燃燒仿真模型建立教程

燃燒仿真模型建立教程1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒學(xué)原理燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)過程，其中燃料與氧化劑（通常是空氣中的氧氣）反應(yīng)，產(chǎn)生熱能和光能。燃燒學(xué)原理研究燃燒的化學(xué)和物理過程，包括燃燒的熱力學(xué)、動力學(xué)和流體力學(xué)特性。在燃燒仿真中，理解這些原理至關(guān)重要，因為它們幫助我們建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測燃燒行為。1.1.1熱力學(xué)燃燒過程中的熱力學(xué)分析涉及能量的轉(zhuǎn)換和守恒。熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）和第二定律（熵增定律）是燃燒仿真中的基礎(chǔ)。例如，熱力學(xué)第一定律可以用來計算燃燒反應(yīng)中釋放的熱量。1.1.2動力學(xué)燃燒動力學(xué)研究反應(yīng)速率和反應(yīng)機理。在仿真中，我們使用化學(xué)反應(yīng)速率方程來描述燃料與氧化劑的反應(yīng)過程。例如，Arrhenius方程是描述化學(xué)反應(yīng)速率的常用方程：#Arrhenius方程示例

importnumpyasnp

defarrhenius(A,Ea,R,T):

"""

計算Arrhenius方程的反應(yīng)速率

參數(shù):

A:頻率因子

Ea:活化能

R:氣體常數(shù)

T:溫度

"""

returnA*np.exp(-Ea/(R*T))

#示例數(shù)據(jù)

A=1e10#頻率因子

Ea=50e3#活化能，單位J/mol

R=8.314#氣體常數(shù)，單位J/(mol*K)

T=300#溫度，單位K

#計算反應(yīng)速率

reaction_rate=arrhenius(A,Ea,R,T)

print(f"反應(yīng)速率:{reaction_rate}")1.1.3流體力學(xué)燃燒過程中的流體力學(xué)特性包括氣體流動、混合和擴散。在仿真中，我們使用Navier-Stokes方程來描述流體的運動。例如，計算流體動力學(xué)(CFD)軟件通?；谶@些方程來模擬燃燒過程中的氣體流動。1.2燃燒仿真軟件介紹燃燒仿真軟件是基于上述原理，利用數(shù)值方法來模擬燃燒過程的工具。這些軟件可以預(yù)測火焰的傳播、燃燒效率、污染物排放等。常見的燃燒仿真軟件包括：ANSYSFluentSTAR-CCM+OpenFOAM這些軟件提供了不同的網(wǎng)格劃分、求解器和后處理工具，以適應(yīng)各種燃燒仿真需求。1.3網(wǎng)格劃分技術(shù)網(wǎng)格劃分是燃燒仿真中的關(guān)鍵步驟，它將連續(xù)的物理域離散化為一系列有限的單元，以便數(shù)值求解。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響仿真的準(zhǔn)確性和計算效率。1.3.1結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格通常由規(guī)則的單元（如矩形或六面體）組成，適用于形狀規(guī)則的幾何體。例如，使用Python的numpy庫可以生成一個簡單的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：#結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示例

importnumpyasnp

#定義網(wǎng)格尺寸

nx,ny,nz=10,10,10

#生成網(wǎng)格

x=np.linspace(0,1,nx)

y=np.linspace(0,1,ny)

z=np.linspace(0,1,nz)

#創(chuàng)建三維網(wǎng)格

X,Y,Z=np.meshgrid(x,y,z)

#打印網(wǎng)格點

print(f"網(wǎng)格點:{X[0,0,0]},{Y[0,0,0]},{Z[0,0,0]}")1.3.2非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由不規(guī)則的單元組成，適用于復(fù)雜幾何體。例如，使用OpenFOAM的blockMesh工具可以生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：#使用blockMesh生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

#假設(shè)blockMeshDict文件已經(jīng)定義了網(wǎng)格參數(shù)

blockMesh在blockMeshDict文件中，可以定義網(wǎng)格的邊界、單元大小和分布等參數(shù)，以適應(yīng)特定的幾何形狀和燃燒條件。1.3.3自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(AMR)自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(AMR)是一種動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格密度的技術(shù)，它在需要高分辨率的區(qū)域（如火焰前沿）自動細(xì)化網(wǎng)格，在其他區(qū)域則保持較低的分辨率，以提高計算效率。例如，在OpenFOAM中，可以使用dynamicFvMesh庫來實現(xiàn)AMR：//OpenFOAM動態(tài)網(wǎng)格細(xì)化示例

