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工程師的火災模擬/FDS/輸出

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來自華夏公益教科書

輸出

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最後，使用者規定輸出量（DEVC、SLCF、BNDF、ISOF）。

所有輸出量必須在計算開始時指定。在大多數情況下，如果資訊沒有從一開始就指定，則無法在計算結束後檢索資訊。

規定輸出

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FDS 計算每個離散時間步長內每個數值網格單元的溫度、密度、壓力、速度和化學成分。通常有數十萬到數百萬個網格單元，以及數千到數十萬個時間步長。此外，FDS 計算固體表面的溫度、熱通量、質量損失率以及其他各種量。

因此，使用者必須仔細選擇要儲存的資料，就像在設計實際實驗時一樣。即使只儲存了計算資訊的極小一部分，輸出通常也包含相當大的資料檔案（可能有多個 G 位元組！）。

請記住，所有輸出量必須在計算開始時指定。在開始計算之前，仔細考慮應儲存哪些資訊。

氣相的典型輸出量包括

• 氣體溫度；

• 氣體速度；

• 氣體物質濃度（水蒸氣、CO2、CO、N2）；

• 煙霧濃度和能見度估算；

• 壓力；

• 單位體積的熱釋放率；

• 混合分數（或空燃比）；

• 氣體密度；

• 單位體積的水滴質量。

在固體表面，FDS 預測與氣相和固相之間的能量平衡相關的其他量，包括

• 表面和內部溫度；

• 熱通量，包括輻射和對流；

• 燃燒速率；

• 單位面積的水滴質量。

程式記錄的全域性量包括

• 總熱釋放率 (HRR)熱釋放率 (HRR)；

• 灑水器和探測器啟用時間；

• 透過開口或固體的質量和能量通量。

空間中單個點的各種量的時程歷史或全域性量（如火災的熱釋放率 (HRR)）儲存在簡單的逗號分隔文字檔案中，可以使用電子表格程式（如 Openoffice.org Calc 或 Microsoft Excel）繪製這些檔案。

大多數場或表面資料使用 Smokeview 進行視覺化。FDS 和 Smokeview 協同使用來模擬和視覺化火災現象。Smokeview 透過顯示動畫示蹤粒子流、計算氣體變數的動畫等值線切片和動畫表面數據來執行此視覺化。Smokeview 還在場景中任何地方的固定時間點顯示等值線和固定資料的向量圖。

輸出控制引數，DUMP

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命名列表組 DUMP 包含控制輸出檔案寫入速率的引數，以及與輸出檔案相關的各種其他全域性引數。

例如，NFRAMES 引數是每次計算的輸出轉儲次數。預設值為 1000。裝置資料、切片資料、粒子資料、等值面數據、3D 煙霧資料、邊界資料、固相輪廓資料和控制函式資料每 (T_END - T_BEGIN) / NFRAMES 秒儲存一次，除非另有說明。

下表總結了一些 DUMP 引數

引數 型別 描述 單位 預設值
NFRAMES 整數 每次計算的輸出轉儲次數 1000

點測量裝置，DEVC

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用於控制邏輯的相同裝置 DEVC（參見第 [cha:Devices-and-control-logic] 章）用於儲存空間中單個點處的給定量，以便可以將此量繪製為時間的函式，例如熱電偶溫度測量。

規定的 QUANTITY 記錄為名為 mycase_devc.csv 的輸出檔案中的列。這種型別的檔案可以匯入任何電子表格程式。

示例

s °C °C
FDS 時間 TC_A01 TC_A02
0.00E+000 2.00E+001 2.00E+001
5.00E+000 2.98E+001 2.77E+001
1.00E+001 2.35E+001 2.26E+001

記錄氣相量

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例如，如果您只想記錄給定點處溫度的時程歷史，請新增

 &DEVC XYZ=6.7,2.9,2.1, QUANTITY='TEMPERATURE', ID='T-1' /

將在輸出檔案 mycase_devc.csv 中新增一列，標籤為 T-1。

FDS 報告在點 XYZ 所在單元格中計算的 QUANTITY 的值。

記錄固相量

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在規定固相量時，請確保將探頭放置在固體表面。由於網格並不總是與輸入障礙物位置對齊，因此並不總是很明顯固體表面在哪裡。

