code_saturne案例 | 运用code_saturne对室内火灾的3D计算模拟
code_saturne是法国电力集团自1997年起自主研发的一款通用计算流体力学开源软件。基于有限体积方法，支持多种类型网格，通过求解纳维-斯托克斯方程，用于处理二维、二维对称、三维，稳态或非稳态，层流或湍流，不可压或微可压流体，等温或非等温等多种计算问题。拥有多种不同的湍流模型，例如雷诺平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）与大涡模拟模型(Large Eddy Simulation: LES)。
软件涵盖多种工业应用物理模块：大气模拟、煤粉、重质燃料及生物质的燃烧模块、电弧与焦耳效应模块、颗粒追踪模块、流体机械转子-定子互动模块等。为适应工业界复杂的物理问题，该软件具备灵活的二次开发接口。其强大的并行计算能力，适用于超性能计算平台处理大规模计算问题。该软件在工业领域得到广泛的应用与认可。
本文旨在提供运用code_saturne模拟室内火灾的3D算例模型。
作为EDF R&D较早开发的代码， MAGIC被广泛运用在工业应用中，主要包括火灾安全分析，防火区分区以及火灾概率风险评估等。然而MAGIC所能模拟的温度范围较小，对流体模拟的精细程度不够，且实际工程往往要求对大型复杂几何空间内火灾后空气和烟的流动做精细的建模与模拟，因此CFD数值模拟显得尤为重要。本文提供了一种运用CFD软件code_saturne对室内火灾进行3D计算模拟的数值方法。
如上图所示，模拟区域为21m x 7m x 3.8m 的长方体空间，其中庚烷在中心2m x 1m 的区域燃烧。整个区域的网格划分如下图，在庚烷燃烧区域网格划分的更加精细，以更好的记录该区域流体温度和速度的变化。
其中模拟所用到的物理参数包括庚烷的燃烧热44.6MJ/kg，燃烧功率在28min的模拟时长中保持常数1140kW，庚烷的热解率为0.025kg/s，其初始温度假设为371K（沸腾温度）；空间周围的墙壁假设为有一定导热系数，厚度以及发射率的壁面，初始时的空气温度设为30℃。本文对庚烷在不同湍流模型和辐射模型下的燃烧行为进行了模拟以及对比。
对于不同湍流模型的速度(m/s)和温度(℃)模拟结果如下：
k-ε模型速度场
k-ε模型温度场
k-ω模型速度场
k-ω模型温度场
LES模型温度场
同样地，不同辐射模型的模拟结果如下：
P1模型，衰减系数为常数0.35m-1
DOM模型，衰减系数为常数0.35m-1
DOM模型，衰减系数为0.05~0.35m-1
由上述图像可知，对于不同湍流模型和辐射模型模拟结果虽有部分不同，但Code_Saturne的模拟结果总体上与实际情况相同，可以较好地对火灾进行模拟。
在之前简单立方体模型的基础上增加了一些家具的布置以模拟真实的房间环境，对酒店房间内的空间进行了建模以及网格划分，如上图所示。其中房间内的墙壁，隔板以及天花板等壁面结构都定义了厚度，材料，比热容和传热系数；床，柜子等其他家具假设为相同燃烧热20MJ/kg，以其总质量计算放热。
房间温度(K)和空气速度场(m/s)在不同时刻的变化如下图所示：
可以看出，从开始燃烧起，室内温度不断增加，主要集中在点火区域；同时空气流速也不断增加，流动方向从初始燃烧区域沿天花板一直到走廊区域，符合实际情况。
房间内CO2在空气中的质量占比(kg/kg)随时间的变化如下图所示：
本片内容的主要结论如下:
运用Code_Saturne软件模拟了不同湍流模型和辐射模型下长方体空间内庚烷燃烧时空气流动特性
运用Code_Saturne软件模拟了酒店房间内火灾时空气的流动特性
未来可以改进的地方：
可以考虑更多火灾时的物理现象，如热解模型，烟炱，水雾和碰撞等
优化模拟的边界条件
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