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煙氣流動(dòng)分析軟件操作說(shuō)明書(shū)

1. 運(yùn)行一個(gè)FDS例子
1.1 啟動(dòng)PyroSim(并打開(kāi)Example Guide, Chapter 1)。具體就不多說(shuō)了，開(kāi)始>程序>…………
下面是PyroSim啟動(dòng)時(shí)的截圖，上面有中文“火”的寫(xiě)法，但是看起來(lái)似乎是源自日文漢字(Kanji)的火。但是開(kāi)發(fā)PyroSim的Thunderhead engineering是一家位于美國(guó)的公司。
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1.2 建立網(wǎng)格
選擇Model > Edit Grid ... 在跳出的面板上點(diǎn)New。把網(wǎng)格的邊界設(shè)置為Min X = 0，Max X = 10，Min Y = 0，Max Y = 10，Min Z = 0，Max Z = 10。同時(shí)把網(wǎng)格數(shù)量設(shè)為X cells = 20，Y cells = 20，Z cells = 20。如下圖所示：
在FDS里面，基本形狀只能是長(zhǎng)方體的(盡管通過(guò)長(zhǎng)方體的組合，能模擬復(fù)雜的幾何形狀)。網(wǎng)格也只能是正交網(wǎng)格(點(diǎn)確定后可以看到)。這個(gè)例子是模擬風(fēng)洞內(nèi)的燃燒，風(fēng)洞尺寸為10米*10米*10米。每邊劃分成20個(gè)網(wǎng)格，總共有8000個(gè)網(wǎng)格。在FDS中，由于求解器的特殊要求，每邊劃分的單元數(shù)通常要求是2，3或5的倍數(shù)。
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點(diǎn)擊OK后，網(wǎng)格就生成了，如下圖所示：
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1.3 定義粒子
這里的粒子并不是通常CFD軟件里的拉格朗日粒子，只是為了后處理方便而定義的示蹤粒子。選擇Model > Edit Particles ...，然后點(diǎn)New。不要選Particle Have Mass，這樣粒子沒(méi)有質(zhì)量，僅是示蹤粒子。選中Color Particles During Animation，使用默認(rèn)的顏色，紅色。這樣在結(jié)果中會(huì)有紅色的示蹤粒子。
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1.4 建立面
實(shí)際上，在建立網(wǎng)格的時(shí)候，我們已經(jīng)得到了計(jì)算模型。這里的面是用來(lái)定義邊界條件。要注意的是，這里僅僅定義邊界條件，而沒(méi)有給模型中的面指定邊界條件。也就是說(shuō)只定義邊界上的物理?xiàng)l件，但并沒(méi)有和模型中的邊界聯(lián)系起來(lái)。
定義入口邊界。Model > Edit Surface Properties ...，點(diǎn)New。Surface name是BLOW，使用INERT作為模板。選擇surface type為 "Fan/Wind”。然后下面會(huì)有很多選項(xiàng)。系統(tǒng)定義的表面類(lèi)型都有明確的物理意義，還是比較好懂的。Fan/Wind里可以定義入口空氣的溫度和速度。為了便于區(qū)分，把Color選成藍(lán)色。Air Temperature = 20 C，Specify Normal Velocity = -1.0 m/s。-1.0 m/s代表氣流速度為1m/s，方向?yàn)檫M(jìn)入計(jì)算域(+1.0m/s為出)。第三個(gè)標(biāo)簽下，選中Emit Particles，Particle Type = PART。后點(diǎn)OK。各步驟的截圖如下：
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在這里例子里面，只需要定義BLOW這一個(gè)面，其余的面可以用系統(tǒng)定義的來(lái)表示。
1.5 定義邊界條件
這里是真正指定表面的邊界條件。
定義入口。選擇Model > New Vent ...，在Specification標(biāo)簽下，Description = Vent Blow，Type = BLOW，Lies in the plane X = 0.0，Min Y = 3，Max Y = 7，Min Z = 3，Max Z = 7。在X=0平面上，有4*4的范圍為BLOW的邊界條件。點(diǎn)OK，離開(kāi)界面。具體操作和操作后的結(jié)果為：
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定義出口。步驟和上面的基本一樣，Model > New Vent ... > New。Description = Vent Open，Type = Open，Lies in Plane X = 10，Min Y = 3， Max Y = 7，Min Z =3，Min Z = 7。在和入口相對(duì)的面上，有一個(gè)4*4的通風(fēng)口。
