泄漏建模

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本文提供使用压力区域和 HVAC 通风口进行泄漏建模的示例。自 2017.2 版本起，PyroSim 在用户界面中同时支持压力区域泄漏和局部 HVAC 泄漏。泄漏是指当隔间因火灾加压时，通过小间隙（如门顶部缝隙）逸出的空气。由于泄漏面积可能小于网格尺寸，这些间隙无法直接建模，而是使用 FDS 中的 HVAC 模型将泄漏隔间连接到外部。

泄漏的隔间表面可以看作一个大型 HVAC 通风口，通过一个很小的管道连接到外部。这样可以在域中的大面积上去除泄漏（就像实际情况一样），同时正确捕捉泄漏路径的实际面积。有两种方法可以实现：一种方法仅利用压力区域。压力区域是用户指定的计算域内彻底被固体障碍物包围的体积。在这种方法中，压力区域内的表面被标记为泄漏，这些表面可以被视为一个 HVAC 通风口，通过一个面积等于泄漏面积的微小管道连接到外部。第二种方法适用于泄漏位置明确的情况（如门缝开启，缝隙尺寸小于网格）或需要考虑烟囱效应的情况。它使用局部压力（包括区域压力），允许泄漏大小变化。

本文将演示这两种方法。

压力区域概念

在处理密封隔间时，压力区域的概念极其重要。如 FDS 手册所述：

FDS 假设压力由”背景”分量和扰动压力组成。大多数情况下，p 只是静水压力，而扰动项是流动引起的空间分辨扰动。您可以在计算域内指定任意数量的密封隔间，这些隔间可以有自己的”背景”压力，这些隔间或”压力区域”可以通过泄漏和管道路径连接，其流量取决于相邻区域的压力。

用户负责识别和定义与密封隔间对应的压力区域。如果密封隔间内的解对模拟很重要，则必须为该隔间定义压力区域。如果隔离的房间对模拟不重要，则不需要压力区域。

定义压力区域的注意事项

• • 压力区域必须彻底位于由固体障碍物包围的域区域内。如果密封区域不是矩形，FDS 将扩展指定的 ZONE 边界以符合非矩形区域。

• • 压力区域可以跨越多个网格。如果 ZONE 跨越多个网格，请确保指定的矩形坐标也跨越这些网格。这允许 FDS 为每个网格独立确定 ZONE 的实际范围。

• • 可以通过移除区域之间的障碍物来打破压力区域。如果计划通过移除障碍物使一个区域向另一个区域开放，请确保两个区域的坐标相邻，即使其中一个区域包含分隔它们的固体障碍物。

压力区域示例：zone_shape

 

zone_shape 示例演示了使用压力区域以及在求解过程中打开区域之间的连接。图 1 显示了由两个密封隔间组成的模型。

在零时刻，送风机向房间 1 送风，使房间 1 增压。风机在 5 s 时停止，房间 1 的压力保持不变，直到 10 s 时内门打开。这减少了房间 1 的压力，同时增加了房间 2 的压力，直到两者相等。在 20 s 时，房间 2 的外门打开，将空气排放到外部，所有压力恢复到环境值。

 

两个房间都必须使用压力区域。图 2 显示了用于求解的两个网格和两个压力区域边界。由于房间 1 是 L 形的，区域 1 被定义在房间内部，依赖 FDS 扩展边界以符合非矩形区域。注意区域 1 有意跨越了两个网格。

 

注意：如果不为此模型定义两个内部压力区域，将无法获得每个房间的正确压力。例如，删除内外门，使房间 2 彻底隔离。如果仅使用默认压力区域，则只有一个背景压力，即使没有气流进入房间 2，房间 2 的压力也会与房间 1 相同。或者，如果在房间 2 中添加一个 OPEN 通风口，即使送风通风口向房间 1 送风且与房间 2 没有连接，房间 1 的背景压力也将保持为零。这两个退化案例包含在上方可下载的文件中。

