如何使用消防評(píng)估軟件中煙氣流動(dòng)模擬壓力泄露

如何使用消防評(píng)估軟件中煙氣流動(dòng)模擬壓力泄露

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)安全計(jì)算分析軟件、煙氣流動(dòng)模擬分析軟件（CFD）、PyroSim煙氣流動(dòng)模擬分析軟件 、消防安全評(píng)估軟件

 

1、簡(jiǎn)介

這篇文章給出了使用壓力區(qū)和HVAC通風(fēng)口進(jìn)行泄漏建模的示例。自2017.2版本以來(lái)，PyroSim在用戶界面中支持壓力區(qū)和局部HVAC泄漏。泄漏是指當(dāng)隔間被火加壓時(shí)，空氣通過(guò)小間隙（即在門的頂部）逸出。泄漏面積可以小于網(wǎng)格尺寸，因此不能直接對(duì)間隙建模，而是使用FDS中的HVAC模型將泄漏隔間連接到外部。

 

“泄漏的隔間表面可以被認(rèn)為是一個(gè)大的暖通空調(diào)通風(fēng)口，它通過(guò)一個(gè)非常小的管道連接到外面。這允許在域中的大面積上消除泄漏（就像在現(xiàn)實(shí)中一樣），同時(shí)正確捕獲泄漏路徑的實(shí)際區(qū)域。對(duì)此有兩種方法。第一種方法是僅利用壓力區(qū)。壓力區(qū)是計(jì)算域內(nèi)用戶指定的體積，完全被固體障礙物包圍。例如，封閉房間的內(nèi)部可以并且應(yīng)該被聲明為壓力區(qū)。在這種方法中，壓力區(qū)內(nèi)的表面被表示為泄漏，這些表面可以被認(rèn)為是一個(gè)HVAC通風(fēng)口，它通過(guò)一個(gè)細(xì)小的管道連接到外部，其面積是泄漏區(qū)域。第二種方法適用于位置明確的泄漏（裂縫尺寸為亞網(wǎng)格的開(kāi)裂門）或煙囪效應(yīng)很重要的泄漏。它使用局部壓力（包括區(qū)域壓力），允許泄漏量變化。”將演示這兩種方法。消防評(píng)估軟件

 

2. 使用壓力區(qū)

使用密封隔間時(shí)，壓力區(qū)的概念很重要。如FDS手冊(cè)中所述：

“FDS假設(shè)壓力由“背景”分量和擾動(dòng)壓力組成。大多數(shù)情況下，p 只是靜水壓力，而 ~p 是流動(dòng)引起的空間分辨擾動(dòng)。您可以在計(jì)算域內(nèi)指定任意數(shù)量的密封隔間，這些隔間可以有自己的“背景”壓力，這些隔間或“壓力區(qū)”可以通過(guò)泄漏和管道路徑連接，其流量與壓力相關(guān)相鄰區(qū)域。”

 

用戶負(fù)責(zé)識(shí)別和定義與密封隔間相對(duì)應(yīng)的壓力區(qū)域。如果密封隔間內(nèi)的解決方案對(duì)您的模擬很重要，那么您必須為該隔間定義一個(gè)壓力區(qū)。如果隔離房間對(duì)模擬不感興趣，則不需要壓力區(qū)。定義壓力區(qū)時(shí)：

1. “壓力區(qū)必須完全位于以固體障礙物為邊界的區(qū)域內(nèi)。如果密封區(qū)域不是矩形，F(xiàn)DS將擴(kuò)展指定的ZONE邊界以符合非矩形區(qū)域。”

2. “壓力區(qū)可以跨越多個(gè)網(wǎng)格。如果 ZONE 跨越多個(gè)網(wǎng)格，請(qǐng)確保指定的直角坐標(biāo)也是如此。這允許 FDS 為每個(gè)網(wǎng)格獨(dú)立確定 ZONE 的實(shí)際范圍。”

3. “可以通過(guò)清除壓力區(qū)之間的障礙物來(lái)打破它們。如果您計(jì)劃通過(guò)移除障礙物讓一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域開(kāi)放，請(qǐng)確保兩個(gè)區(qū)域的坐標(biāo)相鄰（即接觸），即使其中一個(gè)區(qū)域包含分隔它們的固體障礙物。”http://pg.xfjcyq.com/

 

