工程师的火灾模拟/FDS/燃烧

...然后通过 REAC 名单组设置气相燃烧反应

燃烧不是热解

FDS 中一个常见的混淆来源是气相燃烧和固相热解之间的区别。

热解是指由于热量引起的化合物分解或转化，产生气态燃料。它是许多固体燃料（如木材、布料、纸张和塑料）燃烧时发生的第一个化学反应。

气相燃烧是指气态燃料与氧气之间的放热化学反应，伴随着以火焰形式产生热量和光线。

因此，固相热解是指在固体或液体表面产生燃料蒸气，而可见火焰不是由于固体燃料本身的燃烧，而是由于其热解释放的气体的燃烧。

指定火灾

在 FDS 中，火灾是应用于流场边界表面的特定边界条件。有两种指定火灾的方法

• 第一种是在表面上指定热释放速率；这与指定一个定义明确的燃烧器相同。如何做到这一点将在第 [sub:Prescribing-an-HRR] 节中详细描述。

• 另一种是指定燃料材料的热物理性质，并让它们热解。在这种情况下，燃料的燃烧速率取决于对表面的净热反馈。这种方法在第 [sec:Burning-properties-of-solids] 节中针对固体燃料进行了说明，在第 [sec:Burning-properties-of-liquids] 节中针对液体燃料进行了说明。

燃烧器和热解材料都会将计算出的气态燃料量注入流场。在现实的火灾场景中，可能存在多种类型的气态燃料，这些燃料源自建筑物中各种燃烧物体，并被注入流场。

气相燃烧建模，REAC

点火

一旦注入流场，气态燃料就会与空气混合并燃烧。无需指定点火源：燃烧模型假设燃料气体和氧气接触后就会燃烧。我们可以想象每个网格单元都包含一个虚拟火花塞，当温度和燃料气体与氧气的局部比例合适时，就会启动燃烧（见图 media:FlameExtinctionCriteria.png）。

燃烧

燃烧过程释放热量和烟雾。

虽然 FDS 火灾模拟中可能存在多种类型的可燃物，但 FDS 只能模拟一种气态燃料。通常，您应将模拟燃烧气态燃料的化学成分与实际主要燃烧气态燃料的化学成分保持一致。

这种模型简化是由于计算成本：为多种气态燃料求解输运方程的成本很高。

FDS 会自动调整固体和液体的燃烧速率，以说明各种可燃物的燃烧热之间的差异。如果燃烧材料的化学计量与全局反应不同，则使用每种燃烧材料的燃烧热来确保从燃烧物体注入流场域的燃料量相等。

FDS 可以用两种方法描述气相反应。

默认情况下，使用所谓的混合分数模型来描述燃料气体从其起源表面到燃烧过程的演变。

另一种方法是所谓的有限速率方法，其中所有参与燃烧过程的单个气体物质都被定义和单独跟踪。这比混合分数模型更昂贵，也更复杂。

本手册仅涵盖混合分数模型，因为它更简单，并且通常用于工程级问题。

当应用混合分数模型时，一组标量变量， $Z_{i}$ ，代表燃烧过程的状态，从纯燃料 $(\sum Z_{i}=1)$ 到纯空气 $(\sum Z_{i}=0)$ .

FDS 提供两种类型的混合分数模型

双参数混合分数模型：第一个参数 $(\mathrm {Z} _{1})$ 是未燃烧燃料的质量分数，第二个 $(\mathrm {Z} _{2})$ 是已燃烧燃料的质量分数，例如源自燃料的燃烧产物的质量。FDS 默认使用双参数模型。

三参数混合分数模型：此燃烧模型模拟了具有三个参数的两步化学反应。反应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。两步反应的三个混合分数分量是未燃烧燃料 $(\mathrm {Z} _{1})$ ，完成第一步反应的燃料质量 $(\mathrm {Z} _{2})$ ，以及完成第二步反应的燃料质量 $(\mathrm {Z} _{3})$ 。请参阅第 [sec:CO-production-in-u-fires] 节以了解为何以及如何使用三参数模型。

所有主要燃烧反应物和产物的质量分数 - 燃料， $\mathrm {O} _{2}$ ， $\mathrm {CO} _{2}$ ， $\mathrm {H} _{2}$ $\mathrm {O}$ ， $\mathrm {N} _{2}$ ， $\mathrm {CO}$ 和烟灰 - 可以通过状态关系从混合分数参数导出：一组混合分数参数的预先制表函数， $\mathrm {Z} _{i}$ 。换句话说， $\mathrm {Z} _{i}$ 在任何给定网格单元中的值决定了所有列出气体的质量分数。