為了幫助 FDS 找到合適的表面，請使用引數 IOR（方向索引）建議面的正確方向。

在某些情況下，FDS 仍然無法確定要指定哪個固體表面，在這種情況下，診斷輸出檔案中會出現錯誤訊息。重新定位探頭並重試。例如，該行

 &DEVC XYZ=0.7,0.9,2.1, QUANTITY='WALL TEMPERATURE',
     IOR=-2, ID='wt1' /

指定面向負 y 方向的牆壁的表面溫度。

向量場
流場的切片

記錄積分量

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除了點測量之外，DEVC 組還可以用於報告積分量。例如，您可能想知道門或窗戶的質量流出量。要報告此內容，請新增該行

 &DEVC XB=0.3,0.5,2.1,2.5,3.0,3.0,
     QUANTITY='MASS FLOW', ID='mf1' /

請注意，在這種情況下，指定的是面而不是點。

QUANTITY='HRR'熱釋放率 (HRR) 可用於計算域子集內的總熱釋放率。在這種情況下，六元組 XB 應定義體積而不是面。

請記住，避免跨越多個網格邊界的表面或體積：FDS 必須決定在積分中使用哪個網格。

動畫平面切片，SLCF

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SLCF 名稱列表組引數允許您記錄多個點的各種氣相量。切片是指整個域的子集。它可以是線、面或體，具體取決於 XB 的值。

如果給定的 SLCF 線具有屬性 VECTOR=.TRUE，則可以在 Smokeview 中建立動畫向量。如果兩個 SLCF 條目位於同一平面上，則只需其中一條線具有 VECTOR=.TRUE。否則，將建立冗餘的速率分量切片集。

例如，該行

 &SLCF PBX=0.8, QUANTITY='TEMPERATURE', VECTOR=.TRUE. /

記錄了 x~=~0.8 平面上的溫度和動畫速度向量

下表總結了一些 SLCF 引數

引數 型別 描述 單位 預設值
QUANTITY 字串 要輸出的量的名稱
VECTOR 邏輯 包含流向量 .FALSE.
XB(6) 實數 面 m
PBX, PBY, PBZ 實數 平面 m

動畫邊界量，BNDF

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BNDF 名稱列表組引數允許您記錄所有固體障礙物上的表面量。與 SLCF 組一樣，每個量都用單獨的 BNDF 行規定。但是，不需要指定物理座標，只需指定 QUANTITY。

例如，該行

 &BNDF QUANTITY='WALL_TEMPERATURE' /

記錄所有固體障礙物面的 WALL_TEMPERATURE。

對於某些輸出量，需要透過 PROP 名稱列表組指定其他引數。在這種情況下，將字串 PROP_ID 新增到 BNDF 行，以告訴 FDS 在哪裡可以找到必要的額外資訊。

請注意，BNDF 檔案可能會變得非常大，因此在規定時間間隔時要小心。

減少輸出檔案大小的一種方法是關閉所需障礙物上邊界資訊的記錄。在任何給定的 OBST 行上，如果包含字串 BNDF_OBST=.FALSE.，則該障礙物不會被考慮用於邊界量的輸出。要關閉所有邊界記錄，請在 MISC 行上設定 BNDF_DEFAULT=.FALSE. 然後，可以使用 BNDF_OBST=.TRUE. 在相應的 OBST 行上重新開啟各個障礙物。可以使用 BNDF_FACE(IOR)=.TRUE. 控制給定障礙物的各個面，其中 IOR 是方向的索引。

場切片

下表總結了一些 BNDF 引數

引數 型別 描述 單位 預設值
QUANTITY 字串 要輸出的量的名稱

動畫等值面，ISOF

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ISOF 名稱列表組用於指定氣相標量量的輸出，作為三維動畫等值線。例如，300°C 溫度等值面顯示氣體溫度為 300°C 的位置。可以透過以下行儲存三個不同的溫度值

 &ISOF QUANTITY='TEMPERATURE',
     VALUE(1)=50., VALUE(2)=200., VALUE(3)=500. /

其中這些值以 °C 為單位。

等值面

任何氣相量都可以透過等值面進行動畫處理，但要小心。要渲染等值面，必須在每個輸出時間步長在每個網格單元中計算所需的量。對於像 TEMPERATURE 這樣的量，這不是問題，因為 FDS 會計算它並儲存它。但是，煙塵密度或氧氣需求在每個網格單元中計算時會消耗大量時間。

下表總結了一些 ISOF 引數

引數 型別 描述 單位 預設值
QUANTITY 字串 要輸出的量的名稱
VALUE(3) 實數 等值線值

逼真的煙霧和火焰

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當您使用預設混合分數燃燒模型進行火災模擬時，FDS 會自動建立兩個輸出檔案，這些檔案由 Smokeview 渲染成逼真的煙霧和火焰。

