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进阶教程 - 材料和层状表面

祝融FDS教程:添加材料属性与创建分层表面指南

材料用于描述真实物质的密度、比热容、导热系数和发射率等热物性;层次表面则把一种或多种材料按厚度组合,并将这些属性应用到模型边界。本教程将导入两层办公楼模型,添加库材料,创建自定义橡木材料,并构造单层和多层表面。

1. 开始前的准备

请先完成基础教程,并准备教程使用的两层办公楼 IFC 文件。实际工程中的材料参数应来自可靠试验或规范资料;内置数据库更适合作为建模示例和参数起点。

2. 导入两层办公楼模型

  1. 在 开始 选项卡中单击 导入,选择两层办公楼 IFC 文件。
  2. 在导入向导中将长度单位设置为 m。
  3. 启用 将几何移动到原点(0, 0, 0)。
  4. 检查导入预览和模型范围,确认后完成导入。
图片 1:导入两层办公楼模型
图片 1:导入两层办公楼模型

图 1 完成两层办公楼 IFC 模型导入

导入后,在左侧导航树中检查楼层与构件。若只需要编辑一层,可选择另一楼层,右键选择 隐藏对象。

图片 2:单独显示一层模型
图片 2:单独显示一层模型

图 2 隐藏另一楼层后单独显示目标楼层

3. 在导入模型中设置火源

本节沿用基础火灾教程的思路创建一个简化火源。

  1. 在导航树的 反应 分类中使用 数据库导入,添加聚氨酯气相反应。
  2. 新建 ID 为 Fire 的表面,将表面类型设为 燃烧器,单位面积热释放率设为 660 kW/m²。
  3. 在目标楼层房间内创建一个 1 m × 1 m × 0.4 m 的板状障碍物,并把底部 Z 位置设置为 0.6 m。
  4. 将障碍物顶部表面指定为 Fire。
图片 3:创建火源障碍物
图片 3:创建火源障碍物

图 3 绘制板状障碍物并应用 Fire 燃烧器表面

还可以在火源上方 Z = 2.6 m 处添加热电偶,创建覆盖模型的网格,为网格边界添加 OPEN 通风口,并在 分析 > 模拟参数 中把结束时间设为 60 s。

4. 从数据库添加材料

  1. 在左侧导航树中选择 材料 分类。
  2. 单击 数据库导入,将分类切换为 材料。
  3. 在数据库列表中选择 GYPSUM 和 INSULATION,将它们添加到当前模型。
  4. 关闭窗口,在导航树中分别选择材料,检查右侧属性面板中的热属性和说明。
图片 4:从数据库添加材料
图片 4:从数据库添加材料

图 4 将 GYPSUM 和 INSULATION 添加到当前模型

图片 5:查看 GYPSUM 热属性
图片 5:查看 GYPSUM 热属性

图 5 查看 GYPSUM 的密度、比热容和导热系数

5. 创建自定义 OAK 材料

  1. 在导航树中选择 材料,单击 新建材料。
  2. 将 ID 设置为 OAK,材料类型保持 固体材料。
  3. 将 密度 设置为 545 kg/m³。
  4. 将 比热容 设为常数 2.385 kJ/(kg·K)。
  5. 将 导热系数 设为常数 0.17 W/(m·K)。
  6. 本教程保留发射率和吸收系数默认值。
图片 6:创建 OAK 材料
图片 6:创建 OAK 材料

图 6 OAK 自定义材料的热属性

6. 创建单层材料表面

将 OAK 应用到导入模型中的 Door 表面:

  1. 在导航树中选择 Door 表面。
  2. 将 表面类型 设置为 层次。
  3. 在 材料层 中单击 编辑,添加一层材料。
  4. 将厚度设置为 0.01 m,材料成分选择 OAK,质量分数设置为 1.0。
  5. 确认并保存材料层。
图片 7:设置 Door 层次表面
图片 7:设置 Door 层次表面

图 7 为 Door 添加 0.01 m 厚的 OAK 材料层

保存后,所有使用 Door 表面的对象都会采用这组材料属性。

7. 创建多层隔热表面

接下来把 Default 设置为“石膏—保温—石膏”的三层构造。

  1. 在导航树中选择 Default 表面。
  2. 将 表面类型 设置为 层次。
  3. 打开 材料层 > 编辑,按以下顺序添加材料层:
    • 第 1 层:GYPSUM,厚度 0.01 m,质量分数 1.0;
    • 第 2 层:INSULATION,厚度 0.09 m,质量分数 1.0;
    • 第 3 层:GYPSUM,厚度 0.01 m,质量分数 1.0。
  4. 确认每层的材料质量分数之和均为 1,然后保存。
图片 8:设置 Default 多层表面
图片 8:设置 Default 多层表面

图 8 由 GYPSUM、INSULATION、GYPSUM 组成的多层表面

8. 完成检查

  • 两层办公楼 IFC 模型已导入并可按楼层显示或隐藏;
  • 当前模型包含 GYPSUM、INSULATION 和 OAK;
  • OAK 的密度、比热容和导热系数与教程值一致;
  • Door 使用单层 OAK 材料;
  • Default 使用三层材料构造;
  • 每个材料层的质量分数之和为 1。

9. 小结

本教程完成了几何导入、材料库导入、自定义材料和层次表面的设置。材料与层厚会直接影响固体传热过程,实际项目中应根据构造做法和可靠物性数据进行校核。