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煙氣流動分析軟件操作說明書

1. 運行一個FDS例子
1.1 啟動PyroSim(并打開Example Guide, Chapter 1)。具體就不多說了，開始>程序>…………
下面是PyroSim啟動時的截圖，上面有中文“火”的寫法，但是看起來似乎是源自日文漢字(Kanji)的火。但是開發PyroSim的Thunderhead engineering是一家位于美國的公司。
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1.2 建立網格
選擇Model > Edit Grid ... 在跳出的面板上點New。把網格的邊界設置為Min X = 0，Max X = 10，Min Y = 0，Max Y = 10，Min Z = 0，Max Z = 10。同時把網格數量設為X cells = 20，Y cells = 20，Z cells = 20。如下圖所示：
在FDS里面，基本形狀只能是長方體的(盡管通過長方體的組合，能模擬復雜的幾何形狀)。網格也只能是正交網格(點確定后可以看到)。這個例子是模擬風洞內的燃燒，風洞尺寸為10米*10米*10米。每邊劃分成20個網格，總共有8000個網格。在FDS中，由于求解器的特殊要求，每邊劃分的單元數通常要求是2，3或5的倍數。
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點擊OK后，網格就生成了，如下圖所示：
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1.3 定義粒子
這里的粒子并不是通常CFD軟件里的拉格朗日粒子，只是為了后處理方便而定義的示蹤粒子。選擇Model > Edit Particles ...，然后點New。不要選Particle Have Mass，這樣粒子沒有質量，僅是示蹤粒子。選中Color Particles During Animation，使用默認的顏色，紅色。這樣在結果中會有紅色的示蹤粒子。
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1.4 建立面
實際上，在建立網格的時候，我們已經得到了計算模型。這里的面是用來定義邊界條件。要注意的是，這里僅僅定義邊界條件，而沒有給模型中的面指定邊界條件。也就是說只定義邊界上的物理條件，但并沒有和模型中的邊界聯系起來。
定義入口邊界。Model > Edit Surface Properties ...，點New。Surface name是BLOW，使用INERT作為模板。選擇surface type為 "Fan/Wind”。然后下面會有很多選項。系統定義的表面類型都有明確的物理意義，還是比較好懂的。Fan/Wind里可以定義入口空氣的溫度和速度。為了便于區分，把Color選成藍色。Air Temperature = 20 C，Specify Normal Velocity = -1.0 m/s。-1.0 m/s代表氣流速度為1m/s，方向為進入計算域(+1.0m/s為出)。第三個標簽下，選中Emit Particles，Particle Type = PART。后點OK。各步驟的截圖如下：
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在這里例子里面，只需要定義BLOW這一個面，其余的面可以用系統定義的來表示。
1.5 定義邊界條件
這里是真正指定表面的邊界條件。
定義入口。選擇Model > New Vent ...，在Specification標簽下，Description = Vent Blow，Type = BLOW，Lies in the plane X = 0.0，Min Y = 3，Max Y = 7，Min Z = 3，Max Z = 7。在X=0平面上，有4*4的范圍為BLOW的邊界條件。點OK，離開界面。具體操作和操作后的結果為：
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定義出口。步驟和上面的基本一樣，Model > New Vent ... > New。Description = Vent Open，Type = Open，Lies in Plane X = 10，Min Y = 3， Max Y = 7，Min Z =3，Min Z = 7。在和入口相對的面上，有一個4*4的通風口。
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1.6 定義切面
FDS使用LES模型模擬湍流，會產生大量的瞬時數據。FDS里面需要定義切面，只有切面數據會保存。
Output > Slices ...。XYZ plane = Y，Plane value = 5，Gas Phase Quantity = Velocity，Use Vector = No。OK。在Y=5平面上，保存速度值，但是不保存矢量。
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1.7 設定模擬參數
FDS > Simulation Parameters ...。Simulation Title = Wind Tunnel，Specify Duration = 60 s，Initial Time Step = 0.15 s。數值模擬總時長為60秒，初始時間步長為0.15秒(后面的時間步長有系統自動決定)。OK。
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1.8 運行FDS
FDS > Run FDS ... 先要保存一個*.data文件(自行命名)。然后FDS開始求解，求解過程如下圖所示：
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1.9 檢查結果
FDS算完60秒后，會自動彈出SmokeView窗口。在上面點右鍵Load/Unload > Slice File > VELOCITY > *Y=5.0。會顯示前面定義的切面上的速度云圖。
在上面點右鍵Load/Unload > Particle file > *SMOKE/WATER。會顯示粒子軌跡。