主要气相燃烧反应的化学计量在输入文件中由一个名为 REAC 的 namelist 组指定：指定的参数用于生成将质量分数与 $Z_{i}$ 相关联的表。如果未输入 REAC 行，则 FDS 默认使用丙烷燃烧。

在混合分数模型中，假设每个反应都具有以下形式

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

您只需要指定燃料的化学式以及 $\mathrm {CO}$ 、烟灰和 $\mathrm {H} _{2}$ 的产率，以及烟灰中的氢含量 $\mathrm {H} _{frac}$ 。为了完整性，您可以指定燃料的 $\mathrm {N} _{2}$ 含量和是否存在其他物质。FDS 将使用这些信息在内部确定形成的燃烧产物的量。

在进行气相燃烧混合分数计算时，FDS 隐式定义的物质如下

混合分数物质
燃料、氧气、氮气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、氢气、烟灰、其他

请注意，这些物质用小写字母命名，不要与 SPEC 名字列表组定义的大写字母命名的物质混淆。有关进一步讨论，请参见第 [sec:CO2-and-co2] 节。

下表列出了可能在 REAC 行上指定的参数。请注意，各种 *YIELD 是针对通风良好的火焰后条件。存在预测欠通风火灾场景中各种物质产率的选项，但这些特殊模型仍然需要 CO、烟灰和其他表中列出的任何物质的火焰后产率。

参数	类型	描述	单位	默认值
ID	字符串	标识符
C	实数	燃料中的碳原子数		3
H	实数	燃料中的氢原子数		8
O	实数	燃料中的氧原子数		0
N	实数	燃料中的氮原子数		0
OTHER	实数	燃料中其他原子的数量		0
MW_OTHER	实数	OTHER 的平均分子量，默认为 $\mathrm {N} _{2}$	g/mol	28
CO_YIELD	实数	燃料质量转化为一氧化碳的比例	kg/kg	0
H2_YIELD	实数	燃料质量转化为氢气的比例	kg/kg	0
SOOT_YIELD	实数	燃料中的烟灰比例。燃料质量转化为烟尘颗粒物的比例。	kg/kg	0.01
SOOT_H_FRACTION	实数	烟灰中氢的原子分数		0.1
HEAT_OF_COMBUSTION	实数	单位燃料质量消耗释放的能量	kJ/kg
EPUMO2	实数	单位质量氧气的能量。如果燃烧热未明确指定，则计算为：消耗的 $\mathrm {O} _{2}\times$ EPUMO2	kJ/kg	13100
IDEAL	逻辑	调整微量产物产率		.FALSE.
VISIBILITY_FACTOR	实数	可见度参数		3
MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT	实数	可见度参数	m²/kg	8700

IDEAL 是一个逻辑值，指示 EPUMO2 或 HEAT_OF_COMBUSTION 值是否代表完全燃烧的值 (.TRUE.) 或不完全燃烧的值 (.FALSE.)。如果 IDEAL=.TRUE.，则 FDS 在内部调整产生的燃烧热以考虑在 CO_YIELD、H2_YIELD 和 SOOT_YIELD 中指定的不完全燃烧产物。

这里给出了一些 REAC 行示例，这些值仅用于演示

 &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.

欠通风火灾中的 CO 生成

已经实现了一种算法，它将气相燃烧计算为一个两步反应，并预测 CO 的形成和破坏。当 MISC 行上的参数 CO_PRODUCTION 设置为 .TRUE. 时，将使用此算法

&MISC CO_PRODUCTION=.TRUE. /

尽管该算法预测了 CO 的形成及其在高温下的最终氧化，但它无法预测 CO 的火焰后产量。例如，在发生闪燃的隔间内，该算法预测了 CO 水平升高，但它无法预测离开火焰区域的排气中 CO 的浓度。因此，即使使用此模型，您也必须指定通风良好的火灾的预期 CO_YIELD。

请注意，当该算法处于活动状态时，它需要使用三个混合分数参数，而不是禁用时使用的两个参数，因此会相应地增加运行时间和内存使用量。如果您的模拟不会导致通风不足的火灾，那么启用 CO 生成算法几乎不会有任何益处。

火焰熄灭

模拟由于引入灭火剂（如 $CO_{2}$ 或水雾）或由于隔间内氧气耗尽而导致的火灾抑制具有挑战性，因为相关物理机制发生在比单个网格单元更小的长度尺度上。

火焰由于温度降低和氧气供应稀释而熄灭。FDS 中已实施了一种简单的抑制算法，该算法试图衡量火焰在燃料-氧气界面是否可行。

限制氧气指数和临界火焰温度的默认值分别为 15%（体积分数）和 1427 °C，如媒体：FlameExtinctionCriteria.png 图所示。