材料

第三，一些属性被设定，作为每种材料的属性 (MATL)。本章还介绍了 RAMP (温度相关) 名单组。

定义材料，MATL

模型中使用的每种材料的属性通过 MATL 名单组指定。这些属性表明材料的升温速度以及燃烧方式。输入文件中的每个 MATL 项必须有一个 ID，可供其他名单组引用。

下表总结了一些 MATL 参数

参数	类型	描述	单位	默认值
ID	字符串	标识符
DENSITY	实数	固体质量/单位体积	Kg/m³	0
EMISSIVITY	实数	发射率		0.9
CONDUCTIVITY	实数	热导率	W/m/K	0.
CONDUCTIVITY_RAMP	字符串	热导率的斜率 ID
SPECIFIC_HEAT	实数	比热容	kJ/kg/K	0.
SPECIFIC_HEAT_RAMP	字符串	比热容的斜率 ID
HEAT_OF_COMBUSTION	实数	燃烧热	kJ/kg	0
HEAT_OF_REACTION	实数	反应热	kJ/kg	0
ABSORPTION_COEFFICIENT	实数	吸收系数	1/m	50 000
BOILING_TEMPERATURE	实数	沸点	◦C	5000

热性质

MATL 名单组可用于指定材料的热导率 (W m⁻¹ K⁻¹)、密度 (kg m⁻³)、比热容 (kJ kg⁻¹ K⁻¹) 和发射率 (默认值为 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. /

像热导率和比热容这样的热性质会随温度变化而显著变化。在这种情况下，使用 RAMP 函数，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 /

对于这种类型的斜率，参数 F 是实际物理量的值。

如果使用 CONDUCTIVITY_RAMP，则不应提供 CONDUCTIVITY 的值。还要注意，对于低于和高于给定范围的温度值 T，FDS 将假设一个恒定值，该值等于指定的第一个或最后一个 F。

每组 RAMP 行必须按单调递增的 T 列出。下表总结了一些 RAMP (温度) 参数

参数	类型	描述	单位
ID	字符串	标识符
T	实数	温度	°C
F	实数	函数值

燃烧性质

固体

MATL 名单组可用于指定固相热解过程中的参数。如第 [cha:Combustion-and-radiation] 章所述，热解是由热量引起的化合物的分解或转化，产生气态燃料，并在气相燃烧过程中燃烧。

FDS 包含对多层、多组分、多反应固体的相当普遍的描述：在燃烧过程中，每种材料可以经历多个反应，这些反应可能在不同的温度下发生并消耗不同的热量。每个单独的反应可以产生单个固体残留物、水蒸气或燃料气体。

以下是一个材料在约 350 °C 温度下燃烧的示例，将所有质量转换为燃料气体，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. /

有关问题的更广泛描述及其复杂性，请参阅下一节和 [FDS5 用户指南]。

液体

MATL 名单组也用于指定燃烧液体的参数。

对于液体燃料，热性质与固体材料类似，但也有一些例外。燃料的蒸发速率受克劳修斯-克拉佩龙方程控制。这种方法唯一的缺点是，燃料气体无论是否有点火源都会燃烧。因此，如果指定了液体燃料，燃料会立即开始燃烧。

举个例子

 &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 会告诉 FDS 使用其液体热解模型。

它也会自动设置 N_REACTIONS=1：唯一的反应是从液体到气态燃料的相变。因此，在这种情况下，HEAT_OF_REACTION 是汽化潜热。气态燃料产量 NU_FUEL 为 0.97 而不是 1，以说明液体中不参与燃烧过程的杂质。

热导率、密度和比热容用于使用与固体相同的、一维的热传递方程计算热量通过传导损失到液体中。显然，液体的对流很重要，但模型中没有考虑。

还要注意液体的 ABSORPTION_COEFFICIENT。它表示热辐射在深度上的吸收。液体不仅仅在表面吸收辐射，而是在表面附近的薄层上吸收辐射。它对燃烧速率的影响是显著的。

MATL 行中的 HEAT_OF_COMBUSTION？

HEAT_OF_COMBUSTION 是与氧气混合并燃烧的单位质量燃料气体释放的能量。这与热解过程无关。此参数最好用于气相燃烧！

如果您还记得第 [cha:Combustion-and-radiation] 章中提到的内容，在 FDS 火灾模拟中可以有多种类型的可燃物，但 FDS 只能模拟一种气态燃料。主要反应的化学计量通过 REAC 名单组指定。

实际上，在 REAC 行上指定的 HEAT_OF_COMBUSTION 与气相燃烧中模拟的唯一气态燃料有关。

在 MATL 行上指定的 HEAT_OF_COMBUSTION 是热解产生的气态燃料的特定值。

如果在 MATL 行上指定了 HEAT_OF_COMBUSTION，FDS 会自动调整热解材料注入的气态燃料的质量损失率，以便校正后的质量损失率乘以单个全局气相燃烧热会产生预期的热释放率。

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 的两倍，则包含在壁单元内的热解材料的质量会减少热解模型确定的值，但添加到气相的燃料气体质量会减少 50%。

属性地狱

科学界一致认为，没有标准方法可以获得运行 FDS 所需的所有参数。对于燃烧材料来说尤其如此。有各种设备用于测量各种属性，但对这些设备的精确物理和数学描述没有达成共识，因此，也没有标准方法将台式实验数据转换为 FDS 输入文件。

最近，伍斯特理工学院的 Nick Dempsey、西南研究院的 Marc Janssens 和 SFPE 的 Morgan Hurley 获得了为期三年的资助，以开发一份工程指南，该指南将记录用于获取材料属性的标准测试方法，更重要的是，这些方法的物理和数学解释将使我们能够理解如何处理在各种台式设备中进行的测量。

如果结果未与实验测量值进行比较，则预测称为盲预测。网格敏感性和不确定的材料属性使得对真实材料上火灾蔓延的盲预测超出了当前版本的模型范围。

但是，只要认识到火焰蔓延速率的不确定性，该模型仍然可以用于对火灾行为进行定性评估。

对于工程级应用，强烈建议使用简化的火灾建模，直接根据文献或直接实验来规定火灾场景的 HRR 热释放率 (HRR)，如第 [sub:Prescribing-an-HRR] 节所示。

材料属性数据资源

以下是一些关于材料属性数据的网络资源；FDS 网站上维护着一个更广泛的链接列表

• NIST 化学 Webbook:[1]

• ChemFinder:[2]

• 部分 INSC 材料属性数据库:[3]

• 伍斯特理工学院的圆锥量热仪数据:[4]

• MatWeb:[5]

• 工程工具箱：[6]