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至此，我們已經完成了FDS里面的個練習。下面可以修改上面的例子，做一個隧道內火災的模擬。
2. 隧道火災模擬
隧道內的火災模擬是一個很常見的FDS應用。如果在隧道內發生火災，如果通風系統沒有工作，燃燒產生的煙會向兩邊對稱擴散，引起能見度的下降，和對隧道內人員的健康威脅。通常，需要在隧道入口裝風扇，把煙吹向出口，這樣煙霧就不會向入口擴散。煙霧向上游的擴散成為是逆流(back layer flow)。入口風速大，逆流長度就小，或者沒有逆流；入口風速小，逆流長度就長。逆流長度剛好為零的入口風速成為是臨界速度(critical velocity)。FDS廣泛使用于逆流的研究。
這里要做的是一個60*16*6的隧道。入口速度是3m/s，入口溫度是25C。在底部有一塊8*8的燃燒區域，火災大小為100MW。為了簡化問題沒有模擬過程，而是直接把100兆瓦的熱量直接分布在64平方米的面積上，折合1562.5kw/m2。
2.1 繼續前面的模型
下面要修改前面建立的模型。如果模型沒有打開，可以打開保存的*.psm或者*.data文件。
2.2 建立網格
在左邊的樹形目錄上，雙擊Grids > GRID。在彈出的面板上，修改Max X = 60，Max Y = 16，Max Z = 6，X cells = 120，Y cells = 32，Z cells = 12。OK。點OK后，可能模型不在屏幕中央，可以點擊工具欄上右數倒數第二個圖標(Reset View to All Visible Objects)重置顯示。步驟和結果如下所示：
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2.3 建立面
這里需要建立兩個面。個面是入口，修改前面的BLOW條件；第二個面是FIRE，需要創建。
在左邊雙擊Surfaces > BLOW。Properties > Air Temperature = 25 C。Air Flow > Specify Normal Velocity = -3 m/s。
Model > Edit Surface Properties ... > New...，Surface Name = FIRE，OK。Surface Type = Non-Flammable Solid。Boundary Conditions > Boundary Types = Fixed Heat Flux，Heat Flux = 1562.5，OK。
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2.4 定義邊界條件
按照上面的描述，有三個邊界條件需要定義。
雙擊Model > Vent Blow。把整個X=0平面設成是入口。Min Y = 0，Max Y = 16，Min Z = 0，Max Z = 6。OK。
雙擊Model > 智慧消防產品智慧消防 Vent Open。把整個X=60平面設成是出口。Lies in the plane X = 60，Min Y = 0，Max Y = 16，Min Z = 0，Max Z = 6。OK。
新建一個Fire Region邊界條件，在主菜單上選擇：Model > New Vent。Description = Vent Fire，Type = FIRE，Lies in the plane Z = 0，Min X = 26，Max X = 34，Min Y = 4，Max Y = 12。OK。
過程及結果如下：
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2.5 定義切面
在Y=8平面定義一個切面。Output > Slices ...。把Plane Value改成8。在Y=8平面定義一個新的切面，來顯示溫度。因為我們沒有模擬燃燒，根據溫度場可以大概知道煙霧的分布。XYZ Plane = Y，Plane Value = 8，Gas Phase Quantity = TEMPERATURE，Use Vector? = No。
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2.6 設定模擬參數
模擬的總時長為60秒。FDS > Simulation Parameters ...。Simulation Title = Tunnel Fire，Specify Duration = 60，Initial Time Step = 0.1。OK。
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2.7 運行FDS
FDS > Run FDS ...。先保存一個合適的*.data文件。然后求解器會啟動。求解過程大約為15分鐘(在我的電腦上)。求解結束后，會自動跳出SmokeView。
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1.9 檢查結果
在自動彈出SmokeView窗口上面點右鍵Load/Unload > Slice File > TEMPERATURE > *Y=8.0。會顯示前面定義的切面上的溫度云圖。
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1.10 分析
在上面的溫度云圖中，我們可以看到，在入口速度為3m/s的時候，隧道內有非常顯著的回流。也就是說3m/s的入口速度，不足以阻止煙氣向上游擴散。有興趣的朋友可以增加入口速度，看看這個問題的臨界速度是多少。我試出的臨街速度是4.5m/s左右。
另外一個問題是這個結果準確嗎？理論上來說LES和k-e相比，有很大的優越性，但是由于FDS使用是有限差分的方法，而且沒有檢查收斂性(explicit)，通常情況下只能作為參考。比如這個例子，有興趣的朋友，可以用Fluent/CFX建模算一下，Fluent/CFX給出的臨界速度應該在2.7m/s左右。差別還是相當大的。另外根據我的測試(和一組條件不同的實驗數據的比較)，基于k-e的Fluent/CFX結果通常會稍稍低估臨街速度。但是總體而言，還是Fluent/CFX的結果更加可信。值得提醒的是，用Fluent/CFX的時候，一定要記得加上浮力修正。

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