如何使用消防評估軟件中煙氣流動模擬壓力泄露

關鍵詞：結構安全計算分析軟件、煙氣流動模擬分析軟件（CFD）、PyroSim煙氣流動模擬分析軟件 、消防安全評估軟件

1、簡介

這篇文章給出了使用壓力區和HVAC通風口進行泄漏建模的示例。自2017.2版本以來，PyroSim在用戶界面中支持壓力區和局部HVAC泄漏。泄漏是指當隔間被火加壓時，空氣通過小間隙（即在門的頂部）逸出。泄漏面積可以小于網格尺寸，因此不能直接對間隙建模，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為是一個大的暖通空調通風口，它通過一個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（就像在現實中一樣），同時正確捕獲泄漏路徑的實際區域。對此有兩種方法。第一種方法是僅利用壓力區。壓力區是計算域內用戶指定的體積，完全被固體障礙物包圍。例如，封閉房間的內部可以并且應該被聲明為壓力區。在這種方法中，壓力區內的表面被表示為泄漏，這些表面可以被認為是一個HVAC通風口，它通過一個細小的管道連接到外部，其面積是泄漏區域。第二種方法適用于位置明確的泄漏（裂縫尺寸為亞網格的開裂門）或煙囪效應很重要的泄漏。它使用局部壓力（包括區域壓力），允許泄漏量變化。”將演示這兩種方法。消防評估軟件

2. 使用壓力區

使用密封隔間時，壓力區的概念很重要。如FDS手冊中所述：

“FDS假設壓力由“背景”分量和擾動壓力組成。大多數情況下，p 只是靜水壓力，而 ~p 是流動引起的空間分辨擾動。您可以在計算域內指定任意數量的密封隔間，這些隔間可以有自己的“背景”壓力，這些隔間或“壓力區”可以通過泄漏和管道路徑連接，其流量與壓力相關相鄰區域。”

用戶負責識別和定義與密封隔間相對應的壓力區域。如果密封隔間內的解決方案對您的模擬很重要，那么您必須為該隔間定義一個壓力區。如果隔離房間對模擬不感興趣，則不需要壓力區。定義壓力區時：

1. “壓力區必須完全位于以固體障礙物為邊界的區域內。如果密封區域不是矩形，FDS將擴展指定的ZONE邊界以符合非矩形區域。”

2. “壓力區可以跨越多個網格。如果 ZONE 跨越多個網格，請確保指定的直角坐標也是如此。這允許 FDS 為每個網格獨立確定 ZONE 的實際范圍。”

3. “可以通過清除壓力區之間的障礙物來打破它們。如果您計劃通過移除障礙物讓一個區域向另一個區域開放，請確保兩個區域的坐標相鄰（即接觸），即使其中一個區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程中使用壓力分區和分區之間的開口連接。圖1顯示了由兩個密封隔室組成的模型。在時間零點，送風機向1號房間添加空氣，給1號房間加壓。鼓風機在5秒時停止，因此1號房間的壓力保持恒定，直到10秒時內門打開。這會降低1號房間的壓力，增加2號房間的壓力，直到壓力相等。20秒時，2號房間的外門打開。這會將空氣排放到外部，全部壓力都會恢復到環境壓力。

圖 1. zone_shape 模型。

兩個房間都必須使用壓力區。 圖 2顯示了用于求解的兩個網格和兩個壓力區邊界。因為房間1是L形的，所以區域1被定義在房間內，我們依靠FDS來擴展邊界以符合非矩形區域。請注意，區域1有意跨越兩個網格。

圖 2. 模型中定義的兩個網格和兩個區域。

解決方案如圖 3所示，與預期結果相符。

圖 3. 作為時間函數的房間壓力。

批注：如果您沒有為此模型定義兩個內部壓力區，您將無法在每個房間中獲得正確的壓力。例如，刪除內門和外門，使房間2完全隔離。如果您只是使用默認壓力區，則只有一個背景壓力，并且房間2中的壓力將與房間 1 中的壓力相同，即使沒有流入房間2的流量。或者，如果您在房間2中添加一個開放式通風口，即使盡管送風口向房間1增加空氣并且與房間2沒有連接，但房間1的背景壓力將保持為零。