使用 FDS 進行火災模擬的簡單示例

預設情況下，輸出量煙塵的 MASS FRACTION 和 HRRPUV（每單位體積的熱釋放率）用於視覺化。

熱釋放率 (HRR)

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與總能量預算相關的量在逗號分隔檔案 mycase_hrr.csv 中報告。此檔案會自動生成。

該檔案包含六列。第一列包含以秒為單位的時間。第二列到第五列包含積分能量增益和損失，所有單位均為 kW。第二列包含總熱釋放率，第三列包含對所有邊界（固體和開放）的輻射熱損失，第四列包含對邊界的對流和輻射熱損失（即流出或流入域的能量），第五列包含傳導到固體表面的能量。第六列包含以 kg/s 為單位的總燃料燃燒率。它僅作為對總熱釋放率的檢查。

示例

s kW
FDS_HRR_Time HRR
0.00E+000 0.00E+000
5.00E+000 2.04E+002
1.00E+001 2.16E+002

能見度

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如果您使用混合分數方法進行火災計算，則煙塵會與所有其他主要燃燒產物一起跟蹤。

透過煙塵的距離 L 傳遞的單色光 I 的強度根據以下公式衰減

光消光係數光消光係數 K，是煙塵顆粒密度，和質量比消光係數 Km 的乘積。與燃料相關的質量消光係數

如 [Mulholland 2002] 所示，可以透過使用以下公式估算煙塵的能見度

其中 C 能見度係數 是一個無量綱常數，表徵透過煙塵檢視的物體型別。

由於 K 隨域中的點而變化，因為它取決於煙塵密度，因此能見度 S 也隨之變化。

請記住，FDS 只能跟蹤其生產率和成分已指定的煙塵。預測兩者都超出了當前版本模型的能力。三個引數控制煙塵的產生和能見度；每個引數都在 REAC 行上輸入

• SOOT_YIELD 是轉換為煙塵的燃料質量的比例。

• MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT，即方程 [eq:Km] 中的 Km。預設值為 8700 m2/kg，這是木頭和塑膠火焰燃燒的推薦值。

• VISIBILITY_FACTOR，即方程 [eq:S] 中的 C。對於發光訊號 C=8，對於反光訊號 C=3。預設情況下 C 為 3。

能見度 S 透過 QUANTITY 關鍵字 VISIBILITY 輸出。

上層和下層

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消防工程師通常需要估計燃燒隔間內熱煙上層和較冷下層介面位置。相對簡單的火災模型，通常被稱為雙區模型區域模型，直接計算該量，以及上下層的平均溫度。在像 FDS 這樣的計算流體動力學 (CFD) 模型中，不存在兩個不同的區域，而是一個連續的溫度剖面。然而，已經開發了一些方法來估計連續垂直溫度剖面上的層高和平均溫度。

可以使用輸入檔案中的 DEVC 行指定 LAYER HEIGHT、UPPER TEMPERATURE 和 LOWER TEMPERATURE 量。例如，條目

 &DEVC XB=2.0,2.0,3.0,3.0,0.0,3.0,
     QUANTITY='LAYER HEIGHT', ID='whatever' /

在 z~=~0 到 z~=~3 之間生成 x~=~2 和 y~=~3 處煙層高度的時間歷程。如果使用多個網格，則垂直路徑不能跨越網格邊界。

熱通量和熱輻射

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有各種方法可以記錄固體邊界處的熱通量。如果你想記錄到表面的淨熱通量，q對流 + q輻射，使用 QUANTITY='HEAT FLUX'。各個分量，淨對流熱通量和輻射熱通量，分別是 CONVECTIVE HEAT FLUX 和 RADIATIVE HEAT FLUX。

如果你想將預測的熱通量與測量結果進行比較，你通常需要使用 GAUGE HEAT FLUX。NET HEAT FLUX 和 GAUGE HEAT FLUX 之間的區別在於，前者是能量被固體表面吸收的速率；後者是指如果表面是冷的或使用 GAUGE_TEMPERATURE 指定的某個溫度，將被吸收的能量量。