Foam::dynamicFvMesh&mesh=refCast<Foam::dynamicFvMesh>(time.lookupObject<Foam::fvMesh>("mesh"));

//定義網(wǎng)格細(xì)化策略

Foam::dynamicMeshDict&dict=mesh.dynamicMeshDict();

dict.setRefinementControl("levelSet",true);

dict.setRefinementLevel(4);在上述代碼中，dynamicFvMesh對象用于管理網(wǎng)格的動態(tài)變化，dynamicMeshDict用于定義網(wǎng)格細(xì)化的策略和參數(shù)。通過理解燃燒學(xué)原理、熟悉燃燒仿真軟件和掌握網(wǎng)格劃分技術(shù)，可以有效地建立和優(yōu)化燃燒仿真模型，以研究燃燒安全性、提高燃燒效率和減少污染物排放。2模型建立流程2.1定義燃燒場景在進(jìn)行燃燒仿真之前，首先需要定義燃燒場景。這一步驟涉及確定仿真中將要模擬的具體環(huán)境和條件。場景定義應(yīng)包括燃燒源的類型、位置、尺寸，以及周圍環(huán)境的幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性和通風(fēng)情況。例如，如果模擬的是一個房間內(nèi)的火災(zāi)，需要詳細(xì)描述房間的尺寸、門窗的位置、房間內(nèi)物品的布置和材料等。2.1.1示例假設(shè)我們要模擬一個長10米、寬5米、高3米的房間內(nèi)的火災(zāi)，房間內(nèi)有一張木桌（長1.5米、寬0.8米、高0.7米）和一個沙發(fā)（長2米、寬1米、高0.8米）。房間的北墻有一扇窗戶（寬1米、高1米），南墻有一扇門（寬0.9米、高2米）。2.2選擇物理模型選擇物理模型是根據(jù)燃燒場景的特性來決定的。物理模型包括燃燒模型、湍流模型、輻射模型等，每種模型都有其適用范圍和假設(shè)條件。例如，對于固體燃料的燃燒，可能需要使用固體燃燒模型；對于氣體燃料，可能需要使用預(yù)混燃燒或非預(yù)混燃燒模型。2.2.1示例對于上述房間火災(zāi)的場景，我們可以選擇以下物理模型：燃燒模型：使用非預(yù)混燃燒模型，假設(shè)燃料為液態(tài)石油氣。湍流模型：選擇k-ε模型，適用于中等湍流強度的場景。輻射模型：采用P1輻射模型，考慮到房間內(nèi)物品的輻射熱傳遞。2.3邊界條件設(shè)置邊界條件設(shè)置是確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確反映真實情況的關(guān)鍵。邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等。這些條件定義了仿真域與外部環(huán)境的交互方式。2.3.1示例繼續(xù)使用房間火災(zāi)的場景，邊界條件設(shè)置如下：入口邊界條件：門和窗戶作為入口，假設(shè)門為常壓入口，窗戶為自由出口。出口邊界條件：窗戶作為出口，設(shè)置為自由出口，允許煙氣和熱量自由流出。壁面邊界條件：房間的四壁和天花板設(shè)置為絕熱壁面，地板設(shè)置為熱傳導(dǎo)壁面，模擬地板材料的熱傳遞。2.4初始條件設(shè)定初始條件設(shè)定是指在仿真開始時，仿真域內(nèi)的狀態(tài)。這包括溫度、壓力、燃料和氧化劑的濃度等。初始條件的設(shè)定應(yīng)盡可能接近實際燃燒開始時的環(huán)境狀態(tài)。2.4.1示例對于房間火災(zāi)的場景，初始條件設(shè)定如下：溫度：房間內(nèi)初始溫度為20°C。壓力：房間內(nèi)初始壓力為1個大氣壓。燃料和氧化劑濃度：假設(shè)房間內(nèi)初始無燃料，氧氣濃度為21%。通過以上步驟，我們可以建立一個基本的燃燒仿真模型，為后續(xù)的仿真分析和燃燒安全性研究奠定基礎(chǔ)。接下來，可以使用CFD軟件（如OpenFOAM）來實現(xiàn)這些模型和條件，進(jìn)行數(shù)值仿真。3燃燒安全性研究3.1燃燒安全性評估方法燃燒安全性評估是確保工業(yè)、住宅和公共設(shè)施安全的關(guān)鍵步驟。它涉及對潛在火災(zāi)和爆炸風(fēng)險的識別、量化和控制。評估方法通常包括：火災(zāi)風(fēng)險評估：使用統(tǒng)計和工程方法，評估火災(zāi)發(fā)生的可能性和后果。爆炸風(fēng)險分析：分析爆炸的可能性和潛在影響，包括物理和化學(xué)爆炸。熱釋放速率預(yù)測：通過模型預(yù)測火災(zāi)中的熱釋放速率，這是評估火災(zāi)蔓延速度和強度的重要指標(biāo)。煙氣和有毒氣體分析：評估火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和有毒氣體對人員和環(huán)境的影響。3.1.1示例：熱釋放速率預(yù)測熱釋放速率（HRR）是燃燒過程中釋放能量的速率，是評估火災(zāi)嚴(yán)重程度的關(guān)鍵參數(shù)。下面是一個使用Arrhenius方程預(yù)測HRR的簡單示例：#Arrhenius方程用于預(yù)測熱釋放速率

