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基础教程 - 定义火灾

在本教程中,我们将保持简单,只需使用祝融FDS反应库中的反应并创建一个基本的燃烧器表面。

祝融支持多种火灾与燃烧设置,不同设置涉及燃料组成、燃烧产物、热释放速率和边界条件等工程参数。本教程采用最简单的燃烧器火灾模型,在上一教程创建的房间中定义一个基础火源。

完成本教程后,你将掌握以下操作:

  • 从数据库导入气相反应;
  • 创建燃烧器类型的表面;
  • 设置单位面积热释放率(HRRPUA);
  • 将燃烧器表面应用到 Fire 障碍物。

1. 开始前的准备

请先完成基础教程 :如何创建几何模型,并确认当前项目中已有以下对象:

  • 一个 ID 为 Fire 的 1 m × 1 m 地板障碍物;
  • Floor、Ceiling、Wall 和 door 等房间几何对象;
  • 项目文件已保存。

2. 火灾模型的两个组成部分

本教程中的燃烧器火灾由“反应”和“表面”共同定义。

2.1 反应

反应用于描述燃料参与燃烧时的化学行为,包括燃料组成、反应产物、烟炱产率和一氧化碳产率等参数。一个模型可以包含多个反应;模型中的全局燃烧设置则用于控制这些反应共同遵循的燃烧规则。

2.2 表面

表面是一组应用到实体或开口上的物理边界属性。祝融中的默认表面为 INERT,它表示固定为环境温度的惰性表面。燃烧器表面可以从几何对象的指定表面释放可燃气体和热量,从而形成火源。

简单来说,反应决定“燃料如何燃烧”,表面决定“火源从哪里释放以及释放多少热量”。两者配置正确后,模型中才具备完整的燃烧条件。

3. 添加气相反应

本教程直接使用祝融数据库中的橡木反应。

  1. 在左侧导航树中找到并选择 反应 分类。
  2. 在分类操作区域单击 数据库导入。
  3. 在“数据库导入”窗口中,将分类设置为 气相反应。
  4. 在右侧数据库列表中选择 SFPE 橡木,其反应 ID 为 SFPE WOOD_OAK。
  5. 单击指向左侧的箭头,将该反应添加到“当前模型”。
  6. 确认反应已出现在左侧列表中,然后关闭窗口。
从数据库导入气相反应
从数据库导入气相反应

图 1 从数据库导入 SFPE WOOD_OAK 反应

导入后,可以在导航树的“反应”分类下看到 SFPE WOOD_OAK。与该反应关联的燃料物种也可能一同添加到“物种”分类中。

数据库反应包含参考来源和预设参数。将其用于实际工程前,仍应检查燃料组成、产物产率和适用场景是否符合项目要求。  

4. 创建燃烧器表面

接下来创建一个用于释放热量的表面。

  1. 在左侧导航树中选择 表面 分类。
  2. 单击 新建表面。
  3. 在右侧属性面板的“基本”分组中,将 ID 设置为 Fire。
  4. 将 表面类型 设置为 燃烧器。
  5. 将表面颜色设置为红色,便于在三维视图中识别火源。
创建燃烧器表面
创建燃烧器表面

图 2 创建 ID 为 Fire 的燃烧器表面

5. 设置单位面积热释放率

展开 Fire 表面的“热释放”分组,按以下方式设置:

  1. 将释放类型选择为 单位面积热释放率。
  2. 在数值框中输入 660 kW/m²。
  3. 保持熄灭系数为 0,时间上升方式保持 默认。
设置单位面积热释放率
设置单位面积热释放率

图 3 将 HRRPUA 设置为 660 kW/m²

本教程沿用原示例中的 660 kW 最大热释放率。由于 Fire 障碍物的有效燃烧面积为 1 m²,因此输入的 HRRPUA 数值同样为 660 kW/m²。

对于其他尺寸的火源,应使用下面的关系换算:

HRRPUA = 目标热释放率 ÷ 有效燃烧面积

例如,若目标热释放率仍为 660 kW,但有效燃烧面积为 2 m²,则 HRRPUA 应设置为 330 kW/m²。

660 kW/m² 仅用于本教程演示,不应直接作为其他火灾场景的设计值。  

6. 将表面应用到 Fire 障碍物

最后,将刚创建的燃烧器表面关联到房间中央的火源对象。

  1. 在左侧导航树的“模型”分类中选择 Fire 障碍物。
  2. 在右侧属性面板中展开 表面 分组。
  3. 如果当前使用“单一”表面模式,将其切换为 多个,以便分别设置各个外表面。
  4. 将障碍物的顶部表面指定为 Fire,其余表面保持为 INERT。
  5. 切换到三维视图,确认火源顶部显示为 Fire 表面设置的红色。
将燃烧器表面应用到 Fire 障碍物
将燃烧器表面应用到 Fire 障碍物

图 4 将 Fire 燃烧器表面应用到火源障碍物

只把燃烧器表面应用到顶部,可以使有效燃烧面积保持为 1 m²,从而使本教程中的总热释放率与 660 kW 的目标值一致。

7. 完成检查

完成后,项目应满足以下条件:

  • “反应”分类中存在 SFPE WOOD_OAK;
  • “表面”分类中存在 ID 为 Fire 的燃烧器表面;
  • Fire 表面的单位面积热释放率为 660 kW/m²;
  • 房间中央 Fire 障碍物的顶部使用 Fire 表面;
  • 障碍物的其他表面保持为 INERT;
  • 三维视图中的火源顶部显示为红色;
  • 项目已再次保存。

8. 小结

本教程通过导入 SFPE WOOD_OAK 反应、创建 Fire 燃烧器表面、设置 HRRPUA,并将该表面应用到火源障碍物,完成了基础火灾定义。在运行模拟前,还需要继续设置计算网格、模拟时间和结果输出等内容。