下面的zone_shape示例演示了在求解過(guò)程中使用壓力分區(qū)和分區(qū)之間的開(kāi)口連接。圖1顯示了由兩個(gè)密封隔室組成的模型。在時(shí)間零點(diǎn)，送風(fēng)機(jī)向1號(hào)房間添加空氣，給1號(hào)房間加壓。鼓風(fēng)機(jī)在5秒時(shí)停止，因此1號(hào)房間的壓力保持恒定，直到10秒時(shí)內(nèi)門打開(kāi)。這會(huì)降低1號(hào)房間的壓力，增加2號(hào)房間的壓力，直到壓力相等。20秒時(shí)，2號(hào)房間的外門打開(kāi)。這會(huì)將空氣排放到外部，全部壓力都會(huì)恢復(fù)到環(huán)境壓力。

 

圖 1. zone_shape 模型。

 

兩個(gè)房間都必須使用壓力區(qū)。 圖 2顯示了用于求解的兩個(gè)網(wǎng)格和兩個(gè)壓力區(qū)邊界。因?yàn)榉块g1是L形的，所以區(qū)域1被定義在房間內(nèi)，我們依靠FDS來(lái)擴(kuò)展邊界以符合非矩形區(qū)域。請(qǐng)注意，區(qū)域1有意跨越兩個(gè)網(wǎng)格。

 

圖 2. 模型中定義的兩個(gè)網(wǎng)格和兩個(gè)區(qū)域。

 

解決方案如圖 3所示，與預(yù)期結(jié)果相符。

 

圖 3. 作為時(shí)間函數(shù)的房間壓力。

 

批注：如果您沒(méi)有為此模型定義兩個(gè)內(nèi)部壓力區(qū)，您將無(wú)法在每個(gè)房間中獲得正確的壓力。例如，刪除內(nèi)門和外門，使房間2完全隔離。如果您只是使用默認(rèn)壓力區(qū)，則只有一個(gè)背景壓力，并且房間2中的壓力將與房間 1 中的壓力相同，即使沒(méi)有流入房間2的流量?；蛘?，如果您在房間2中添加一個(gè)開(kāi)放式通風(fēng)口，即使盡管送風(fēng)口向房間1增加空氣并且與房間2沒(méi)有連接，但房間1的背景壓力將保持為零。

 

3. 壓力區(qū)泄漏

正如FDS手冊(cè)中所述，“壓力區(qū)泄漏方法旨在捕獲通過(guò)墻壁發(fā)生的大量泄漏。” ( McGrattan et al. 2019 ) 壓力區(qū)泄漏利用兩個(gè)區(qū)“背景”壓力之間的壓差來(lái)計(jì)算泄漏流量。假設(shè)流量很小，并且流入一個(gè)區(qū)域的流量將處于該區(qū)域的溫度（沒(méi)有來(lái)自發(fā)生泄漏的區(qū)域的熱傳輸）。

 

將使用圖 4所示的模型進(jìn)行說(shuō)明。壓力區(qū)泄漏分為三個(gè)步驟：

11. 定義區(qū)域。

2. 定義泄漏表面。

3. 將泄漏表面應(yīng)用于兩個(gè)區(qū)域都有邊界的實(shí)體。

 

PyroSim 圖形界面支持壓力區(qū)泄漏。以下步驟用于創(chuàng)建如下所示的模型。

1. 定義區(qū)域 1（使用工具繪制或雙擊樹(shù)中的區(qū)域）。這是一個(gè)由INERT表面和障礙物包圍的封閉區(qū)域。指定泄漏區(qū)域。

2. 創(chuàng)建泄漏表面。表面類型是漏氣。指定區(qū)域 1 和區(qū)域 0（默認(rèn)外部區(qū)域）之間的泄漏路徑。

3. 創(chuàng)建一個(gè)使用泄漏表面的障礙物。

 

在本例中，空氣通過(guò)1㎡的通風(fēng)口以1 kg/s的速率供應(yīng)。滲漏面積為0.1㎡。然后空氣通過(guò)障礙物流向開(kāi)放邊界。

 

圖 4. 壓力區(qū)模型?？諝夤?yīng)到1區(qū)，泄漏到0區(qū)并從OPEN通風(fēng)口流出。

 

由于流速已知，因此可以使用FDS用戶指南中的公式 9.6 計(jì)算預(yù)期壓降：

泄漏方程

區(qū)域1中的計(jì)算達(dá)到與預(yù)期值匹配的穩(wěn)態(tài)值。

 

4. 局部泄漏

 