importnumpyasnp

defarrhenius(A,Ea,T):

"""

計算熱釋放速率

:paramA:頻率因子

:paramEa:活化能

:paramT:溫度

:return:熱釋放速率

"""

R=8.314#氣體常數(shù)

returnA*np.exp(-Ea/(R*T))

#示例數(shù)據(jù)

A=1.0e10#頻率因子

Ea=100000#活化能

T=300#溫度

#計算熱釋放速率

HRR=arrhenius(A,Ea,T)

print(f"熱釋放速率:{HRR}")3.2火災(zāi)蔓延仿真火災(zāi)蔓延仿真通過數(shù)學(xué)模型和計算機模擬，預(yù)測火災(zāi)在不同環(huán)境下的傳播方式。這包括火焰的傳播速度、熱輻射的影響、煙氣流動等。仿真工具如FDS（FireDynamicsSimulator）和PyroSim被廣泛使用。3.2.1示例：使用FDS進(jìn)行火災(zāi)蔓延仿真FDS是一個詳細(xì)的火災(zāi)和煙氣流動模型，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)。下面是一個使用FDS進(jìn)行火災(zāi)蔓延仿真的基本步驟示例：定義場景：包括建筑物的幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、火源位置等。設(shè)置邊界條件：如環(huán)境溫度、風(fēng)速等。運行仿真：使用FDS軟件進(jìn)行仿真。分析結(jié)果：評估火勢蔓延、煙氣分布、溫度變化等。由于FDS使用的是Fortran語言，其輸入文件格式和仿真過程較為復(fù)雜，這里不提供具體的代碼示例，但可以描述一個簡單的場景設(shè)置：MESH

X_MIN=0.0

X_MAX=10.0

Y_MIN=0.0

Y_MAX=10.0

Z_MIN=0.0

Z_MAX=10.0

DX=1.0

DY=1.0

DZ=1.0

END

FIRE

X=5.0

Y=5.0

Z=0.0

RADIUS=1.0

HEAT_RELEASE_RATE=1000.0

END3.3爆炸風(fēng)險分析爆炸風(fēng)險分析旨在評估爆炸事件的可能性和后果，包括對人員、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響。分析通常包括爆炸物理模型的建立、爆炸壓力和沖擊波的預(yù)測、以及爆炸防護(hù)措施的設(shè)計。3.3.1示例：爆炸壓力預(yù)測爆炸壓力是爆炸事件中對結(jié)構(gòu)造成破壞的主要因素之一。下面是一個使用TNT當(dāng)量法預(yù)測爆炸壓力的示例：#使用TNT當(dāng)量法預(yù)測爆炸壓力

importmath

defexplosion_pressure(mass,distance):

"""

計算爆炸壓力

:parammass:爆炸物質(zhì)量（kg）

:paramdistance:觀測點距離爆炸中心的距離（m）

:return:爆炸壓力（kPa）

"""

#TNT當(dāng)量法參數(shù)

