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工程师的火灾模拟/FDS/输出

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输出

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最后，用户规定输出量（DEVC、SLCF、BNDF、ISOF）。

所有输出量必须在计算开始时指定。在大多数情况下，如果信息没有从一开始就指定，则无法在计算结束后检索信息。

规定输出

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FDS 计算每个离散时间步长内每个数值网格单元的温度、密度、压力、速度和化学成分。通常有数十万到数百万个网格单元，以及数千到数十万个时间步长。此外，FDS 计算固体表面的温度、热通量、质量损失率以及其他各种量。

因此，用户必须仔细选择要保存的数据，就像在设计实际实验时一样。即使只保存了计算信息的极小一部分，输出通常也包含相当大的数据文件（可能有多个 G 字节！）。

请记住，所有输出量必须在计算开始时指定。在开始计算之前，仔细考虑应保存哪些信息。

气相的典型输出量包括

• 气体温度；

• 气体速度；

• 气体物质浓度（水蒸气、CO2、CO、N2）；

• 烟雾浓度和能见度估算；

• 压力；

• 单位体积的热释放率；

• 混合分数（或空燃比）；

• 气体密度；

• 单位体积的水滴质量。

在固体表面，FDS 预测与气相和固相之间的能量平衡相关的其他量，包括

• 表面和内部温度；

• 热通量，包括辐射和对流；

• 燃烧速率；

• 单位面积的水滴质量。

程序记录的全局量包括

• 总热释放率 (HRR)热释放率 (HRR)；

• 洒水器和探测器激活时间；

• 通过开口或固体的质量和能量通量。

空间中单个点的各种量的时程历史或全局量（如火灾的热释放率 (HRR)）保存在简单的逗号分隔文本文件中，可以使用电子表格程序（如 Openoffice.org Calc 或 Microsoft Excel）绘制这些文件。

大多数场或表面数据使用 Smokeview 进行可视化。FDS 和 Smokeview 协同使用来模拟和可视化火灾现象。Smokeview 通过显示动画示踪粒子流、计算气体变量的动画等值线切片和动画表面数据来执行此可视化。Smokeview 还在场景中任何地方的固定时间点显示等值线和固定数据的矢量图。

输出控制参数，DUMP

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命名列表组 DUMP 包含控制输出文件写入速率的参数，以及与输出文件相关的各种其他全局参数。

例如，NFRAMES 参数是每次计算的输出转储次数。默认值为 1000。设备数据、切片数据、粒子数据、等值面数据、3D 烟雾数据、边界数据、固相轮廓数据和控制函数数据每 (T_END - T_BEGIN) / NFRAMES 秒保存一次，除非另有说明。

下表总结了一些 DUMP 参数

参数 类型 描述 单位 默认值
NFRAMES 整数 每次计算的输出转储次数 1000

点测量设备，DEVC

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用于控制逻辑的相同设备 DEVC（参见第 [cha:Devices-and-control-logic] 章）用于保存空间中单个点处的给定量，以便可以将此量绘制为时间的函数，例如热电偶温度测量。

规定的 QUANTITY 记录为名为 mycase_devc.csv 的输出文件中的列。这种类型的文件可以导入任何电子表格程序。

示例

s °C °C
FDS 时间 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

记录气相量

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例如，如果您只想记录给定点处温度的时程历史，请添加

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

将在输出文件 mycase_devc.csv 中添加一列，标签为 T-1。

FDS 报告在点 XYZ 所在单元格中计算的 QUANTITY 的值。

记录固相量

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在规定固相量时，请确保将探头放置在固体表面。由于网格并不总是与输入障碍物位置对齐，因此并不总是很明显固体表面在哪里。

为了帮助 FDS 找到合适的表面，请使用参数 IOR（方向索引）建议面的正确方向。

在某些情况下，FDS 仍然无法确定要指定哪个固体表面，在这种情况下，诊断输出文件中会出现错误消息。重新定位探头并重试。例如，该行

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

指定面向负 y 方向的墙壁的表面温度。

矢量场
流场的切片

记录积分量

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除了点测量之外，DEVC 组还可以用于报告积分量。例如，您可能想知道门或窗户的质量流出量。要报告此内容，请添加该行

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

请注意，在这种情况下，指定的是面而不是点。

QUANTITY='HRR'热释放率 (HRR) 可用于计算域子集内的总热释放率。在这种情况下，六元组 XB 应定义体积而不是面。

请记住，避免跨越多个网格边界的表面或体积：FDS 必须决定在积分中使用哪个网格。

动画平面切片，SLCF

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SLCF 名称列表组参数允许您记录多个点的各种气相量。切片是指整个域的子集。它可以是线、面或体，具体取决于 XB 的值。

如果给定的 SLCF 线具有属性 VECTOR=.TRUE，则可以在 Smokeview 中创建动画向量。如果两个 SLCF 条目位于同一平面上，则只需其中一条线具有 VECTOR=.TRUE。否则，将创建冗余的速率分量切片集。