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1.6 定義切面
FDS使用LES模型模擬湍流，會(huì)產(chǎn)生大量的瞬時(shí)數(shù)據(jù)。FDS里面需要定義切面，只有切面數(shù)據(jù)會(huì)保存。
Output > Slices ...。XYZ plane = Y，Plane value = 5，Gas Phase Quantity = Velocity，Use Vector = No。OK。在Y=5平面上，保存速度值，但是不保存矢量。
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1.7 設(shè)定模擬參數(shù)
FDS > Simulation Parameters ...。Simulation Title = Wind Tunnel，Specify Duration = 60 s，Initial Time Step = 0.15 s。數(shù)值模擬總時(shí)長(zhǎng)為60秒，初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.15秒(后面的時(shí)間步長(zhǎng)有系統(tǒng)自動(dòng)決定)。OK。
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1.8 運(yùn)行FDS
FDS > Run FDS ... 先要保存一個(gè)*.data文件(自行命名)。然后FDS開(kāi)始求解，求解過(guò)程如下圖所示：
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1.9 檢查結(jié)果
FDS算完60秒后，會(huì)自動(dòng)彈出SmokeView窗口。在上面點(diǎn)右鍵Load/Unload > Slice File > VELOCITY > *Y=5.0。會(huì)顯示前面定義的切面上的速度云圖。
在上面點(diǎn)右鍵Load/Unload > Particle file > *SMOKE/WATER。會(huì)顯示粒子軌跡。
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至此，我們已經(jīng)完成了FDS里面的個(gè)練習(xí)。下面可以修改上面的例子，做一個(gè)隧道內(nèi)火災(zāi)的模擬。
2. 隧道火災(zāi)模擬
隧道內(nèi)的火災(zāi)模擬是一個(gè)很常見(jiàn)的FDS應(yīng)用。如果在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，如果通風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有工作，燃燒產(chǎn)生的煙會(huì)向兩邊對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散，引起能見(jiàn)度的下降，和對(duì)隧道內(nèi)人員的健康威脅。通常，需要在隧道入口裝風(fēng)扇，把煙吹向出口，這樣煙霧就不會(huì)向入口擴(kuò)散。煙霧向上游的擴(kuò)散成為是逆流(back layer flow)。入口風(fēng)速大，逆流長(zhǎng)度就小，或者沒(méi)有逆流；入口風(fēng)速小，逆流長(zhǎng)度就長(zhǎng)。逆流長(zhǎng)度剛好為零的入口風(fēng)速成為是臨界速度(critical velocity)。FDS廣泛使用于逆流的研究。
這里要做的是一個(gè)60*16*6的隧道。入口速度是3m/s，入口溫度是25C。在底部有一塊8*8的燃燒區(qū)域，火災(zāi)大小為100MW。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題沒(méi)有模擬過(guò)程，而是直接把100兆瓦的熱量直接分布在64平方米的面積上，折合1562.5kw/m2。
2.1 繼續(xù)前面的模型
下面要修改前面建立的模型。如果模型沒(méi)有打開(kāi)，可以打開(kāi)保存的*.psm或者*.data文件。
2.2 建立網(wǎng)格
在左邊的樹(shù)形目錄上，雙擊Grids > GRID。在彈出的面板上，修改Max X = 60，Max Y = 16，Max Z = 6，X cells = 120，Y cells = 32，Z cells = 12。OK。點(diǎn)OK后，可能模型不在屏幕中央，可以點(diǎn)擊工具欄上右數(shù)倒數(shù)第二個(gè)圖標(biāo)(Reset View to All Visible Objects)重置顯示。步驟和結(jié)果如下所示：
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2.3 建立面
這里需要建立兩個(gè)面。個(gè)面是入口，修改前面的BLOW條件；第二個(gè)面是FIRE，需要?jiǎng)?chuàng)建。