正如FDS手冊(cè)中所述，“局部泄漏方法旨在表示通過(guò)特定裂縫的泄漏。例如，一扇裂開(kāi)的門可能有一個(gè)太小而無(wú)法用網(wǎng)格解決的開(kāi)口。有人會(huì)；然而，仍然想捕捉到熱氣體可以從裂縫頂部逸出而冷氣體進(jìn)入底部的事實(shí)。”

 

如圖5所示，將先使用先前模型的變體來(lái)說(shuō)明局部泄漏。

 

圖 5. 在障礙物的頂部和底部使用局部泄漏的模型。

 

使用以下步驟創(chuàng)建此模型：

1. 定義區(qū)域 1。 區(qū)域 1 和區(qū)域 0 之間的泄漏面積為零。

2. 在區(qū)域之間創(chuàng)建障礙物。

3. 定義障礙物頂部和底部的內(nèi)部和外部通風(fēng)口。

4. 創(chuàng)建類型為L(zhǎng)EAK的新HVAC構(gòu)件，該構(gòu)件連接內(nèi)部和外部頂部通風(fēng)口。指定泄漏面積為0.1 m2。單擊“啟用泄漏焓”。

5. 重復(fù)并制作一個(gè)連接內(nèi)部和外部底部通風(fēng)口的泄漏型HVAC部件。指定泄漏面積為0.1 m2。單擊“啟用泄漏焓”。

 

這種情況的結(jié)果如圖 6所示。起初，1 區(qū)的熱空氣上升，進(jìn)入 0 區(qū)的熱空氣僅在頂部。當(dāng)?shù)?1 區(qū)充滿熱空氣時(shí)，底部通風(fēng)口的空氣也很熱。

 

圖 6. 提供熱空氣時(shí)的溫度，模型使用局部泄漏。在 15 秒時(shí)，熱空氣從頂部通風(fēng)口泄漏，而底部通風(fēng)口仍然泄漏冷空氣。

 

5. FDS 驗(yàn)證示例 leak_test_2

 

圖 7顯示了FDS 驗(yàn)證指南中描述的leak_test_2模型。 “兩個(gè)隔間（每個(gè) 0.9 m x 1 m x 1 m）通過(guò)一個(gè)小風(fēng)扇和地板漏水連接。在風(fēng)扇排放側(cè)的地板上增加了第二個(gè)泄漏孔。該通風(fēng)口泄漏到環(huán)境中。當(dāng)模擬開(kāi)始時(shí)，風(fēng)扇將空氣從一個(gè)隔間推向另一個(gè)隔間。隨著壓力升高，泄漏量增加，直至泄漏流量與風(fēng)機(jī)流量相等。由于一些來(lái)自內(nèi)部隔間的空氣被排放到環(huán)境中，兩個(gè)隔間的平均壓力降低，直到內(nèi)部隔間的壓力等于環(huán)境的壓力。此時(shí)，沒(méi)有更多的泄漏到外面，風(fēng)扇流量等于兩個(gè)隔間之間的泄漏流量。”

 

圖 7. 用于leak_test_2 的模型顯示HVAC 風(fēng)扇和泄漏通風(fēng)口。

 

圖8顯示了10秒時(shí)的壓力矢量。矢量的顏色對(duì)應(yīng)于壓力，矢量顯示速度。

 

圖 8.leak_test_2 在 10 秒時(shí)的結(jié)果。矢量的顏色表示壓力，矢量表示速度。

 

6. FDS 驗(yàn)證示例 door_crack

 

圖 9顯示了 FDS 用戶指南中描述的door_crack模型，可用作驗(yàn)證問(wèn)題。 “這個(gè)例子涉及一個(gè)小隔間，其中一面墻上有一個(gè)風(fēng)扇，另一面墻上有一扇關(guān)閉的門，底部有泄漏。一個(gè)小（160 千瓦）的火被添加到隔間。起初，由于火產(chǎn)生的熱量和風(fēng)扇將空氣吹入隔間，壓力升高。終于，隔間內(nèi)的壓力升高超過(guò)了風(fēng)扇的最大壓力，此時(shí)隔間開(kāi)始從風(fēng)扇和泄漏處排出。由于火災(zāi)，壓力將繼續(xù)上升，直到由于泄漏和通過(guò)風(fēng)扇回流造成的壓力釋放等于火災(zāi)引起的壓力增加。”

 

圖 9. door_crack 仿真中使用的模型。

 

結(jié)果如圖10 50 s所示。此時(shí)，風(fēng)扇正在向車廂內(nèi)吹氣。稍后，隔間空氣通過(guò)風(fēng)扇和泄漏處流出。

圖 10. 50 秒時(shí)的煙霧和速度矢量。

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