如何在煙氣流動(dòng)分析軟件中模擬風(fēng)和大氣條件

本文演示如何使用煙氣流動(dòng)分析軟件的風(fēng)參數(shù)和保留表面來(lái)模擬風(fēng)和其他大氣條件。在煙氣流動(dòng)分析軟件的2021.3版本中，增加了對(duì)一些新的FDS功能的支持，這些功能使這些不同的風(fēng)況建模更加簡(jiǎn)單。本文將介紹如何使用這些新功能。用戶將學(xué)習(xí)如何配置簡(jiǎn)單的初始風(fēng)，隨時(shí)間修改風(fēng)的速度和方向，以及控制模型邊界處的風(fēng)發(fā)展。

1. 介紹

可以使用煙氣流動(dòng)分析軟件和FDS對(duì)由于風(fēng)和大氣條件引起的火災(zāi)模擬效果進(jìn)行建模和觀察。FDS提供工具來(lái)模擬具有一系列復(fù)雜性的這些條件。

在基本的層面上，可以通過(guò)定義方向和風(fēng)速來(lái)模擬簡(jiǎn)單的初始風(fēng)況。增加條件的復(fù)雜性，用戶可以定義隨時(shí)間變化方向和風(fēng)速的初始風(fēng)場(chǎng)。更復(fù)雜的是，用戶可以將這種變化的風(fēng)場(chǎng)定義為也隨高度變化。結(jié)尾，用戶還可以利用Monin-Obukhov相似性理論以完全不同的方式模擬風(fēng)況。雖然后兩種方法更準(zhǔn)確，但本文僅旨在提供對(duì)煙氣流動(dòng)分析軟件中風(fēng)模擬的簡(jiǎn)單理解。它將提供上面列出的前兩種情況的示例。

2. 定義一個(gè)簡(jiǎn)單的初始風(fēng)

本文的目的是讓用戶熟悉在煙氣流動(dòng)分析軟件中有效模擬大氣風(fēng)所需的不同模型屬性。在本文中，用戶將學(xué)習(xí)如何設(shè)置風(fēng)模型、如何定義簡(jiǎn)單風(fēng)以及如何在結(jié)果查看器中查看風(fēng)模擬的結(jié)果。

2.1 設(shè)置模型

開始，打開Simple Wind in 煙氣流動(dòng)分析軟件PyroSim模型，該模型已經(jīng)定義了幾何、火和結(jié)果切片。此模型的網(wǎng)格是完全封閉的，這意味著環(huán)境空氣或風(fēng)流無(wú)法進(jìn)入模型域。要打開網(wǎng)格的邊界：

1. Mesh01在導(dǎo)航視圖中單擊鼠標(biāo)右鍵。

2. Open Mesh boundaries在上下文菜單中單擊。

圖 1. 上下文菜單 Mesh01

這將在網(wǎng)格的全部外部邊界處創(chuàng)建通風(fēng)口，按網(wǎng)格對(duì)它們進(jìn)行分組，并將全部分組的通風(fēng)口放置Mesh Boundary Vents在導(dǎo)航視圖中的更大組中。請(qǐng)注意，在兩個(gè)網(wǎng)格相鄰的內(nèi)部邊界處，沒(méi)有創(chuàng)建通風(fēng)口。

全部這些通風(fēng)口都是使用OPEN邊界條件創(chuàng)建的，但是不希望全部通風(fēng)口都采用這種條件。對(duì)于每個(gè)附加有[ZMIN]：

1. 在導(dǎo)航視圖中雙擊網(wǎng)格以打開Vent Properties對(duì)話框。

2. 在對(duì)話框中，設(shè)置Surface為INERT

這將防止空氣通過(guò)這些通風(fēng)口，并在我們的模型中代表地面。將其他通風(fēng)口留在OPEN表面上。這些將代表環(huán)境大氣邊界，沒(méi)有與之相關(guān)的特殊開發(fā)屬性。

2.2 定義初始風(fēng)

在模型中配置風(fēng)：

1. 在Simulation Parameters下面打開對(duì)話框Analysis > Simulation Parameters

2. 單擊Environment選項(xiàng)卡

3. 在Environment選項(xiàng)卡中，單擊 旁邊的復(fù)選框Configure Wind，然后單擊Edit

這將打開Wind Parameters對(duì)話框。

圖 2. 帶有默認(rèn)設(shè)置的PyroSim Wind Parameters 對(duì)話框

要在Wind Parameters對(duì)話框中配置簡(jiǎn)單的風(fēng)：

1. 將Speed值更改為5.0m/s

2. 將Direction值更改為0°

注意：此定義使用氣象標(biāo)準(zhǔn)，其中0°代表從北方吹出的風(fēng)（向南行駛）。

3. 點(diǎn)擊Ok在Wind Parameters和Simulation Parameters對(duì)話。

這些設(shè)置將模擬5.0m/s來(lái)自模型北部的風(fēng)。請(qǐng)注意，這些是風(fēng)的初始值。FDS將使用模型中各處的這些值創(chuàng)建初始速度場(chǎng)。風(fēng)會(huì)受到模型產(chǎn)生的障礙物和氣流的影響。單擊Run FDS圖標(biāo)運(yùn)行模型。