3. 壓力區泄漏

正如FDS手冊中所述，“壓力區泄漏方法旨在捕獲通過墻壁發生的大量泄漏。” ( McGrattan et al. 2019 ) 壓力區泄漏利用兩個區“背景”壓力之間的壓差來計算泄漏流量。假設流量很小，并且流入一個區域的流量將處于該區域的溫度（沒有來自發生泄漏的區域的熱傳輸）。

將使用圖 4所示的模型進行說明。壓力區泄漏分為三個步驟：

11. 定義區域。

2. 定義泄漏表面。

3. 將泄漏表面應用于兩個區域都有邊界的實體。

PyroSim 圖形界面支持壓力區泄漏。以下步驟用于創建如下所示的模型。

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

2. 創建泄漏表面。表面類型是漏氣。指定區域 1 和區域 0（默認外部區域）之間的泄漏路徑。

3. 創建一個使用泄漏表面的障礙物。

在本例中，空氣通過1㎡的通風口以1 kg/s的速率供應。滲漏面積為0.1㎡。然后空氣通過障礙物流向開放邊界。

圖 4. 壓力區模型。空氣供應到1區，泄漏到0區并從OPEN通風口流出。

由于流速已知，因此可以使用FDS用戶指南中的公式 9.6 計算預期壓降：

泄漏方程

區域1中的計算達到與預期值匹配的穩態值。

4. 局部泄漏

正如FDS手冊中所述，“局部泄漏方法旨在表示通過特定裂縫的泄漏。例如，一扇裂開的門可能有一個太小而無法用網格解決的開口。有人會；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入底部的事實。”

如圖5所示，將先使用先前模型的變體來說明局部泄漏。

圖 5. 在障礙物的頂部和底部使用局部泄漏的模型。

使用以下步驟創建此模型：

1. 定義區域 1。 區域 1 和區域 0 之間的泄漏面積為零。

2. 在區域之間創建障礙物。

3. 定義障礙物頂部和底部的內部和外部通風口。

4. 創建類型為LEAK的新HVAC構件，該構件連接內部和外部頂部通風口。指定泄漏面積為0.1 m2。單擊“啟用泄漏焓”。

5. 重復并制作一個連接內部和外部底部通風口的泄漏型HVAC部件。指定泄漏面積為0.1 m2。單擊“啟用泄漏焓”。

這種情況的結果如圖 6所示。起初，1 區的熱空氣上升，進入 0 區的熱空氣僅在頂部。當第 1 區充滿熱空氣時，底部通風口的空氣也很熱。

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

5. FDS 驗證示例 leak_test_2

圖 7顯示了FDS 驗證指南中描述的leak_test_2模型。 “兩個隔間（每個 0.9 m x 1 m x 1 m）通過一個小風扇和地板漏水連接。在風扇排放側的地板上增加了第二個泄漏孔。該通風口泄漏到環境中。當模擬開始時，風扇將空氣從一個隔間推向另一個隔間。隨著壓力升高，泄漏量增加，直至泄漏流量與風機流量相等。由于一些來自內部隔間的空氣被排放到環境中，兩個隔間的平均壓力降低，直到內部隔間的壓力等于環境的壓力。此時，沒有更多的泄漏到外面，風扇流量等于兩個隔間之間的泄漏流量。”

圖 7. 用于leak_test_2 的模型顯示HVAC 風扇和泄漏通風口。

圖8顯示了10秒時的壓力矢量。矢量的顏色對應于壓力，矢量顯示速度。

圖 8.leak_test_2 在 10 秒時的結果。矢量的顏色表示壓力，矢量表示速度。

6. FDS 驗證示例 door_crack

圖 9顯示了 FDS 用戶指南中描述的door_crack模型，可用作驗證問題。 “這個例子涉及一個小隔間，其中一面墻上有一個風扇，另一面墻上有一扇關閉的門，底部有泄漏。一個小（160 千瓦）的火被添加到隔間。起初，由于火產生的熱量和風扇將空氣吹入隔間，壓力升高。終于，隔間內的壓力升高超過了風扇的最大壓力，此時隔間開始從風扇和泄漏處排出。由于火災，壓力將繼續上升，直到由于泄漏和通過風扇回流造成的壓力釋放等于火災引起的壓力增加。”

圖 9. door_crack 仿真中使用的模型。

結果如圖10 50 s所示。此時，風扇正在向車廂內吹氣。稍后，隔間空氣通過風扇和泄漏處流出。

圖 10. 50 秒時的煙霧和速度矢量。