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烟气流动分析软件操作视频
时间：2021-03-30 访问量：1257
1.1 启动pyrosim(并打开example guide, chapter 1)。具体就不多说了，开始>程序>…………
下面是pyrosim启动时的截图，上面有中文“火”的写法，但是看起来似乎是源自日文汉字(kanji)的火。但是开发pyrosim的是一家位于美国的公司。
1.2 建立网格
选择model > edit grid ... 在跳出的面板上点new。把网格的边界设置为min x = 0，max x = 10，min y = 0，max y = 10，min z = 0，max z = 10。同时把网格数量设为x cells = 20，y cells = 20，z cells = 20。如下图所示：
在fds里面，基本形状只能是长方体的(尽管通过长方体的组合，能模拟复杂的几何形状)。网格也只能是正交网格(点确定后可以看到)。这个例子是模拟风洞内的燃烧，风洞尺寸为10米*10米*10米。每边划分成20个网格，总共有8000个网格。在fds中，由于求解器的特殊要求，每边划分的单元数通常要求是2，3或5的倍数。
点击ok后，网格就生成了，如下图所示：
1.3 定义粒子
这里的粒子并不是通常cfd软件里的拉格朗日粒子，只是为了后处理方便而定义的示踪粒子。选择model > edit particles ...，然后点new。不要选particle have mass，这样粒子没有质量，仅是示踪粒子。选中color particles during animation，使用默认的颜色，红色。这样在结果中会有红色的示踪粒子。
1.4 建立面
实际上，在建立网格的时候，我们已经得到了计算模型。这里的面是用来定义边界条件。要注意的是，这里仅仅定义边界条件，而没有给模型中的面指定边界条件。也就是说只定义边界上的物理条件，但并没有和模型中的边界联系起来。
定义入口边界。model > edit surface properties ...，点new。surface name是blow，使用inert作为模板。选择surface type为 "fan/wind”。然后下面会有很多选项。系统定义的表面类型都有明确的物理意义，还是比较好懂的。fan/wind里可以定义入口空气的温度和速度。为了便于区分，把color选成蓝色。air temperature = 20 c，specify normal velocity = -1.0 m/s。-1.0 m/s代表气流速度为1m/s，方向为进入计算域( 1.0m/s为出)。第三个标签下，选中emit particles，particle type = part。后点ok。各步骤的截图如下：
在这里例子里面，只需要定义blow这一个面，其余的面可以用系统定义的来表示。
1.5 定义边界条件
这里是真正指定表面的边界条件。
定义入口。选择model > new vent ...，在specification标签下，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的范围为blow的边界条件。点ok，离开界面。具体操作和操作后的结果为：
定义出口。步骤和上面的基本一样，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。在和入口相对的面上，有一个4*4的通风口。
1.6 定义切面
fds使用les模型模拟湍流，会产生大量的瞬时数据。fds里面需要定义切面，只有切面数据会保存。
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。
1.7 设定模拟参数
fds > simulation parameters ...。simulation title = wind tunnel，specify duration = 60 s，initial time step = 0.15 s。数值模拟总时长为60秒，初始时间步长为0.15秒(后面的时间步长有系统自动决定)。ok。
1.8 运行fds
fds > run fds ... 先要保存一个*.data文件(自行命名)。然后fds开始求解，求解过程如下图所示：
1.9 检查结果
fds算完60秒后，会自动弹出smokeview窗口。 在上面点右键load/unload > slice file > velocity > *y=5.0。会显示前面定义的切面上的速度云图。
在上面点右键load/unload > particle file > *smoke/water。会显示粒子轨迹。
至此，我们已经完成了fds里面的个练习。下面可以修改上面的例子，做一个隧道内火灾的模拟。
2. 隧道火灾模拟
隧道内的火灾模拟是一个很常见的fds应用。如果在隧道内发生火灾，如果通风系统没有工作，燃烧产生的烟会向两边对称扩散，引起能见度的下降，和对隧道内人员的健康威胁。通常，需要在隧道入口装风扇，把烟吹向出口，这样烟雾就不会向入口扩散。烟雾向上游的扩散成为是逆流(back layer flow)。入口风速大，逆流长度就小，或者没有逆流；入口风速小，逆流长度就长。逆流长度刚好为零的入口风速成为是临界速度(critical velocity)。fds广泛使用于逆流的研究。
这里要做的是一个60*16*6的隧道。入口速度是3m/s，入口温度是25c。在底部有一块8*8的燃烧区域，火灾大小为100mw。为了简化问题没有模拟过程，而是直接把100兆瓦的热量直接分布在64平方米的面积上，折合1562.5kw/m2。
2.1 继续前面的模型
下面要修改前面建立的模型。如果模型没有打开，可以打开保存的*.psm或者*.data文件。
2.2 建立网格
在左边的树形目录上，双击grids > grid。在弹出的面板上，修改max x = 60，max y = 16，max z = 6，x cells = 120，y cells = 32，z cells = 12。ok。点ok后，可能模型不在屏幕中央，可以点击工具栏上右数倒数第二个图标(reset view to all visible objects)重置显示。步骤和结果如下所示：
2.3 建立面
这里需要建立两个面。个面是入口，修改前面的blow条件；第二个面是fire，需要创建。
在左边双击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。
2.4 定义边界条件
按照上面的描述，有三个边界条件需要定义。
双击model > vent blow。把整个x=0平面设成是入口。min y = 0，max y = 16，min z = 0，max z = 6。ok。
双击model > vent open。把整个x=60平面设成是出口。lies in the plane x = 60，min y = 0，max y = 16，min z = 0，max z = 6。ok。
新建一个fire region边界条件，在主菜单上选择：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。
过程及结果如下：
2.5 定义切面
在y=8平面定义一个切面。output > slices ...。把plane value改成8。在y=8平面定义一个新的切面，来显示温度。因为我们没有模拟燃烧，根据温度场可以大概知道烟雾的分布。xyz plane = y，plane value = 8，gas phase quantity = temperature，use vector? = no。
2.6 设定模拟参数
模拟的总时长为60秒。fds > simulation parameters ...。simulation title = tunnel fire，specify duration = 60，initial time step = 0.1。ok。
2.7 运行fds
fds > run fds ...。先保存一个合适的*.data文件。然后求解器会启动。求解过程大约为15分钟(在我的电脑上)。求解结束后，会自动跳出smokeview。
1.9 检查结果
在自动弹出smokeview窗口上面点右键load/unload > slice file > temperature > *y=8.0。会显示前面定义的切面上的温度云图。
1.10 分析
在上面的温度云图中，我们可以看到，在入口速度为3m/s的时候，隧道内有非常显著的回流。也就是说3m/s的入口速度，不足以阻止烟气向上游扩散。有兴趣的朋友可以增加入口速度，看看这个问题的临界速度是多少。我试出的临街速度是4.5m/s左右。
另外一个问题是这个结果准确吗？理论上来说les和k-e相比，有很大的优越性，但是由于fds使用是有限差分的方法，而且没有检查收敛性(explicit)，通常情况下只能作为参考。比如这个例子，有兴趣的朋友，可以用fluent/cfx建模算一下，fluent/cfx给出的临界速度应该在2.7m/s左右。差别还是相当大的。另外根据我的测试(和一组条件不同的实验数据的比较)，基于k-e的fluent/cfx结果通常会稍稍低估临街速度。但是总体而言，还是fluent/cfx的结果更加可信。值得提醒的是，用fluent/cfx的时候，一定要记得加上浮力修正。
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