压力区域泄漏

如 FDS 手册所述，”压力区域泄漏方法旨在捕捉通过墙壁发生的大面积泄漏。”压力区域泄漏使用两个区域的”背景”压力之间的压差来计算泄漏流量。假设流量很小，进入区域的流量将处于该区域的温度（不从泄漏发生的区域传输热量）。

 

我们将使用图 4 所示的模型进行说明。压力区域泄漏通过三个步骤定义：

1. 1. 定义区域。
   2. 定义泄漏表面。
   3. 将泄漏表面应用于两个区域内具有边界的实体。

创建模型的编辑步骤

1. 1. 定义区域 1（使用工具绘制或双击树中的 Zones）。这是一个由 INERT 表面和障碍物包围的封闭区域。指定泄漏面积。
   2. 创建一个 Leak 表面。表面类型为 Air Leak。指定区域 1 和区域 0（默认外部区域）之间的泄漏路径。
   3. 创建一个使用 Leak 表面的障碍物。

在此示例中，空气通过 1 m2 的通风口以 1 kg/s 的速率供应。泄漏面积为 0.1 m2。然后空气通过障碍物流向 OPEN 边界。

由于流量已知，预期压降可以使用 FDS 用户指南中的公式计算。区域 1 中的计算达到与预期值匹配的稳态值。

局部泄漏

如 FDS 手册所述，”局部泄漏方法旨在表示通过特定缝隙的泄漏。例如，门缝开启可能有一个开口太小而无法用网格解析。然而，人们仍然希望捕捉到热气体可从缝隙顶部逸出、冷气体可从底部进入的事实。”

 

创建局部泄漏模型的步骤

1. 1. 定义区域 1。区域 1 和区域 0 之间的泄漏面积设为零。
   2. 创建区域之间的障碍物。
   3. 在障碍物的顶部和底部定义内部和外部通风口。
   4. 创建一个新的 HVAC 组件，类型为 LEAK，连接内部和外部顶部通风口。指定泄漏面积为 0.1 m2。勾选 Enable Leak Enthalpy。
   5. 重复以上步骤，创建一个 LEAK 类型的 HVAC 组件，连接内部和外部底部通风口。指定泄漏面积为 0.1 m2。勾选 Enable Leak Enthalpy。

该情况的结果如图 6 所示。起初，区域 1 中的热空气上升，流入区域 0 的只有顶部的热空气。当区域 1 充满热空气时，底部通风口的空气也是热的。

多隔间泄漏示例

 

两个隔间（各 0.9m x 1m x 1m）通过一个小风机和地板处的泄漏口连接。第二个泄漏通风口被添加到风机排出侧的地板上，该通风口向环境泄漏。当模拟开始时，风机将空气从一个隔间推向另一个隔间。随着压力升高，泄漏增加，直到泄漏流量等于风机流量。由于内部隔间的一些空气被排放到环境中，两个隔间的平均压力下降，直到内部隔间的压力等于环境压力。此时不再有向外的泄漏，风机流量等于两个隔间之间的泄漏流量。

图 8 显示了 10 s 时的压力向量。向量的颜色对应于压力，向量显示速度。

door_crack 验证示例

 

图 9 显示了 FDS 用户指南中描述的 door_crack 模型，该模型是作为一个验证问题提供的。

此示例涉及一个小隔间，一面墙上装有一个风机，对面墙上有一扇关闭的门，门底部有泄漏口。隔间中添加了一个小型（160 kW）火灾。起初，由于火灾的热量和风机向隔间送风，压力上升。隔间内部的压力升高超过了风机的压力上限，此时隔间开始从风机和泄漏口同时排气。由于火灾的影响，压力将继续上升，直到通过泄漏和风机回流释放的压力等于火灾引起的压力增加。

 

50 s 时的结果如图 10 所示。此时，风机正在向隔间送风。在稍后的时间点，隔间空气通过风机和泄漏口同时流出。

参考资料

McGrattan, Kevin, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason Floyd, and Marcos Vanella. 2025. Fire Dynamics Simulator User’s Guide, NIST Special Publication 1019. Sixth Edition. National Institute of Standards: NIST.