材料

第三，一些屬性被設定，作為每種材料的屬性 (MATL)。本章還介紹了 RAMP (溫度相關) 名單組。

定義材料，MATL

模型中使用的每種材料的屬性透過 MATL 名單組指定。這些屬性表明材料的升溫速度以及燃燒方式。輸入檔案中的每個 MATL 項必須有一個 ID，可供其他名單組引用。

下表總結了一些 MATL 引數

引數	型別	描述	單位	預設值
ID	字串	識別符號
DENSITY	實數	固體質量/單位體積	Kg/m³	0
EMISSIVITY	實數	發射率		0.9
CONDUCTIVITY	實數	熱導率	W/m/K	0.
CONDUCTIVITY_RAMP	字串	熱導率的斜率 ID
SPECIFIC_HEAT	實數	比熱容	kJ/kg/K	0.
SPECIFIC_HEAT_RAMP	字串	比熱容的斜率 ID
HEAT_OF_COMBUSTION	實數	燃燒熱	kJ/kg	0
HEAT_OF_REACTION	實數	反應熱	kJ/kg	0
ABSORPTION_COEFFICIENT	實數	吸收係數	1/m	50 000
BOILING_TEMPERATURE	實數	沸點	◦C	5000

熱性質

MATL 名單組可用於指定材料的熱導率 (W m⁻¹ K⁻¹)、密度 (kg m⁻³)、比熱容 (kJ kg⁻¹ K⁻¹) 和發射率 (預設值為 0.9)，例如

 &MATL ID='steel', EMISSIVITY=.95, DENSITY=7850.,
     CONDUCTIVITY=45.8, SPECIFIC_HEAT=0.46, / 
 &MATL ID='concrete', DENSITY=2200.,
     CONDUCTIVITY=1.2, SPECIFIC_HEAT=0.88, /
 &MATL ID='copper', SPECIFIC_HEAT=0.38,
     CONDUCTIVITY=387., DENSITY=8940. /
 &MATL ID='gypsum plaster', CONDUCTIVITY=0.48,
     SPECIFIC_HEAT=0.84, DENSITY=1440. /

像熱導率和比熱容這樣的熱性質會隨溫度變化而顯著變化。在這種情況下，使用 RAMP 函式，如下所示

 &MATL ID='steel', SPECIFIC_HEAT_RAMP='c_steel',
     CONDUCTIVITY_RAMP='k_steel', DENSITY=7850. / 
 &RAMP ID='c_steel', T=20., F=0.45 /
 &RAMP ID='c_steel', T=377., F=0.60 /
 &RAMP ID='c_steel', T=677., F=0.85 /
 &RAMP ID='k_steel', T=20., F=48. /
 &RAMP ID='k_steel', T=677., F=30. /&MATL ID='calcium silicate',
     CONDUCTIVITY_RAMP='k_casi', DENSITY=770.,
     SPECIFIC_HEAT=0.96 /
 &RAMP ID='k_casi', T= 25., F=0.18 /
 &RAMP ID='k_casi', T=200., F=0.19 /
 &RAMP ID='k_casi', T=500., F=0.20 /

對於這種型別的斜率，引數 F 是實際物理量的值。

如果使用 CONDUCTIVITY_RAMP，則不應提供 CONDUCTIVITY 的值。還要注意，對於低於和高於給定範圍的溫度值 T，FDS 將假設一個恆定值，該值等於指定的第一個或最後一個 F。

每組 RAMP 行必須按單調遞增的 T 列出。下表總結了一些 RAMP (溫度) 引數

引數	型別	描述	單位
ID	字串	識別符號
T	實數	溫度	°C
F	實數	函式值

燃燒性質

固體

MATL 名單組可用於指定固相熱解過程中的引數。如第 [cha:Combustion-and-radiation] 章所述，熱解是由熱量引起的化合物的分解或轉化，產生氣態燃料，並在氣相燃燒過程中燃燒。

FDS 包含對多層、多組分、多反應固體的相當普遍的描述：在燃燒過程中，每種材料可以經歷多個反應，這些反應可能在不同的溫度下發生並消耗不同的熱量。每個單獨的反應可以產生單個固體殘留物、水蒸氣或燃料氣體。

以下是一個材料在約 350 °C 溫度下燃燒的示例，將所有質量轉換為燃料氣體，NU_FUEL(1)=1。

 &MATL ID='my fuel', SPECIFIC_HEAT=1.0, CONDUCTIVITY=0.1,
     DENSITY=100.0, HEAT_OF_COMBUSTION=15000., N_REACTIONS=1,
     NU_FUEL(1)=1., REFERENCE_TEMPERATURE(1)=350.,
     HEAT_OF_REACTION(1)=3000. /