K=1.0

R=0.11

returnK*(mass/distance)**R

#示例數(shù)據(jù)

mass=100#爆炸物質(zhì)量

distance=100#觀測點距離

#計算爆炸壓力

pressure=explosion_pressure(mass,distance)

print(f"爆炸壓力:{pressure}kPa")以上示例和說明提供了燃燒安全性研究中關(guān)鍵領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和實踐應(yīng)用的概覽。通過這些方法，可以有效地評估和控制燃燒風(fēng)險，確保人員和設(shè)施的安全。4高級燃燒仿真技術(shù)4.1多相流燃燒模型4.1.1原理多相流燃燒模型是燃燒仿真中用于處理包含氣體、液體和固體等多相介質(zhì)的燃燒過程的高級技術(shù)。在實際應(yīng)用中，如噴霧燃燒、煤粉燃燒等，燃燒介質(zhì)往往不是單一的氣體或液體，而是包含多種相態(tài)的混合物。多相流模型通過耦合流體動力學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)以及相變過程，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測燃燒效率、污染物生成以及燃燒穩(wěn)定性。4.1.2內(nèi)容多相流燃燒模型通常包括以下幾個關(guān)鍵部分：流體動力學(xué)模型：基于Navier-Stokes方程，描述流體的運動。相間作用模型：包括液滴破碎、蒸發(fā)、凝聚、沉積等過程，以及不同相態(tài)之間的動量、能量和質(zhì)量交換?；瘜W(xué)反應(yīng)模型：考慮燃料的化學(xué)反應(yīng)，包括燃燒反應(yīng)和副反應(yīng)。湍流模型：用于處理湍流對燃燒過程的影響，如k-ε模型、k-ω模型或雷諾應(yīng)力模型。4.1.3示例在OpenFOAM中，使用multiphaseInterFoam求解器可以模擬多相流燃燒。下面是一個簡單的配置文件示例，用于模擬水和空氣的兩相流：#界面張力模型

interface{

typeinterfaceProperties;

interfacePropertiesCoeffs{

sigmaCoeffs{

air/liquid0.072;

}

}

}

#湍流模型

turbulence{

RAS{

turbulenceModelkEpsilon;

printCoeffson;

}

}

#化學(xué)反應(yīng)模型

chemistry{

typefiniteRate;

finiteRateCoeffs{

chemistryTypeconstant;

chemistryTime1e-3;

}

}4.2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)4.2.1原理化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機理的科學(xué)。在燃燒仿真中，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型用于描述燃料的氧化過程，包括燃料的分解、氧化以及中間產(chǎn)物的生成和消耗。這些模型基于Arrhenius定律，考慮溫度、壓力、反應(yīng)物濃度等因素對反應(yīng)速率的影響。4.2.2內(nèi)容化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型通常包括：反應(yīng)機理：詳細(xì)列出參與燃燒過程的所有化學(xué)反應(yīng)方程式。反應(yīng)速率常數(shù)：根據(jù)Arrhenius定律計算，與溫度、壓力有關(guān)。物種擴散模型：描述反應(yīng)物和產(chǎn)物在燃燒區(qū)域的擴散過程。能量方程：考慮化學(xué)反應(yīng)釋放或吸收的熱量對系統(tǒng)溫度的影響。4.2.3示例使用Cantera庫，可以創(chuàng)建復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型。下面是一個使用Cantera創(chuàng)建甲烷燃燒模型的Python代碼示例：importcanteraasct

#創(chuàng)建氣體對象

gas=ct.Solution('gri30.xml')

#設(shè)置初始條件

gas.TPX=300,ct.one_atm,'CH4:1,O2:2,N2:7.56'

#創(chuàng)建反應(yīng)器

r=ct.IdealGasReactor(gas)

#創(chuàng)建模擬器

sim=ct.ReactorNet([r])

#模擬時間步長和結(jié)果存儲

times=[]

temperatures=[]

fortinnp.linspace(0,0.01,100):

sim.advance(t)

times.append(t)

temperatures.append(r.T)

#繪制溫度隨時間變化的曲線

plt.plot(times,temperatures)

plt.xlabel('Time(s)')

plt.ylabel('Temperature(K)')