例如，该行

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

记录了 x~=~0.8 平面上的温度和动画速度矢量

下表总结了一些 SLCF 参数

参数 类型 描述 单位 默认值
QUANTITY 字符串 要输出的量的名称
VECTOR 逻辑 包含流向量 .FALSE.
XB(6) 实数 面 m
PBX, PBY, PBZ 实数 平面 m

动画边界量，BNDF

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BNDF 名称列表组参数允许您记录所有固体障碍物上的表面量。与 SLCF 组一样，每个量都用单独的 BNDF 行规定。但是，不需要指定物理坐标，只需指定 QUANTITY。

例如，该行

 &BNDF QUANTITY='WALL_TEMPERATURE' /

记录所有固体障碍物面的 WALL_TEMPERATURE。

对于某些输出量，需要通过 PROP 名称列表组指定其他参数。在这种情况下，将字符串 PROP_ID 添加到 BNDF 行，以告诉 FDS 在哪里可以找到必要的额外信息。

请注意，BNDF 文件可能会变得非常大，因此在规定时间间隔时要小心。

减少输出文件大小的一种方法是关闭所需障碍物上边界信息的记录。在任何给定的 OBST 行上，如果包含字符串 BNDF_OBST=.FALSE.，则该障碍物不会被考虑用于边界量的输出。要关闭所有边界记录，请在 MISC 行上设置 BNDF_DEFAULT=.FALSE. 然后，可以使用 BNDF_OBST=.TRUE. 在相应的 OBST 行上重新打开各个障碍物。可以使用 BNDF_FACE(IOR)=.TRUE. 控制给定障碍物的各个面，其中 IOR 是方向的索引。

场切片

下表总结了一些 BNDF 参数

参数 类型 描述 单位 默认值
QUANTITY 字符串 要输出的量的名称

动画等值面，ISOF

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ISOF 名称列表组用于指定气相标量量的输出，作为三维动画等值线。例如，300°C 温度等值面显示气体温度为 300°C 的位置。可以通过以下行保存三个不同的温度值

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

其中这些值以 °C 为单位。

等值面

任何气相量都可以通过等值面进行动画处理，但要小心。要渲染等值面，必须在每个输出时间步长在每个网格单元中计算所需的量。对于像 TEMPERATURE 这样的量，这不是问题，因为 FDS 会计算它并保存它。但是，烟尘密度或氧气需求在每个网格单元中计算时会消耗大量时间。

下表总结了一些 ISOF 参数

参数 类型 描述 单位 默认值
QUANTITY 字符串 要输出的量的名称
VALUE(3) 实数 等值线值

逼真的烟雾和火焰

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当您使用默认混合分数燃烧模型进行火灾模拟时，FDS 会自动创建两个输出文件，这些文件由 Smokeview 渲染成逼真的烟雾和火焰。

使用 FDS 进行火灾模拟的简单示例

默认情况下，输出量烟尘的 MASS FRACTION 和 HRRPUV（每单位体积的热释放率）用于可视化。

热释放率 (HRR)

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与总能量预算相关的量在逗号分隔文件 mycase_hrr.csv 中报告。此文件会自动生成。

该文件包含六列。第一列包含以秒为单位的时间。第二列到第五列包含积分能量增益和损失，所有单位均为 kW。第二列包含总热释放率，第三列包含对所有边界（固体和开放）的辐射热损失，第四列包含对边界的对流和辐射热损失（即流出或流入域的能量），第五列包含传导到固体表面的能量。第六列包含以 kg/s 为单位的总燃料燃烧率。它仅作为对总热释放率的检查。

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

能见度

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如果您使用混合分数方法进行火灾计算，则烟尘会与所有其他主要燃烧产物一起跟踪。

通过烟尘的距离 L 传递的单色光 I 的强度根据以下公式衰减

光消光系数光消光系数 K，是烟尘颗粒密度，和质量比消光系数 Km 的乘积。与燃料相关的质量消光系数

如 [Mulholland 2002] 所示，可以通过使用以下公式估算烟尘的能见度

其中 C 能见度系数 是一个无量纲常数，表征通过烟尘查看的物体类型。

由于 K 随域中的点而变化，因为它取决于烟尘密度，因此能见度 S 也随之变化。

请记住，FDS 只能跟踪其生产率和成分已指定的烟尘。预测两者都超出了当前版本模型的能力。三个参数控制烟尘的产生和能见度；每个参数都在 REAC 行上输入

• SOOT_YIELD 是转换为烟尘的燃料质量的比例。

• MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT，即方程 [eq:Km] 中的 Km。默认值为 8700 m2/kg，这是木头和塑料火焰燃烧的推荐值。