有關問題的更廣泛描述及其複雜性，請參閱下一節和 [FDS5 使用者指南]。

液體

MATL 名單組也用於指定燃燒液體的引數。

對於液體燃料，熱性質與固體材料類似，但也有一些例外。燃料的蒸發速率受克勞修斯-克拉佩龍方程控制。這種方法唯一的缺點是，燃料氣體無論是否有點火源都會燃燒。因此，如果指定了液體燃料，燃料會立即開始燃燒。

舉個例子

 &MATL ID='ethanol', EMISSIVITY=1.0, NU_FUEL=0.97,
     HEAT_OF_REACTION=880.,
     CONDUCTIVITY=0.17, SPECIFIC_HEAT=2.45, DENSITY=787.,
     ABSORPTION_COEFFICIENT=40., BOILING_TEMPERATURE=76. /

在 MATL 行中包含 BOILING_TEMPERATURE 會告訴 FDS 使用其液體熱解模型。

它也會自動設定 N_REACTIONS=1：唯一的反應是從液體到氣態燃料的相變。因此，在這種情況下，HEAT_OF_REACTION 是汽化潛熱。氣態燃料產量 NU_FUEL 為 0.97 而不是 1，以說明液體中不參與燃燒過程的雜質。

熱導率、密度和比熱容用於使用與固體相同的、一維的熱傳遞方程計算熱量透過傳導損失到液體中。顯然，液體的對流很重要，但模型中沒有考慮。

還要注意液體的 ABSORPTION_COEFFICIENT。它表示熱輻射在深度上的吸收。液體不僅僅在表面吸收輻射，而是在表面附近的薄層上吸收輻射。它對燃燒速率的影響是顯著的。

MATL 行中的 HEAT_OF_COMBUSTION？

HEAT_OF_COMBUSTION 是與氧氣混合並燃燒的單位質量燃料氣體釋放的能量。這與熱解過程無關。此引數最好用於氣相燃燒！

如果您還記得第 [cha:Combustion-and-radiation] 章中提到的內容，在 FDS 火災模擬中可以有多種型別的可燃物，但 FDS 只能模擬一種氣態燃料。主要反應的化學計量透過 REAC 名單組指定。

實際上，在 REAC 行上指定的 HEAT_OF_COMBUSTION 與氣相燃燒中模擬的唯一氣態燃料有關。

在 MATL 行上指定的 HEAT_OF_COMBUSTION 是熱解產生的氣態燃料的特定值。

如果在 MATL 行上指定了 HEAT_OF_COMBUSTION，FDS 會自動調整熱解材料注入的氣態燃料的質量損失率，以便校正後的質量損失率乘以單個全域性氣相燃燒熱會產生預期的熱釋放率。

例如，如果在 REAC 行上指定的 HEAT_OF_COMBUSTION 是在 MATL 行上指定的 HEAT_OF_COMBUSTION 的兩倍，則包含在壁單元內的熱解材料的質量會減少熱解模型確定的值，但新增到氣相的燃料氣體質量會減少 50%。

屬性地獄

科學界一致認為，沒有標準方法可以獲得執行 FDS 所需的所有引數。對於燃燒材料來說尤其如此。有各種裝置用於測量各種屬性，但對這些裝置的精確物理和數學描述沒有達成共識，因此，也沒有標準方法將臺式實驗資料轉換為 FDS 輸入檔案。

最近，伍斯特理工學院的 Nick Dempsey、西南研究院的 Marc Janssens 和 SFPE 的 Morgan Hurley 獲得了為期三年的資助，以開發一份工程指南，該指南將記錄用於獲取材料屬性的標準測試方法，更重要的是，這些方法的物理和數學解釋將使我們能夠理解如何處理在各種臺式裝置中進行的測量。

如果結果未與實驗測量值進行比較，則預測稱為盲預測。網格敏感性和不確定的材料屬性使得對真實材料上火災蔓延的盲預測超出了當前版本的模型範圍。

但是，只要認識到火焰蔓延速率的不確定性，該模型仍然可以用於對火災行為進行定性評估。

對於工程級應用，強烈建議使用簡化的火災建模，直接根據文獻或直接實驗來規定火災場景的 HRR 熱釋放率 (HRR)，如第 [sub:Prescribing-an-HRR] 節所示。

材料屬性資料資源

以下是一些關於材料屬性資料的網路資源；FDS 網站上維護著一個更廣泛的連結列表

• NIST 化學 Webbook:[1]

• ChemFinder:[2]

• 部分 INSC 材料屬性資料庫:[3]

• 伍斯特理工學院的圓錐量熱儀資料:[4]

• MatWeb:[5]

• 工程工具箱：[6]