如何在煙氣流動分析軟件中模擬風和大氣條件

本文演示如何使用煙氣流動分析軟件的風參數和保留表面來模擬風和其他大氣條件。在煙氣流動分析軟件的2021.3版本中，增加了對一些新的FDS功能的支持，這些功能使這些不同的風況建模更加簡單。本文將介紹如何使用這些新功能。用戶將學習如何配置簡單的初始風，隨時間修改風的速度和方向，以及控制模型邊界處的風發(fā)展。

1. 介紹

可以使用煙氣流動分析軟件和FDS對由于風和大氣條件引起的火災模擬效果進行建模和觀察。FDS提供工具來模擬具有一系列復雜性的這些條件。

在基本的層面上，可以通過定義方向和風速來模擬簡單的初始風況。增加條件的復雜性，用戶可以定義隨時間變化方向和風速的初始風場。更復雜的是，用戶可以將這種變化的風場定義為也隨高度變化。結尾，用戶還可以利用Monin-Obukhov相似性理論以完全不同的方式模擬風況。雖然后兩種方法更準確，但本文僅旨在提供對煙氣流動分析軟件中風模擬的簡單理解。它將提供上面列出的前兩種情況的示例。

2. 定義一個簡單的初始風

本文的目的是讓用戶熟悉在煙氣流動分析軟件中有效模擬大氣風所需的不同模型屬性。在本文中，用戶將學習如何設置風模型、如何定義簡單風以及如何在結果查看器中查看風模擬的結果。

2.1 設置模型

開始，打開Simple Wind in 煙氣流動分析軟件PyroSim模型，該模型已經定義了幾何、火和結果切片。此模型的網格是完全封閉的，這意味著環(huán)境空氣或風流無法進入模型域。要打開網格的邊界：

1. Mesh01在導航視圖中單擊鼠標右鍵。

2. Open Mesh boundaries在上下文菜單中單擊。

圖 1. 上下文菜單 Mesh01

這將在網格的全部外部邊界處創(chuàng)建通風口，按網格對它們進行分組，并將全部分組的通風口放置Mesh Boundary Vents在導航視圖中的更大組中。請注意，在兩個網格相鄰的內部邊界處，沒有創(chuàng)建通風口。

全部這些通風口都是使用OPEN邊界條件創(chuàng)建的，但是不希望全部通風口都采用這種條件。對于每個附加有[ZMIN]：

1. 在導航視圖中雙擊網格以打開Vent Properties對話框。

2. 在對話框中，設置Surface為INERT

這將防止空氣通過這些通風口，并在我們的模型中代表地面。將其他通風口留在OPEN表面上。這些將代表環(huán)境大氣邊界，沒有與之相關的特殊開發(fā)屬性。

2.2 定義初始風

在模型中配置風：

1. 在Simulation Parameters下面打開對話框Analysis > Simulation Parameters

2. 單擊Environment選項卡

3. 在Environment選項卡中，單擊 旁邊的復選框Configure Wind，然后單擊Edit

這將打開Wind Parameters對話框。

圖 2. 帶有默認設置的PyroSim Wind Parameters 對話框

要在Wind Parameters對話框中配置簡單的風：

1. 將Speed值更改為5.0m/s

2. 將Direction值更改為0°

注意：此定義使用氣象標準，其中0°代表從北方吹出的風（向南行駛）。

3. 點擊Ok在Wind Parameters和Simulation Parameters對話。

這些設置將模擬5.0m/s來自模型北部的風。請注意，這些是風的初始值。FDS將使用模型中各處的這些值創(chuàng)建初始速度場。風會受到模型產生的障礙物和氣流的影響。單擊Run FDS圖標運行模型。

2.3 查看結果

模擬完成后，通過單擊“運行FDS”對話框中的“顯示結果”或單擊“顯示結果”，在結果查看器中打開結果。在結果查看器中：

1. 打開2D Slices > Velocity下拉菜單。

2. 在Velocity下拉列表中，雙擊所有Z = 10.000切片以在 3D 窗口中顯示它們。

3. 單擊Play窗口底部的按鈕。

速度切片等高線應顯示以5.0m/s速度從模型北部吹出的風。它還應該表明，當風與模型中的障礙物相互作用時，它會在障礙物的前后形成停滯和阻力區(qū)域。

圖 3. 簡單風配置的前 60 秒速度

風對模型中的煙霧和其他反應產物的流動也有影響。要查看此：

1. 2D Slices在導航視圖中雙擊以隱藏所有顯示的切片。

2. 3D Smoke在導航視圖中雙擊以在 3D 窗口中顯示反應產物。

3. 單擊 Side View。

這個視角的北向在左邊。3D 煙霧產品應顯示從北方出來的風，使燃燒障礙物的煙霧和其他產品向南方傳播。

圖 4. 從130s到的簡單風配置的煙霧輸出180s

用戶現在應該能夠使用簡單的風來設置模擬。

3. 隨時間改變風速和風向

本文為風定義增加了額外的復雜性。本文的目標是定義隨時間改變速度和方向的風配置。用戶將通過定義風的速度和方向斜坡來實現這一點。

3.1 配置速度配置文件

開始，關閉結果查看器并返回到 PyroSim 主窗口。在主窗口中：

1. 重新打開Wind Parameters對話框。

2. 單擊Speed Change over Time選項卡。

3. 在Speed下拉列表中，選擇Custom。

4. 單擊Edit Values。

該Ramping Function Values對話框現在應該可見。此對話框允許定義隨時間變化的風速曲線。

圖 5.Ramping Function Values對話框

此對話框表格中的每一行代表速度曲線中的一個點。左側列定義時間，右側列表示給定時間的速度，作為Wind Profile選項卡中定義的速度的一部分。通過復制下面給出的速度曲線來定義一個簡單的速度曲線，然后單擊Ok。

