工程師的火災模擬/FDS/燃燒

...然後透過 REAC 名單組設定氣相燃燒反應

燃燒不是熱解

FDS 中一個常見的混淆來源是氣相燃燒和固相熱解之間的區別。

熱解是指由於熱量引起的化合物分解或轉化，產生氣態燃料。它是許多固體燃料（如木材、布料、紙張和塑膠）燃燒時發生的第一個化學反應。

氣相燃燒是指氣態燃料與氧氣之間的放熱化學反應，伴隨著以火焰形式產生熱量和光線。

因此，固相熱解是指在固體或液體表面產生燃料蒸氣，而可見火焰不是由於固體燃料本身的燃燒，而是由於其熱解釋放的氣體的燃燒。

指定火災

在 FDS 中，火災是應用於流場邊界表面的特定邊界條件。有兩種指定火災的方法

• 第一種是在表面上指定熱釋放速率；這與指定一個定義明確的燃燒器相同。如何做到這一點將在第 [sub:Prescribing-an-HRR] 節中詳細描述。

• 另一種是指定燃料材料的熱物理性質，並讓它們熱解。在這種情況下，燃料的燃燒速率取決於對錶面的淨熱反饋。這種方法在第 [sec:Burning-properties-of-solids] 節中針對固體燃料進行了說明，在第 [sec:Burning-properties-of-liquids] 節中針對液體燃料進行了說明。

燃燒器和熱解材料都會將計算出的氣態燃料量注入流場。在現實的火災場景中，可能存在多種型別的氣態燃料，這些燃料源自建築物中各種燃燒物體，並被注入流場。

氣相燃燒建模，REAC

點火

一旦注入流場，氣態燃料就會與空氣混合並燃燒。無需指定點火源：燃燒模型假設燃料氣體和氧氣接觸後就會燃燒。我們可以想象每個網格單元都包含一個虛擬火花塞，當溫度和燃料氣體與氧氣的區域性比例合適時，就會啟動燃燒（見圖 media:FlameExtinctionCriteria.png）。

燃燒

燃燒過程釋放熱量和煙霧。

雖然 FDS 火災模擬中可能存在多種型別的可燃物，但 FDS 只能模擬一種氣態燃料。通常，您應將模擬燃燒氣態燃料的化學成分與實際主要燃燒氣態燃料的化學成分保持一致。

這種模型簡化是由於計算成本：為多種氣態燃料求解輸運方程的成本很高。

FDS 會自動調整固體和液體的燃燒速率，以說明各種可燃物的燃燒熱之間的差異。如果燃燒材料的化學計量與全域性反應不同，則使用每種燃燒材料的燃燒熱來確保從燃燒物體注入流場域的燃料量相等。

FDS 可以用兩種方法描述氣相反應。

預設情況下，使用所謂的混合分數模型來描述燃料氣體從其起源表面到燃燒過程的演變。

另一種方法是所謂的有限速率方法，其中所有參與燃燒過程的單個氣體物質都被定義和單獨跟蹤。這比混合分數模型更昂貴，也更復雜。

本手冊僅涵蓋混合分數模型，因為它更簡單，並且通常用於工程級問題。

當應用混合分數模型時，一組標量變數， $Z_{i}$ ，代表燃燒過程的狀態，從純燃料 $(\sum Z_{i}=1)$ 到純空氣 $(\sum Z_{i}=0)$ .

FDS 提供兩種型別的混合分數模型

雙引數混合分數模型：第一個引數 $(\mathrm {Z} _{1})$ 是未燃燒燃料的質量分數，第二個 $(\mathrm {Z} _{2})$ 是已燃燒燃料的質量分數，例如源自燃料的燃燒產物的質量。FDS 預設使用雙引數模型。

三引數混合分數模型：此燃燒模型模擬了具有三個引數的兩步化學反應。反應的第一步是燃料氧化成一氧化碳，第二步是一氧化碳氧化成二氧化碳。兩步反應的三個混合分數分量是未燃燒燃料 $(\mathrm {Z} _{1})$ ，完成第一步反應的燃料質量 $(\mathrm {Z} _{2})$ ，以及完成第二步反應的燃料質量 $(\mathrm {Z} _{3})$ 。請參閱第 [sec:CO-production-in-u-fires] 節以瞭解為何以及如何使用三引數模型。

所有主要燃燒反應物和產物的質量分數 - 燃料， $\mathrm {O} _{2}$ ， $\mathrm {CO} _{2}$ ， $\mathrm {H} _{2}$ $\mathrm {O}$ ， $\mathrm {N} _{2}$ ， $\mathrm {CO}$ 和菸灰 - 可以透過狀態關係從混合分數引數匯出：一組混合分數引數的預先製表函式， $\mathrm {Z} _{i}$ 。換句話說， $\mathrm {Z} _{i}$ 在任何給定網格單元中的值決定了所有列出氣體的質量分數。

主要氣相燃燒反應的化學計量在輸入檔案中由一個名為 REAC 的 namelist 組指定：指定的引數用於生成將質量分數與 $Z_{i}$ 相關聯的表。如果未輸入 REAC 行，則 FDS 預設使用丙烷燃燒。

在混合分數模型中，假設每個反應都具有以下形式

$\mathrm {} \mathrm {\mathrm {\mathrm {C} _{x}\,\mathrm {H} _{y}\,\mathrm {O} _{z}\,\mathrm {N} _{v}\,Other_{w}} +\nu _{O_{2}}O_{2}} \rightarrow$ $\mathrm {\rightarrow \nu _{CO_{2}}CO_{2}+\nu _{H_{2}O}H_{2}O+\nu _{CO}CO+\nu _{soot}Soot+\nu _{N_{2}}N_{2}+\nu _{H_{2}}H_{2}+\nu _{other}Other}$