所有上述熱通量輸出量都在固體表面定義。

與結構模型介面

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FDS 為每個標記氣體和固體之間介面的邊界單元求解一維熱傳導方程，假設提供了材料層的材料特性。結果可以透過 DEVC 或 BNDF 輸出傳輸到其他模型，這些模型預測牆壁或結構的機械響應。對於許多應用，一維熱傳導方程的解是足夠的，但在固體內部橫向熱傳導顯著的情況下，可以採用另一種方法。FDS 包含絕熱表面溫度 (AST)絕熱表面溫度 (AST) 的計算，該量代表到固體表面的熱通量，遵循 [Wickstrom 2007] 提出的想法。

顯然，將資訊傳遞給更詳細的模型的目的是獲得比 FDS 可以提供的更好的固體溫度預測（並最終獲得其機械響應）。

視覺化拉格朗日粒子

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示蹤粒子可以從通風口或障礙物中注入流場，如第 [sec:Injecting-Lagrangian-particles] 節所示，然後在 Smokeview 中觀察。也可以繪製軌跡線。

常用的輸出量

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下表顯示了常用的輸出量的整理列表。列“NameList”詳細說明了可以在哪裡指定相應的 QUANTITY：B 邊界檔案 (BNDF)、D 裝置 (DEVC)、I 等值面檔案 (ISOF)、S 切片檔案 (SLCF)。

QUANTITY 描述 單位 NameList
NET HEAT FLUX 固體邊界處的輻射熱通量和對流熱通量的總和 kW/m2 B,D
RADIATIVE HEAT FLUX 固體邊界處的輻射熱通量 kW/m2 B,D
CONVECTIVE HEAT FLUX 固體邊界處的對流熱通量 kW/m2 B,D
MASS FLUX* 指定物質在固體表面的質量通量 kg/m2/s B,D
MASS FRACTION* 指定物質的質量分數 kg/kg D,I,S
VOLUME FRACTION* 指定物質的體積分數 mol/mol D,I,S
LAYER HEIGHT 估計燃燒隔間內熱煙上層和較冷下層介面位置的高度 m D
UPPER TEMPERATURE 上層溫度 °C D
LOWER TEMPERATURE 下層溫度 °C D
MASS FLOW 計算透過給定平面區域的整合質量流量。 kg/s D
HEAT FLOW 計算透過給定平面區域的整合熱流量。 kJ/s D
VOLUME FLOW 計算透過給定平面區域的整合體積流量。 m3/s D
VISIBILITY 煙霧中的能見度長度 m D,I,S
SOOT VOLUME FRACTION 菸灰體積分數 mol/mol D,I,S
FED 基於 CO、CO2 和 O2 的有效分數劑量，如 [Purser 2002] 所提出的 D
TEMPERATURE 氣體溫度 °C D,I,S
THERMOCOUPLE 模擬熱電偶的溫度，通常接近氣體溫度。 °C D
WALL TEMPERATURE 固體介面溫度。 °C B,D
ADIABATIC SURFACE TEMPERATURE 參見第 124 頁第 14.12 節。 °C B,D
VELOCITY 氣相速度 m/s D,I,S
NORMAL VELOCITY 氣相壁面法向速度 m/s D,B
WALL CLOCK TIME 經過的掛鐘時間 s D

∗這些量需要使用 SPEC_ID 指定氣體物質。

以下是一些輸出量的示例

 &DEVC XYZ=0.1,0,2.39, QUANTITY='THERMOCOUPLE',
     ID='2.4' / 
 &DEVC XB=0.1,0.1,0,0,0.0,2.4,
     QUANTITY='LAYER HEIGHT', ID='layer_h' / 
 &ISOF QUANTITY='TEMPERATURE', VALUE(1)=60.0 /
 &SLCF PBY= -3., QUANTITY='TEMPERATURE',
     VECTOR=.TRUE. /
 &BNDF QUANTITY='ADIABATIC SURFACE TEMPERATURE' /

有些輸出量需要透過 SPEC_ID 指定物質名稱，例如 MASS FRACTION 量。SPEC_ID 可以選擇在執行混合分數計算時隱式定義的一種物質（燃料、氧氣、氮氣、水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、氫氣、菸灰、其他），或透過 SPEC 行定義的額外氣體物質

 &SLCF PBX= 0.1, QUANTITY='VOLUME FRACTION',
     SPEC_ID='carbon dioxide' /
     volume fraction of carbon dioxide
     issued from mixture fraction model
     gas phase combustion model

&SLCF PBX= 0.1, QUANTITY='VOLUME FRACTION',
     SPEC_ID='CARBON DIOXIDE' /
     volume fraction of carbon dioxide
     defined in a SPEC namelist group
     and injected separately in the flow domain
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