2.3 查看結(jié)果

模擬完成后，通過(guò)單擊“運(yùn)行FDS”對(duì)話框中的“顯示結(jié)果”或單擊“顯示結(jié)果”，在結(jié)果查看器中打開結(jié)果。在結(jié)果查看器中：

1. 打開2D Slices > Velocity下拉菜單。

2. 在Velocity下拉列表中，雙擊所有Z = 10.000切片以在 3D 窗口中顯示它們。

3. 單擊Play窗口底部的按鈕。

速度切片等高線應(yīng)顯示以5.0m/s速度從模型北部吹出的風(fēng)。它還應(yīng)該表明，當(dāng)風(fēng)與模型中的障礙物相互作用時(shí)，它會(huì)在障礙物的前后形成停滯和阻力區(qū)域。

圖 3. 簡(jiǎn)單風(fēng)配置的前 60 秒速度

風(fēng)對(duì)模型中的煙霧和其他反應(yīng)產(chǎn)物的流動(dòng)也有影響。要查看此：

1. 2D Slices在導(dǎo)航視圖中雙擊以隱藏所有顯示的切片。

2. 3D Smoke在導(dǎo)航視圖中雙擊以在 3D 窗口中顯示反應(yīng)產(chǎn)物。

3. 單擊 Side View。

這個(gè)視角的北向在左邊。3D 煙霧產(chǎn)品應(yīng)顯示從北方出來(lái)的風(fēng)，使燃燒障礙物的煙霧和其他產(chǎn)品向南方傳播。

圖 4. 從130s到的簡(jiǎn)單風(fēng)配置的煙霧輸出180s

用戶現(xiàn)在應(yīng)該能夠使用簡(jiǎn)單的風(fēng)來(lái)設(shè)置模擬。

3. 隨時(shí)間改變風(fēng)速和風(fēng)向

本文為風(fēng)定義增加了額外的復(fù)雜性。本文的目標(biāo)是定義隨時(shí)間改變速度和方向的風(fēng)配置。用戶將通過(guò)定義風(fēng)的速度和方向斜坡來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

3.1 配置速度配置文件

開始，關(guān)閉結(jié)果查看器并返回到 PyroSim 主窗口。在主窗口中：

1. 重新打開Wind Parameters對(duì)話框。

2. 單擊Speed Change over Time選項(xiàng)卡。

3. 在Speed下拉列表中，選擇Custom。

4. 單擊Edit Values。

該Ramping Function Values對(duì)話框現(xiàn)在應(yīng)該可見。此對(duì)話框允許定義隨時(shí)間變化的風(fēng)速曲線。

圖 5.Ramping Function Values對(duì)話框

此對(duì)話框表格中的每一行代表速度曲線中的一個(gè)點(diǎn)。左側(cè)列定義時(shí)間，右側(cè)列表示給定時(shí)間的速度，作為Wind Profile選項(xiàng)卡中定義的速度的一部分。通過(guò)復(fù)制下面給出的速度曲線來(lái)定義一個(gè)簡(jiǎn)單的速度曲線，然后單擊Ok。

圖 6. 定義的速度配置文件

3.2 配置方向模板

定義方向配置文件類似于定義速度配置文件。要定義方向配置文件：

1. 在Direction下拉列表中，選擇Custom。

2. 單擊Edit Values。

該Ramping Function Values對(duì)話框現(xiàn)在應(yīng)該是可見的，類似于圖 6。對(duì)話框之間的區(qū)別是該對(duì)話框不是映射速度，而是以度為單位映射風(fēng)的方向。通過(guò)復(fù)制下面給出的方向輪廓來(lái)定義一個(gè)簡(jiǎn)單的方向輪廓，然后單擊Ok。

圖 7. 定義的方向配置文件

單擊“確定”后，通過(guò)單擊“確定”關(guān)閉Wind Parameters和Simulation Parameters配置文件。通過(guò)單擊運(yùn)行FDS圖標(biāo)運(yùn)行模型。

3.3 查看結(jié)果

模擬完成后，通過(guò)單擊“運(yùn)行FDS”對(duì)話框中的“顯示結(jié)果”或單擊“顯示結(jié)果”，在結(jié)果查看器中打開結(jié)果。在結(jié)果查看器中：

1. 打開2D Slice Vectors > VELOCITY下拉菜單。

2. 雙擊Z = 10.000項(xiàng)目以在 3D 窗口中顯示它們。

3. 在屏幕的左下角，將 設(shè)置Vector Magnitude為 2500 以使矢量更加可見。

4. 單擊播放按鈕查看結(jié)果。

圖 8. 隨風(fēng)速和方向變化的風(fēng)速矢量

圖 8 中所示的速度矢量應(yīng)顯示開始從模型北部開始的風(fēng)速為 5.0m/s，到 30s 時(shí)速度增加到 10.0m/s，到 60s 時(shí)速度增加到 15.0m/s，然后風(fēng)向改變，在60s從東北方向流出。