在左邊雙擊Surfaces > BLOW。Properties > Air Temperature = 25 C。Air Flow > Specify Normal Velocity = -3 m/s。
Model > Edit Surface Properties ... > New...，Surface Name = FIRE，OK。Surface Type = Non-Flammable Solid。Boundary Conditions > Boundary Types = Fixed Heat Flux，Heat Flux = 1562.5，OK。
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2.4 定義邊界條件
按照上面的描述，有三個(gè)邊界條件需要定義。
雙擊Model > Vent Blow。把整個(gè)X=0平面設(shè)成是入口。Min Y = 0，Max Y = 16，Min Z = 0，Max Z = 6。OK。
雙擊Model > 智慧消防產(chǎn)品智慧消防 Vent Open。把整個(gè)X=60平面設(shè)成是出口。Lies in the plane X = 60，Min Y = 0，Max Y = 16，Min Z = 0，Max Z = 6。OK。
新建一個(gè)Fire Region邊界條件，在主菜單上選擇：Model > New Vent。Description = Vent Fire，Type = FIRE，Lies in the plane Z = 0，Min X = 26，Max X = 34，Min Y = 4，Max Y = 12。OK。
過(guò)程及結(jié)果如下：
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智慧消防產(chǎn)品智慧消防
2.5 定義切面
在Y=8平面定義一個(gè)切面。Output > Slices ...。把Plane Value改成8。在Y=8平面定義一個(gè)新的切面，來(lái)顯示溫度。因?yàn)槲覀儧](méi)有模擬燃燒，根據(jù)溫度場(chǎng)可以大概知道煙霧的分布。XYZ Plane = Y，Plane Value = 8，Gas Phase Quantity = TEMPERATURE，Use Vector? = No。
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2.6 設(shè)定模擬參數(shù)
模擬的總時(shí)長(zhǎng)為60秒。FDS > Simulation Parameters ...。Simulation Title = Tunnel Fire，Specify Duration = 60，Initial Time Step = 0.1。OK。
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2.7 運(yùn)行FDS
FDS > Run FDS ...。先保存一個(gè)合適的*.data文件。然后求解器會(huì)啟動(dòng)。求解過(guò)程大約為15分鐘(在我的電腦上)。求解結(jié)束后，會(huì)自動(dòng)跳出SmokeView。
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1.9 檢查結(jié)果
在自動(dòng)彈出SmokeView窗口上面點(diǎn)右鍵Load/Unload > Slice File > TEMPERATURE > *Y=8.0。會(huì)顯示前面定義的切面上的溫度云圖。
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1.10 分析
在上面的溫度云圖中，我們可以看到，在入口速度為3m/s的時(shí)候，隧道內(nèi)有非常顯著的回流。也就是說(shuō)3m/s的入口速度，不足以阻止煙氣向上游擴(kuò)散。有興趣的朋友可以增加入口速度，看看這個(gè)問(wèn)題的臨界速度是多少。我試出的臨街速度是4.5m/s左右。
另外一個(gè)問(wèn)題是這個(gè)結(jié)果準(zhǔn)確嗎？理論上來(lái)說(shuō)LES和k-e相比，有很大的優(yōu)越性，但是由于FDS使用是有限差分的方法，而且沒(méi)有檢查收斂性(explicit)，通常情況下只能作為參考。比如這個(gè)例子，有興趣的朋友，可以用Fluent/CFX建模算一下，F(xiàn)luent/CFX給出的臨界速度應(yīng)該在2.7m/s左右。差別還是相當(dāng)大的。另外根據(jù)我的測(cè)試(和一組條件不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較)，基于k-e的Fluent/CFX結(jié)果通常會(huì)稍稍低估臨街速度。但是總體而言，還是Fluent/CFX的結(jié)果更加可信。值得提醒的是，用Fluent/CFX的時(shí)候，一定要記得加上浮力修正。

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