plt.show()4.3湍流燃燒仿真4.3.1原理湍流燃燒仿真結(jié)合了湍流模型和燃燒模型，用于處理實際燃燒過程中普遍存在的湍流效應(yīng)。湍流對燃燒速率、火焰結(jié)構(gòu)和污染物生成有顯著影響。湍流燃燒模型通過解決湍流對燃燒過程的增強或抑制作用，提供更接近實際的燃燒預(yù)測。4.3.2內(nèi)容湍流燃燒模型的關(guān)鍵組成部分包括：湍流模型：如k-ε模型，用于描述湍流的統(tǒng)計特性?；鹧?zhèn)鞑ツＰ停喝鏟DF（ProbabilityDensityFunction）模型或EDC（EddyDissipationConcept）模型，用于處理湍流對火焰?zhèn)鞑サ挠绊??；瘜W(xué)反應(yīng)模型：與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型類似，但需考慮湍流對反應(yīng)速率的影響。4.3.3示例在OpenFOAM中，使用lesFoam求解器可以進(jìn)行大渦模擬（LES），結(jié)合化學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)行湍流燃燒仿真。下面是一個簡單的配置文件示例，用于設(shè)置k-ε湍流模型和化學(xué)反應(yīng)模型：#湍流模型

turbulenceModelkEpsilon;

#化學(xué)反應(yīng)模型

chemistryModelfiniteRate;

#燃燒模型

combustionModellaminar;在實際應(yīng)用中，這些模型的參數(shù)和設(shè)置需要根據(jù)具體燃燒系統(tǒng)和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以獲得最準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。5案例分析與實踐5.1工業(yè)燃燒案例在工業(yè)燃燒仿真中，我們通常關(guān)注的是燃燒效率、排放控制以及安全性評估。以一個典型的工業(yè)燃燒器為例，我們將探討如何建立燃燒仿真模型，分析燃燒過程，并進(jìn)行模型驗證與校準(zhǔn)。5.1.1建立模型定義幾何結(jié)構(gòu)：使用CAD軟件創(chuàng)建燃燒器的三維模型。網(wǎng)格劃分：將模型劃分為多個小單元，便于計算流體動力學(xué)(CFD)分析。選擇燃燒模型：如EddyDissipationModel(EDM)或PDF模型，根據(jù)燃燒器的特性選擇合適的模型。設(shè)定邊界條件：包括入口燃料和空氣的流量、溫度和壓力，以及出口邊界條件。初始化計算域：設(shè)定初始溫度、壓力和速度場。5.1.2代碼示例：使用OpenFOAM建立燃燒器模型#設(shè)置環(huán)境

exportWM_PROJECT_DIR=$PWD

exportWM_PROJECT_VERSION=2012

source$WM_PROJECT_DIR/etc/bashrc

#創(chuàng)建案例目錄

mkdir-p$WM_PROJECT_DIR/cases/industrialBurning

cd$WM_PROJECT_DIR/cases/industrialBurning

#復(fù)制模板文件

cp-r$WM_PROJECT_DIR/tutorials/pimpleFoam/2Dcavity.

#進(jìn)入案例目錄

cd2Dcavity

#修改幾何結(jié)構(gòu)

blockMeshDict-case2Dcavity|sed's/111/1110/g'>blockMeshDict

#生成網(wǎng)格

blockMesh-case2Dcavity

#設(shè)置燃燒模型

cp-r$WM_PROJECT_DIR/tutorials/pimpleFoam/2Dcavity/constant/transportProperties.

sed-i's/thermoType/thermoType\n{\ntypehePsiThermo;\nmixture2DcavityMixture;\n}\n/'constant/thermophysicalProperties

#定義燃料和空氣混合物

echo"2DcavityMixture\n{\nthermodynamics\n{\ntypehePsiThermo;\nmixtureperfectGas;\nspeciespecie;\nequationOfStaterhoConst;\n}\ntransport\n{\ntypeconst;\n}\nturbulence\n{\ntypeRAS;\nRAS\n{\nturbulenceon;\nprintCoeffson;\n}\n}\nthermo\n{\nTT;\npp_rgh;\nhh;\nalphaalpha;\npsipsi;\ngammagamma;\n}\nmixture\n{\nspecie\n{\nnMoles1;\nmolWeight28.9647;\n}\nequationOfState\n{\nrhorho;\nee;\npp_rgh;\nhh;\nss;\ngammagamma;\n}\ntransport\n{\nmumu;\nkappakappa;\nPrPr;\nPrtPrt;\n}\nturbulence\n{\nepsilonepsilon;\nomegaomega;\nkk;\n}\nthermodynamics\n{\nCpCp;\nHfHf;\n}\nspecies\n{\nO2\n{\nthermodynamics\n{\nCp29314;\nHf-249170;\n}\ntransport\n{\nmolWeight32;\nmu1.983e-5;\nPr0.7;\n}\n}\nN2\n{\nthermodynamics\n{\nCp29285;\nHf0;\n}\ntransport\n{\nmolWeight28;\nmu1.782e-5;\nPr0.7;\n}\n}\nCO2\n{\nthermodynamics\n{\nCp37166;\nHf-393510;\n}\ntransport\n{\nmolWeight44;\nmu1.41e-5;\nPr0.7;\n}\n}\nH2O\n{\nthermodynamics\n{\nCp33385;\nHf-241820;\n}\ntransport\n{\nmolWeight18;\nmu9.113e-6;\nPr0.7;\n}\n}\n}\n}\n}">constant/mixtureProperties

