模拟分析软件燃烧器火灾

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

在本示例中，您将创建一个500KW的燃烧器火灾，并测量高度为1.5米的烟羽中心的温度。本例通过指定热释放率（HRR）来定义火灾。这是消防安全工程师表示火灾的非常简单和常用的方法。消防安全评估软件

对于本例，充分理解使用热释放速率建模火灾需要用户指定两个输入数据：

• 定义燃烧过程中产物和能量释放的反应，
• 定义火灾大小的热释放率（HRR）。当指定HRR时，FDS使用反应能来计算来自表面的相应燃料质量流率。

一旦反应和热释放速率确定，气体燃料从表面流动，与空气混合，并发生反应形成燃烧产物（包括热）。房间火灾示例中提供了火灾建模的较长（但仍很简短）介绍。

图1.本例中的燃烧器火灾

本教程演示如何：

• 创建一个燃烧器火灾。
• 添加热电偶。
• 添加用于温度可视化的切片平面。
• 使用PyroSim结果查看3D结果。
• 使用PyroSim查看2D结果。

在本示例中，说明将描述使用菜单对话框的数据输入。这样做是为了清晰和一致。但是，PyroSim提供了绘图工具和快捷工具栏，可以加快许多这些任务。鼓励用户尝试这些替代方法来创建模型。

选择国际单位制

选择国际单位制：

1.在“视图”菜单上，单击“单位”，然后选择“SI”以使用公制显示值。http://pg.xfjcyq.com/

创建网格

在本例中，我们将使用0.1 m宽的网格单元。该值略小于500 kW火灾特征直径（D*）的1/5。根据经验法则，建议的单元尺寸范围为D*的1/5到1/20，以确保在羽流建模中至少具有中等水平的准确性（McGrattan，Kevin，et al.2014）。使用较小的网格单元（因子为2）将使误差减少因子为4，但将使模拟运行时间增加因子为16。

1. 在模型菜单上，单击编辑网格。
2. 单击新建。
3. 单击确定创建网格。
4. 在 Min X 框中，输入 –1，在 Max X 框中，输入 1。
5. 在 Min Y 框中，输入 –1，在 Max Y 框中，输入 1。
6. 在 Min Z 框中输入 0，在 Max Z 框中输入 3。
7. 在 X 单元格框中，键入 20。
8. 在 Y 单元格框中，键入 20。
9. 在 Z 单元格框中，键入 30。
10. 单击确定保存更改并关闭编辑网格对话框。
11. 在视图菜单上，单击填充视图以调整图像大小。

图2.创建网格

定义反应

对于包含燃烧的模拟，用户必须定义反应。

1. 在模型菜单上，单击编辑反应。
2. 单击从库中添加。
3. 选择 POLYURETHANE_GM27 反应并将其添加到当前模型中。
4. 单击关闭。
5. 单击确定关闭编辑反应对话框。

创建火灾表面

表面用于定义 FDS 模型中对象的属性。 在此示例中，我们定义了一个燃烧器（火）表面，该表面以对应于 1000 kW/m2 的速率释放燃料。 默认情况下，FDS 中的所有表面都是 INERT 并保持在固定温度（通常是环境温度）。

我们想指定燃烧器表面的温度，但可能的范围很大。 池火可能保持在液体沸点附近 (50-100 °C)，木材的着火温度范围为 200-700 °C (Babrauskas, 2001)，以天然气为燃料的多孔燃烧器的范围为 530 -750 °C（基于 McCaffre，1979FDS 验证指南）。 我们将假设 500 °C。

1. 在模型菜单上，单击编辑表面。
2. 单击新建。
3. 在表面名称框中，键入火。
4. 在表面类型列表中，为表面类型选择燃烧器。
5. 单击确定创建新的燃烧器表面。 默认放热值令人满意
（图 3）。
6. 在热选项卡上，为边界条件模型选择固定温度。 在表面温度框输入 500，在发射率框输入 0.9。
7. 单击 OK 保存更改并关闭 Edit Surfaces 对话框。

图 3. 燃烧器表面的默认参数

创造火灾
为了在我们的模型中定位火灾（燃料源），我们创建了一个障碍物并将火面指定到障碍物的顶部。 如果火灾在模型边界上，我们可以只使用通风口而不包括障碍物。

首先我们创建障碍：

1. 在模型菜单上，单击新建障碍物。
2. 在 ID 框中，键入Fire Obstruction。
3. 单击几何选项卡。
4. 在Min X 框中，输入 –.5，在MaxX 框中，输入 .5。
5. 在 Min Y 框中，输入 –.5，在 Max Y 框中，输入 .5。
6. 在 Min Z 框中输入 0，在 Max Z 框中输入 .2。
7. 单击表面选项卡。
8. 单击多个。
9. 对于 Max Z 曲面，选择 Fire。
10. 单击确定以创建新障碍物。

请注意，我们已确保障碍物的几何形状与0.1 m的单元尺寸相对应。这就消除了障碍物将捕捉到什么尺寸的任何不确定性。顶表面积为1.0 m2，因此总热释放率为1000 kW。