圖 9. 改變風(fēng)配置的煙霧輸出

火災(zāi)的煙霧輸出也受到速度和方向轉(zhuǎn)變的影響。 圖 9展示了這一點(diǎn)。煙霧開始向南流動(dòng)，但在風(fēng)轉(zhuǎn)向從東北出來(lái)后，煙霧也轉(zhuǎn)向向西南流動(dòng)。 用戶現(xiàn)在應(yīng)該能夠修改模型中的風(fēng)流以隨時(shí)間改變速度和方向。

4. 邊界條件和保留面

本文介紹修改模型的邊界條件。用戶將學(xué)習(xí)如何更改邊界條件，還將了解哪些條件可用以及每個(gè)條件對(duì)模型有何影響。用戶將通過(guò)將每個(gè)條件應(yīng)用于現(xiàn)有模型并觀察它們的效果來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

4.1 開放條件

該OPEN條件是已經(jīng)在本文中使用的條件。它是通過(guò)將OPEN表面應(yīng)用到邊界通風(fēng)口來(lái)應(yīng)用的。該條件模擬對(duì)環(huán)境條件的被動(dòng)開放，是基本的邊界條件。

4.2 周期性條件

該P(yáng)ERIODIC條件允許模型隨著時(shí)間的推移更自然地形成風(fēng)。這種條件允許模擬模型中流動(dòng)的無(wú)限大域。它通過(guò)將離開PERIODIC通風(fēng)口的任何流注入到與PERIODIC出口完全相反的域上的通風(fēng)口中來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。將PERIODIC條件應(yīng)用于此模型：

1. 在主PyroSim窗口中，選擇所有附加通風(fēng)口XMIN，XMAX，YMIN，并YMAX通過(guò)按住Ctrl鍵并單擊它們。

2. 繼續(xù)按住Ctrl鍵，雙擊通風(fēng)口打開Vent Properties對(duì)話框。

3. 更改Surface從OPEN到PERIODIC。

現(xiàn)在，通過(guò)單擊“運(yùn)行FDS”圖標(biāo)，使用新的周期性邊界條件運(yùn)行模型。模擬完成后，通過(guò)單擊“運(yùn)行FDS”對(duì)話框中的“顯示結(jié)果”或單擊“顯示結(jié)果”，在結(jié)果查看器中打開結(jié)果。

請(qǐng)注意，即使模型中僅更改了邊界條件，結(jié)果也大不相同。一方面，從模型向南流出的風(fēng)流的影響被卷回進(jìn)入模型的北邊界，如圖 10所示。隨著時(shí)間的推移，這些效應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生不同的發(fā)展，它們?cè)俅我耘c它們進(jìn)入時(shí)不同的流動(dòng)模式向南部出口，然后在北部邊界重新進(jìn)入以繼續(xù)循環(huán)。其次，煙霧和其他反應(yīng)產(chǎn)物向南離開模型，并像風(fēng)一樣重新進(jìn)入北邊界，如圖 11所示。這對(duì)于某些模型來(lái)說(shuō)可能是不可取的，并且由下一個(gè)邊界條件解決。

圖 10. 風(fēng)流環(huán)繞具有PERIODIC邊界條件的域。

圖 11. 煙霧和其他副產(chǎn)品環(huán)繞PERIODIC邊界條件的域

請(qǐng)注意，即使速度和方向剖面都沒(méi)有改變，風(fēng)流也不再改變方向。這是因?yàn)镕DS僅在它們進(jìn)入的邊界處強(qiáng)制執(zhí)行這些配置文件。由于使用了PERIODIC邊界條件，因此這些剖面所做的更改會(huì)被風(fēng)離開PERIODIC表面時(shí)的條件所覆蓋。

4.3 僅周期性流條件

該P(yáng)ERIODIC FLOW ONLY條件的行為與PERIODIC表面類似，因?yàn)轱L(fēng)流的影響在離開后會(huì)繞回到域的另一側(cè)。然而，與PERIODIC表面不同的是，煙霧和其他反應(yīng)產(chǎn)物不會(huì)環(huán)繞域，如圖12所示。相反，他們像OPEN條件一樣退出模型。在FDS的早期版本中，這是通過(guò)應(yīng)用PERIODIC邊界條件然后使用WIND=.true參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這在FDS 6.7.5中已被棄用，并PERIODIC FLOW ONLY添加了表面。

圖 12. 當(dāng)風(fēng)和其他氣流使用PERIODIC FLOW ONLY邊界條件環(huán)繞域時(shí)，煙霧和其他副產(chǎn)品離開域