#運行仿真

pimpleFoam-case2Dcavity5.1.3模型驗證與校準(zhǔn)驗證模型的準(zhǔn)確性通常通過比較仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)或理論預(yù)測。校準(zhǔn)則涉及調(diào)整模型參數(shù)，以更精確地匹配實際燃燒行為。5.2住宅火災(zāi)仿真住宅火災(zāi)仿真關(guān)注的是火勢蔓延、煙霧擴散以及對居住者安全的影響。我們將通過一個住宅火災(zāi)案例，了解如何建立火災(zāi)仿真模型，以及如何分析火災(zāi)對住宅結(jié)構(gòu)和居住者的影響。5.2.1建立模型定義住宅幾何結(jié)構(gòu)：使用三維建模軟件創(chuàng)建住宅的模型。網(wǎng)格劃分：將模型劃分為網(wǎng)格，便于CFD分析。設(shè)定火災(zāi)源：定義火災(zāi)的位置、強度和燃燒材料。設(shè)定邊界條件：包括門窗的開閉狀態(tài)，以及外部環(huán)境的溫度和風(fēng)速。初始化計算域：設(shè)定初始溫度、壓力和速度場。5.2.2代碼示例：使用FDS建立住宅火災(zāi)模型#創(chuàng)建案例目錄

mkdir-p$HOME/FDS/cases/residentialFire

cd$HOME/FDS/cases/residentialFire

#編寫FDS輸入文件

echo"FDSVersion6InputFile

&TIME

T_END=1000.0,

/

&FUEL

NAME='WOOD',

YIELD=0.8,

/

&VENT

NAME='WINDOW',

TYPE='OPEN',

/

&FIRE

NAME='FIRE',

FUEL='WOOD',

Q_DOT=1000000.0,

/

&MESH

NAME='MESH1',

NX=100,

NY=50,

NZ=20,

/

&DOMAIN

NAME='ROOM',

X_MIN=0.0,

X_MAX=10.0,

Y_MIN=0.0,

Y_MAX=5.0,

Z_MIN=0.0,

Z_MAX=2.0,

/

&BOUND

NAME='WALL',

TYPE='WALL',

/

&BOUND

NAME='FLOOR',

TYPE='WALL',

/

&BOUND

NAME='CEILING',

TYPE='WALL',

/

&BOUND

NAME='DOOR',

TYPE='OPEN',

/

&BOUND

NAME='WINDOW',

TYPE='OPEN',

/

&INIT

T=20.0,

/

&OUTPUT

MESH='MESH1',

/

">input.fds

#運行FDS仿真

fdsinput.fds5.2.3分析結(jié)果分析火災(zāi)仿真結(jié)果，包括溫度分布、煙霧濃度、火勢蔓延速度等，以評估火災(zāi)對住宅結(jié)構(gòu)和居住者安全的影響。5.3燃燒模型驗證與校準(zhǔn)驗證和校準(zhǔn)是確保燃燒模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。通過與實驗數(shù)據(jù)或已知理論模型的比較，可以評估模型的預(yù)測能力，并進(jìn)行必要的參數(shù)調(diào)整。5.3.1驗證過程選擇驗證標(biāo)準(zhǔn)：如溫度、壓力或燃燒產(chǎn)物濃度。收集實驗數(shù)據(jù)：從實驗室或現(xiàn)場實驗中獲取數(shù)據(jù)。比較仿真與實驗結(jié)果：使用圖表或統(tǒng)計指標(biāo)進(jìn)行比較。5.3.2校準(zhǔn)方法識別關(guān)鍵參數(shù)：如燃燒速率、擴散系數(shù)等。調(diào)整參數(shù)：根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整模型參數(shù)。重新運行仿真：調(diào)整后，重新運行仿真，直到結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合。通過這些步驟，可以確保燃燒模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為燃燒安全性研究提供有力支持。6燃燒仿真結(jié)果分析6.1數(shù)據(jù)后處理技術(shù)在燃燒仿真領(lǐng)域，數(shù)據(jù)后處理是將計算流體動力學(xué)(CFD)軟件生成的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可分析格式的關(guān)鍵步驟。這些數(shù)據(jù)通常包括壓力、溫度、速度、濃度等物理量，分布在三維網(wǎng)格上的每一個計算節(jié)點。后處理技術(shù)幫助我們理解燃燒過程的細(xì)節(jié)，識別關(guān)鍵的燃燒區(qū)域，以及評估燃燒效率和安全性。6.1.1數(shù)據(jù)提取與篩選數(shù)據(jù)提取涉及從仿真結(jié)果中選擇特定的物理量進(jìn)行分析。例如，我們可能只對燃燒區(qū)域的溫度分布感興趣，或者需要分析特定化學(xué)物種的濃度變化。篩選數(shù)據(jù)時，可以使用CFD軟件自帶的后處理工具，或者編寫腳本來自動提取所需信息。6.1.1.1示例：使用Python從OpenFOAM結(jié)果中提取溫度數(shù)據(jù)importos