开放的侧面和网顶

我们希望网的侧面和顶部对气流开放。这是通过在这些边界上创建开放曲面来实现的。PyroSim可以自动为网格的全部边界执行此操作。

1.在树状视图中，右键单击 Mesh01，然后单击“打开网格边界”。这将在网格的所有侧面创建六个新的开放通风口。

2.由于我们希望底部关闭，请选择通风孔孔：Mesh01[ZMIN]，然后删除。

图4：创建开放网格边界

添加热电偶
1. 在设备菜单上，单击新建热电偶。
2. 在设备名称框中，键入热电偶在 1.5 m。
3. 在位置行的 Z 框中，输入 1.5。
4. 单击确定以创建热电偶。 它将在模型中心显示为一个黄点。
5. 在工具栏上，单击“显示标签”按钮以打开和关闭标签。

添加切片平面（轮廓平面）

1. 在输出菜单上，单击二维切片。

2. 在 XYZ 平面列中，单击输入单元格并选择 Y。

3. 在平面值列中，单击单元格并键入 0。

4. 在气相数量列中，单击单元格并选择温度。

5. 在使用向量中？列，选择否。

6. 以细胞为中心？列，选择否。

7. 单击确定创建切片平面。

8. 重复，但这次绘制每单位体积的热释放率。

9. 重复，但这次绘制 Velocity 并为向量选择 YES。

10. 现在添加空气体积分数图。在气相数量列中，单击并滚动到列表顶部。选择 [物种数量]，然后为数量选择体积分数，然后为
品种选择空气。单击确定。为向量和单元格居中选择 NO。按 ENTER 键换行。

11. 重复以绘制 AIR、PRODUCTS 和 REAC_FUEL 的体积分数。看图 5. 这些图将向我们显示反应发生的位置。空气从开放边界供应，燃料由火面供应，产品是燃烧的结果。

12. 单击确定关闭动画平面切片对话框。

13. 在工具栏上，单击 Show Slices 按钮以打开和关闭切片平面。

图5：定义切片平面图。

添加稳态线温度测量

稳态线测量简化了线上量的输出。默认情况下，此设备在模拟的后半部分平均输出。

1. 在输出菜单上，单击统计。

2. 单击新建。 对于数量，选择温度。 单击确定。

3. 在统计类型框中，选择时间。

4. 单击行统计。

5. 选择稳态配置文件。

6. 对于 Num Points，输入 50。

7. 将点 1 Z 更改为 0.2。

8. 将点 2 Z 更改为 3.0。

9. 单击确定创建设备。

10. 在工具栏上，单击统计区域按钮以打开和关闭该行。

旋转模型以获得更好的视图

1. 要重置缩放比例并使模型正确居中，请按 CTRL+R。 PyroSim 现在将沿 Z 轴直视模型。

2. 在 3D 视图中按下鼠标左键并拖动以旋转模型。 在图 6 中，燃烧器显示为红色，热电偶显示为黄点。 打开的通风口是蓝色的。

图6.燃烧器火灾模型

保存模型

1. 在文件菜单上，单击保存。

2. 选择一个位置来保存模型（通常是一个新文件夹）。 对于此示例，我们将创建一个Burner Fire文件夹并将文件命名为Burner fire。

3. 单击确定保存模型。

运行模拟

1. 在 FDS 菜单上，单击运行 FDS。

2. FDS 模拟对话框将出现并显示模拟的进度。 默认情况下，PyroSim 指定的结束时间为 10 秒。 模拟完成后，PyroSim Results 将启动并显示模型的 3D 静止图像。

在3D中查看烟雾

1.在PyroSim结果窗口中，双击3D Smoke以加载HRRPUV和烟尘质量分数数据集。

2.要清除PyroSim结果中的显示，请再次双击3D Smoke。

图7：单位体积的烟和热释放率曲线图。

空气、燃料和产品轮廓
在任何位置，空气、燃料和产物的体积分数总和为 1。这些量的典型等值线如图 8 所示。空气是大部分模型的大部分体积分数。 燃料是从火面释放出来的产物是由燃料和空气混合产生的。 每单位体积的热释放率 (HRRPUV) 绘图显示了燃烧的位置。

图8：空气、燃料和产品体积分数的等高线。蓝色代表零，红色代表1。

开始（错误地）假设热释放速率只是一个简单的热源，而不是燃烧的燃料蒸汽。不明白，如果我们指定热释放率和燃烧，模拟火灾将随时间而变化，这取决于混合和通风。实际上，如果网格边界不够大，未燃烧的燃料蒸汽将被带出模型边界，模型热释放率将永远达不到规定值。

图9：计算的热释放率。这是通过在模型域上积分单位体积的热释放率得到的。规定的HRR为1000kW。当燃料与空气混合并导致燃烧时，计算的HRR随时间而变化。

查看温度测量值
可以绘制热电偶等设备的输出：

1. 在 PyroSim 窗口的分析菜单上，单击绘制时间历史结果。

2. 将出现一个对话框，显示可用的不同类型的2D结果。 选择burner_devc.csv，点击打开查看温度设备输出。

图 10. 温度时间历史图

查看稳态温度线测量
可以绘制热电偶等设备的输出：

1. 在burner_fire 文件夹中打开burner_fire_line.csv 文件。

2. 绘制输出数据（图 11）。

图 11. 火上方稳态温度的线图