• VISIBILITY_FACTOR，即方程 [eq:S] 中的 C。对于发光信号 C=8，对于反光信号 C=3。默认情况下 C 为 3。

能见度 S 通过 QUANTITY 关键字 VISIBILITY 输出。

上层和下层

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消防工程师通常需要估计燃烧隔间内热烟上层和较冷下层界面位置。相对简单的火灾模型，通常被称为双区模型区域模型，直接计算该量，以及上下层的平均温度。在像 FDS 这样的计算流体动力学 (CFD) 模型中，不存在两个不同的区域，而是一个连续的温度剖面。然而，已经开发了一些方法来估计连续垂直温度剖面上的层高和平均温度。

可以使用输入文件中的 DEVC 行指定 LAYER HEIGHT、UPPER TEMPERATURE 和 LOWER TEMPERATURE 量。例如，条目

 &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 之间生成 x~=~2 和 y~=~3 处烟层高度的时间历程。如果使用多个网格，则垂直路径不能跨越网格边界。

热通量和热辐射

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有各种方法可以记录固体边界处的热通量。如果你想记录到表面的净热通量，q对流 + q辐射，使用 QUANTITY='HEAT FLUX'。各个分量，净对流热通量和辐射热通量，分别是 CONVECTIVE HEAT FLUX 和 RADIATIVE HEAT FLUX。

如果你想将预测的热通量与测量结果进行比较，你通常需要使用 GAUGE HEAT FLUX。NET HEAT FLUX 和 GAUGE HEAT FLUX 之间的区别在于，前者是能量被固体表面吸收的速率；后者是指如果表面是冷的或使用 GAUGE_TEMPERATURE 指定的某个温度，将被吸收的能量量。

所有上述热通量输出量都在固体表面定义。

与结构模型接口

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FDS 为每个标记气体和固体之间界面的边界单元求解一维热传导方程，假设提供了材料层的材料特性。结果可以通过 DEVC 或 BNDF 输出传输到其他模型，这些模型预测墙壁或结构的机械响应。对于许多应用，一维热传导方程的解是足够的，但在固体内部横向热传导显着的情况下，可以采用另一种方法。FDS 包含绝热表面温度 (AST)绝热表面温度 (AST) 的计算，该量代表到固体表面的热通量，遵循 [Wickstrom 2007] 提出的想法。

显然，将信息传递给更详细的模型的目的是获得比 FDS 可以提供的更好的固体温度预测（并最终获得其机械响应）。

可视化拉格朗日粒子

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示踪粒子可以从通风口或障碍物中注入流场，如第 [sec:Injecting-Lagrangian-particles] 节所示，然后在 Smokeview 中观察。也可以绘制轨迹线。

常用的输出量

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下表显示了常用的输出量的整理列表。列“NameList”详细说明了可以在哪里指定相应的 QUANTITY：B 边界文件 (BNDF)、D 设备 (DEVC)、I 等值面文件 (ISOF)、S 切片文件 (SLCF)。

QUANTITY 描述 单位 NameList
NET HEAT FLUX 固体边界处的辐射热通量和对流热通量的总和 kW/m2 B,D
RADIATIVE HEAT FLUX 固体边界处的辐射热通量 kW/m2 B,D
CONVECTIVE HEAT FLUX 固体边界处的对流热通量 kW/m2 B,D
MASS FLUX* 指定物质在固体表面的质量通量 kg/m2/s B,D
MASS FRACTION* 指定物质的质量分数 kg/kg D,I,S
VOLUME FRACTION* 指定物质的体积分数 mol/mol D,I,S
LAYER HEIGHT 估计燃烧隔间内热烟上层和较冷下层界面位置的高度 m D
UPPER TEMPERATURE 上层温度 °C D
LOWER TEMPERATURE 下层温度 °C D
MASS FLOW 计算通过给定平面区域的集成质量流量。 kg/s D
HEAT FLOW 计算通过给定平面区域的集成热流量。 kJ/s D
VOLUME FLOW 计算通过给定平面区域的集成体积流量。 m3/s D
VISIBILITY 烟雾中的能见度长度 m D,I,S
SOOT VOLUME FRACTION 烟灰体积分数 mol/mol D,I,S
FED 基于 CO、CO2 和 O2 的有效分数剂量，如 [Purser 2002] 所提出的 D
TEMPERATURE 气体温度 °C D,I,S
THERMOCOUPLE 模拟热电偶的温度，通常接近气体温度。 °C D
WALL TEMPERATURE 固体界面温度。 °C B,D
ADIABATIC SURFACE TEMPERATURE 参见第 124 页第 14.12 节。 °C B,D
VELOCITY 气相速度 m/s D,I,S
NORMAL VELOCITY 气相壁面法向速度 m/s D,B
WALL CLOCK TIME 经过的挂钟时间 s D

∗这些量需要使用 SPEC_ID 指定气体物质。

以下是一些输出量的示例

 &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' /

有些输出量需要通过 SPEC_ID 指定物质名称，例如 MASS FRACTION 量。SPEC_ID 可以选择在执行混合分数计算时隐式定义的一种物质（燃料、氧气、氮气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、氢气、烟灰、其他），或通过 SPEC 行定义的额外气体物质

 &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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