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开源火灾动力学模拟器:FDS
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CFD之道
2月前
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火灾动力学模拟器
(Fire Dynamics Simulator,简称FDS),是一款开源的专注于火源驱动流体流动的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)程序。
FDS通过数值方法求解适用于低速(Ma<0.3)、热驱动流的NS方程形式,特别关注处理火灾产生的烟雾和热量传输。方程的构建方式及数值算法细节包含在FDS技术参考指南中。模型的验证与确认则分别在FDS验证和确认指南中进行了讨论。
Smokeview是一个用于展示FDS模拟的结果的独立可视化程序。关于Smokeview的详细说明可在单独的用户指南中找到。
FDS的第一个公开版本于2000年2月发布。迄今为止,该模型约有一半的应用集中在烟气处理系统设计及喷水器/探测器启动研究上,另一半则涉及住宅和工业火灾的重建工作。FDS在其开发过程中一直旨在解决消防工程中的实际火灾问题,同时也为研究基本的火灾动力学和燃烧过程提供工具。
流体力学模型
FDS通过数值方法求解一种适用于低速、热驱动流的NS方程形式,特别关注火灾产生的烟雾和热量传输。核心算法采用显式预测-校正方案,空间和时间上均为二阶精度。湍流通过大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)来处理。如果底层数值网格足够细密,也可以进行直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)。
燃烧模型
对于大多数应用,FDS采用单相、混合控制的化学反应,使用三个组分集 合(代表一组组分):空气、燃料和产物。默认情况下,后两个集 合组分被显式计算。还提供了选项以包含多反应及非必须混合控制的反应。
辐射传递
模型通过求解灰体气体的辐射传递方程来考虑辐射热传递,在某些特定情况下使用宽波段模型。该方程的求解采用了类似于对流传递的有限体积法,因此得名有限体积法(Finite Volume Method,FVM)。利用大约100个离散角,有限体积求解器约占计算总CPU时间的20%,考虑到辐射热传递的复杂性,这一成本较为适度。气体-烟炱混合物的吸收系数通过RadCal窄带模型计算得出。液滴能吸收和散射热辐射,这在涉及雾化喷头的情况下尤为重要,但也在所有喷水器案例中发挥作用。吸收和散射系数基于米氏理论(Mie theory)。
几何结构
FDS在矩形网格上近似求解控制方程。矩形障碍物需顺应底层网格。
多网格
这一术语用于描述在一个计算中使用超过一个矩形网格的情况。对于难以用单个网格嵌入的计算域,可以指定多个矩形网格。
并行处理
FDS采用OpenMP编程接口,该接口能利用单台计算机上的多个处理单元。而对于计算机集群,FDS则采用消息传递接口(Message Passing Interface,MPI)。
边界条件
所有固体表面均被赋予热边界条件以及材料燃烧行为的信息。与固体表面的热质交换通常采用经验关联处理,但在执行直接数值模拟(DNS)时,也可直接计算热质交换。
FDS官网地址:https://pages.nist.gov/fds-smv/
Github仓库地址:https://github.com/firemodels/fds
”
来源:CFD之道
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首次发布时间:2024-06-23
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