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#定義數(shù)據(jù)提取函數(shù)

defextract_data(case_dir,field_name):

"""

從OpenFOAM案例目錄中提取指定場數(shù)據(jù)。

:paramcase_dir:OpenFOAM案例目錄路徑

:paramfield_name:需要提取的場數(shù)據(jù)名稱，如'T'表示溫度

:return:場數(shù)據(jù)的列表

"""

data=[]

forroot,dirs,filesinos.walk(case_dir):

iffield_nameinfiles:

withopen(os.path.join(root,field_name),'r')asfile:

lines=file.readlines()

forlineinlines:

ifline.startswith('internalField'):

internal_field=line.split('internalField')[1].strip()

values=internal_field.split('(')[1].split(')')[0].split()

data.extend([float(val)forvalinvalues])

returndata

#指定案例目錄和需要提取的場數(shù)據(jù)名稱

case_directory='/path/to/your/case'

field='T'

#調(diào)用函數(shù)提取溫度數(shù)據(jù)

temperature_data=extract_data(case_directory,field)

#可視化溫度數(shù)據(jù)

plt.hist(temperature_data,bins=50)

plt.title('溫度分布')

plt.xlabel('溫度')

plt.ylabel('頻率')

plt.show()6.1.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，如計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值，可以幫助我們量化燃燒過程的特性。此外，通過比較不同條件下的數(shù)據(jù)，可以評估燃燒效率和安全性。6.1.2.1示例：計算溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量#計算溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量

mean_temperature=np.mean(temperature_data)

std_temperature=np.std(temperature_data)

max_temperature=np.max(temperature_data)

min_temperature=np.min(temperature_data)

#打印統(tǒng)計結(jié)果

print(f'平均溫度:{mean_temperature}')

print(f'溫度標(biāo)準(zhǔn)差:{std_temperature}')

print(f'最高溫度:{max_temperature}')

print(f'最低溫度:{min_temperature}')6.2結(jié)果可視化結(jié)果可視化是燃燒仿真分析中不可或缺的一部分，它使我們能夠直觀地理解燃燒過程的動態(tài)變化。通過生成溫度、濃度、速度矢量等的三維圖像，可以清晰地展示燃燒區(qū)域的分布和燃燒產(chǎn)物的擴散情況。6.2.1使用ParaView進(jìn)行結(jié)果可視化ParaView是一個開源的可視化工具，廣泛用于CFD和FEA結(jié)果的可視化。它可以讀取多種格式的數(shù)據(jù)文件，包括OpenFOAM的.vtk格式。6.2.1.1步驟：導(dǎo)出數(shù)據(jù)：在OpenFOAM中將結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.vtk格式。加載數(shù)據(jù)：在ParaView中打開.vtk文件。選擇場數(shù)據(jù)：在ParaView的管道瀏覽器中選擇需要可視化的場數(shù)據(jù)。調(diào)整可視化參數(shù)：設(shè)置顏色映射、等值面、矢量箭頭等參數(shù)。保存圖像或動畫：將可視化結(jié)果保存為圖像或動畫文件。6.2.2使用Matplotlib進(jìn)行二維結(jié)果可視化對于簡單的二維數(shù)據(jù)，可以使用Python的Matplotlib庫