圖 6. 定義的速度配置文件

3.2 配置方向模板

定義方向配置文件類似于定義速度配置文件。要定義方向配置文件：

1. 在Direction下拉列表中，選擇Custom。

2. 單擊Edit Values。

該Ramping Function Values對話框現在應該是可見的，類似于圖 6。對話框之間的區(qū)別是該對話框不是映射速度，而是以度為單位映射風的方向。通過復制下面給出的方向輪廓來定義一個簡單的方向輪廓，然后單擊Ok。

圖 7. 定義的方向配置文件

單擊“確定”后，通過單擊“確定”關閉Wind Parameters和Simulation Parameters配置文件。通過單擊運行FDS圖標運行模型。

3.3 查看結果

模擬完成后，通過單擊“運行FDS”對話框中的“顯示結果”或單擊“顯示結果”，在結果查看器中打開結果。在結果查看器中：

1. 打開2D Slice Vectors > VELOCITY下拉菜單。

2. 雙擊Z = 10.000項目以在 3D 窗口中顯示它們。

3. 在屏幕的左下角，將 設置Vector Magnitude為 2500 以使矢量更加可見。

4. 單擊播放按鈕查看結果。

圖 8. 隨風速和方向變化的風速矢量

圖 8 中所示的速度矢量應顯示開始從模型北部開始的風速為 5.0m/s，到 30s 時速度增加到 10.0m/s，到 60s 時速度增加到 15.0m/s，然后風向改變，在60s從東北方向流出。

圖 9. 改變風配置的煙霧輸出

火災的煙霧輸出也受到速度和方向轉變的影響。 圖 9展示了這一點。煙霧開始向南流動，但在風轉向從東北出來后，煙霧也轉向向西南流動。 用戶現在應該能夠修改模型中的風流以隨時間改變速度和方向。

4. 邊界條件和保留面

本文介紹修改模型的邊界條件。用戶將學習如何更改邊界條件，還將了解哪些條件可用以及每個條件對模型有何影響。用戶將通過將每個條件應用于現有模型并觀察它們的效果來實現這一點。

4.1 開放條件

該OPEN條件是已經在本文中使用的條件。它是通過將OPEN表面應用到邊界通風口來應用的。該條件模擬對環(huán)境條件的被動開放，是基本的邊界條件。

4.2 周期性條件

該PERIODIC條件允許模型隨著時間的推移更自然地形成風。這種條件允許模擬模型中流動的無限大域。它通過將離開PERIODIC通風口的任何流注入到與PERIODIC出口完全相反的域上的通風口中來實現這一點。將PERIODIC條件應用于此模型：

1. 在主PyroSim窗口中，選擇所有附加通風口XMIN，XMAX，YMIN，并YMAX通過按住Ctrl鍵并單擊它們。

2. 繼續(xù)按住Ctrl鍵，雙擊通風口打開Vent Properties對話框。

3. 更改Surface從OPEN到PERIODIC。

現在，通過單擊“運行FDS”圖標，使用新的周期性邊界條件運行模型。模擬完成后，通過單擊“運行FDS”對話框中的“顯示結果”或單擊“顯示結果”，在結果查看器中打開結果。

請注意，即使模型中僅更改了邊界條件，結果也大不相同。一方面，從模型向南流出的風流的影響被卷回進入模型的北邊界，如圖 10所示。隨著時間的推移，這些效應會隨著時間的推移發(fā)生不同的發(fā)展，它們再次以與它們進入時不同的流動模式向南部出口，然后在北部邊界重新進入以繼續(xù)循環(huán)。其次，煙霧和其他反應產物向南離開模型，并像風一樣重新進入北邊界，如圖 11所示。這對于某些模型來說可能是不可取的，并且由下一個邊界條件解決。

圖 10. 風流環(huán)繞具有PERIODIC邊界條件的域。

圖 11. 煙霧和其他副產品環(huán)繞PERIODIC邊界條件的域

請注意，即使速度和方向剖面都沒有改變，風流也不再改變方向。這是因為FDS僅在它們進入的邊界處強制執(zhí)行這些配置文件。由于使用了PERIODIC邊界條件，因此這些剖面所做的更改會被風離開PERIODIC表面時的條件所覆蓋。

4.3 僅周期性流條件

該PERIODIC FLOW ONLY條件的行為與PERIODIC表面類似，因為風流的影響在離開后會繞回到域的另一側。然而，與PERIODIC表面不同的是，煙霧和其他反應產物不會環(huán)繞域，如圖12所示。相反，他們像OPEN條件一樣退出模型。在FDS的早期版本中，這是通過應用PERIODIC邊界條件然后使用WIND=.true參數來實現的。這在FDS 6.7.5中已被棄用，并PERIODIC FLOW ONLY添加了表面。

圖 12. 當風和其他氣流使用PERIODIC FLOW ONLY邊界條件環(huán)繞域時，煙霧和其他副產品離開域