您只需要指定燃料的化學式以及 $\mathrm {CO}$ 、菸灰和 $\mathrm {H} _{2}$ 的產率，以及菸灰中的氫含量 $\mathrm {H} _{frac}$ 。為了完整性，您可以指定燃料的 $\mathrm {N} _{2}$ 含量和是否存在其他物質。FDS 將使用這些資訊在內部確定形成的燃燒產物的量。

在進行氣相燃燒混合分數計算時，FDS 隱式定義的物質如下

混合分數物質
燃料、氧氣、氮氣、水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、氫氣、菸灰、其他

請注意，這些物質用小寫字母命名，不要與 SPEC 名字列表組定義的大寫字母命名的物質混淆。有關進一步討論，請參見第 [sec:CO2-and-co2] 節。

下表列出了可能在 REAC 行上指定的引數。請注意，各種 *YIELD 是針對通風良好的火焰後條件。存在預測欠通風火災場景中各種物質產率的選項，但這些特殊模型仍然需要 CO、菸灰和其他表中列出的任何物質的火焰後產率。

引數	型別	描述	單位	預設值
ID	字串	識別符號
C	實數	燃料中的碳原子數		3
H	實數	燃料中的氫原子數		8
O	實數	燃料中的氧原子數		0
N	實數	燃料中的氮原子數		0
OTHER	實數	燃料中其他原子的數量		0
MW_OTHER	實數	OTHER 的平均分子量，預設為 $\mathrm {N} _{2}$	g/mol	28
CO_YIELD	實數	燃料質量轉化為一氧化碳的比例	kg/kg	0
H2_YIELD	實數	燃料質量轉化為氫氣的比例	kg/kg	0
SOOT_YIELD	實數	燃料中的菸灰比例。燃料質量轉化為煙塵顆粒物的比例。	kg/kg	0.01
SOOT_H_FRACTION	實數	菸灰中氫的原子分數		0.1
HEAT_OF_COMBUSTION	實數	單位燃料質量消耗釋放的能量	kJ/kg
EPUMO2	實數	單位質量氧氣的能量。如果燃燒熱未明確指定，則計算為：消耗的 $\mathrm {O} _{2}\times$ EPUMO2	kJ/kg	13100
IDEAL	邏輯	調整微量產物產率		.FALSE.
VISIBILITY_FACTOR	實數	可見度引數		3
MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT	實數	可見度引數	m²/kg	8700

IDEAL 是一個邏輯值，指示 EPUMO2 或 HEAT_OF_COMBUSTION 值是否代表完全燃燒的值 (.TRUE.) 或不完全燃燒的值 (.FALSE.)。如果 IDEAL=.TRUE.，則 FDS 在內部調整產生的燃燒熱以考慮在 CO_YIELD、H2_YIELD 和 SOOT_YIELD 中指定的不完全燃燒產物。

這裡給出了一些 REAC 行示例，這些值僅用於演示

 &REAC ID='methane', C=1., H=4. /
 &REAC ID='ethylene', C=2., H=4., SOOT_YIELD=0.05 /
 &REAC ID='propane', SOOT_YIELD=0.01, C=3., H=8.,
     HEAT_OF_COMBUSTION=46460., IDEAL=.TRUE. / 
 &REAC ID='propane', SOOT_YIELD=0.01, C=3., H=8.,
     HEAT_OF_COMBUSTION=46124., IDEAL=.FALSE. /
 &REAC ID='wood', SOOT_YIELD=0.02, O=2.5, C=3.4, H=6.2,
     HEAT_OF_COMBUSTION=17700 /
     Ritchie, et al., 5th IAFSS
 &REAC ID='polyurethane', SOOT_YIELD=0.1875, CO_YIELD=0.02775,
     C=1.0, H=1.75, O=0.25, N=0.065, OTHER=0.002427, MW=27.,
     HEAT_OF_COMBUSTION=25300., IDEAL=.TRUE. /
     Polyurethane flexible foam (means) from
     Tewarson SFPE Handbook 3rd ed,
     SFPE handbook table 3-4.14, p. 3-112.

欠通風火災中的 CO 生成

已經實現了一種演算法，它將氣相燃燒計算為一個兩步反應，並預測 CO 的形成和破壞。當 MISC 行上的引數 CO_PRODUCTION 設定為 .TRUE. 時，將使用此演算法

&MISC CO_PRODUCTION=.TRUE. /

儘管該演算法預測了 CO 的形成及其在高溫下的最終氧化，但它無法預測 CO 的火焰後產量。例如，在發生閃燃的隔間內，該演算法預測了 CO 水平升高，但它無法預測離開火焰區域的排氣中 CO 的濃度。因此，即使使用此模型，您也必須指定通風良好的火災的預期 CO_YIELD。

請注意，當該演算法處於活動狀態時，它需要使用三個混合分數引數，而不是停用時使用的兩個引數，因此會相應地增加執行時間和記憶體使用量。如果您的模擬不會導致通風不足的火災，那麼啟用 CO 生成演算法幾乎不會有任何益處。

火焰熄滅

模擬由於引入滅火劑（如 $CO_{2}$ 或水霧）或由於隔間內氧氣耗盡而導致的火災抑制具有挑戰性，因為相關物理機制發生在比單個網格單元更小的長度尺度上。

火焰由於溫度降低和氧氣供應稀釋而熄滅。FDS 中已實施了一種簡單的抑制演算法，該演算法試圖衡量火焰在燃料-氧氣介面是否可行。

限制氧氣指數和臨界火焰溫度的預設值分別為 15%（體積分數）和 1427 °C，如媒體：FlameExtinctionCriteria.png 圖所示。