本教程将演示如何使用 PyroSim 的风参数和保留表面来模拟风和其他大气条件。在 PyroSim 2021.3 版本中，我们添加了对一些新 FDS 功能的支持，使模拟不同风况变得更加简单。用户将学习如何配置简单初始风、随时间修改风速和风向，以及控制模型边界的风发展。
准备工作
- 下载 Simple Wind in PyroSim 模型以跟随教程（这些模型是 NIST 提供的 wind_example_32.fds 验证模型的修改版本）。
- 阅读用户手册中关于风参数和保留表面的部分。
风场建模简介
使用 PyroSim 和 FDS 可以模拟和观察由于风和大气条件引起的火灾模拟效应。FDS 提供了多种复杂程度的工具来模拟这些条件。
在基本的层面上，可以通过定义方向和风速来模拟简单初始风况。增加复杂性后，用户可以定义初始风场，其方向和风速随时间变化。进一步增加复杂性，用户可以定义这个变化的风场也随高度变化。用户还可以使用 Monin-Obukhov 相似理论以不同的方式模拟风况。虽然后两种方法更精准，但本教程仅旨在提供 PyroSim 中风场模拟的基本理解，将为前两种情况提供示例。
模型说明
上述提供的文件模拟了一个 500m x 500m x 200m 的大区域，其中包含多个大型障碍物（代表建筑物和集装箱等大型障碍物）。其中一个建筑物被配置为 50,000 kW 的超快速 t2 增长火灾，使用橡木燃烧反应。模拟共运行 600 秒。
配置简单风场
本章节目的在于让用户熟悉在 PyroSim 中有效模拟大气风所需的不同模型属性。用户将学习如何设置风场模型、定义简单风以及如何在结果显示查看器中查看风场模拟结果。
打开网格边界
首先，打开可供下载的 Simple Wind in PyroSim 模型。该模型已经定义了几何形状、火灾和结果切片，但网格如果封闭，意味着没有环境空气或风流可以进入模型的域中。要打开网格边界：
- 在导航视图中右键点击 Mesh01。
- 在上下文菜单中点击 Open Mesh boundaries。
这将在网格的所有外部边界处创建通风口，按网格分组，并将所有分组的通风口放入导航视图中的一个更大的 Mesh Boundary Vents 组中。请注意，在内部边界处（两个网格相邻的地方），不会创建通风口。
所有这些通风口都使用 OPEN 边界条件创建，但并非所有通风口都希望使用此条件。对于每个带有 [ZMIN] 后缀的通风口，双击导航视图中的通风口，打开通风口属性对话框，将表面设置为 INERT。这将防止空气通过这些通风口移动，并代表模型中的地面。将其他通风口保留为 OPEN 表面，这些将表示没有特殊发展属性的大气环境边界。
配置风的参数
要开始在模型中配置风：通过 Analysis > Simulation Parameters 打开模拟参数对话框，点击 Environment 选项卡，勾选 Configure Wind 旁边的复选框，然后点击 Edit。这将打开风参数对话框（图 2）。
要配置简单风：将 Speed 值更改为 5.0 m/s，将 Direction 值更改为 0。注意：此定义使用气象学标准，其中 0 表示风来自北方方向（向南吹）。点击 OK 关闭风参数和模拟参数对话框。
这些设置将模拟 5.0 m/s 的风从模型的北方吹来。请注意这些是风的初始值。FDS 将使用这些值在模型中的每个位置创建初始速度场。风将受到障碍物和模型产生的流动的影响。通过点击 Run FDS 图标运行模型。
查看简单风结果
模拟完成后，在结果显示查看器中打开结果。打开 2D Slices > Velocity 下拉菜单，双击所有 Z=10.000 切片显示在 3D 窗口中，点击播放按钮。速度切片云图（图 3）应显示风从北方吹来，速度为 5.0 m/s，并显示风与障碍物相互作用产生滞止区和尾流区。
要查看风对烟气的影响（图 4）：双击 2D Slices 隐藏所有切片，双击 3D Smoke 显示反应产物，点击 Side View。该视角北方为左侧，3D 烟气产物应显示风从北方吹来，导致燃烧障碍物的烟气和其他产物向南移动。
随时间变化的风速和风向
本章节为风定义增加额外复杂性，目标是定义风速和风向随时间变化的风配置。
定义速度变化曲线
关闭结果显示查看器，重新打开风参数对话框，点击 Speed Change over Time 选项卡。在 Speed 下拉菜单中选择 Custom，点击 Edit Values。此时应显示渐变函数值对话框（图 5）。该对话框表格中每行代表速度曲线中的一个点：左列为时间，右列为给定时间下的速度（作为基础速度的分数）。定义速度曲线：(0,1.0)、(30,2.0)、(60,3.0)。
定义方向变化曲线
定义方向曲线类似：在 Direction 下拉菜单中选择 Custom，点击 Edit Values（图 7）。与速度映射不同，该对话框以度为单位映射风的方向。定义方向曲线：(0,0)、(60,0)、(60,45)。点击 OK 关闭所有对话框，然后运行模型。
查看变化风场结果
模拟完成后查看结果。在结果显示查看器中，打开 2D Slice Vectors > VELOCITY 下拉菜单，双击 Z=10.000 项目。将 Vector Magnitude 设置为 2500 以使向量更可见。点击播放按钮查看结果（图 8）。速度向量应显示风初始从北方以 5.0 m/s 吹来，速度在 30 s 时增加到 10.0 m/s，在 60 s 时增加到 15.0 m/s，然后风在 60 s 时转向从东北方吹来。火灾的烟气输出也受到影响（图 9），烟雾起初向南流动，风转向后烟雾转向西南方流动。
边界条件
本章节介绍修改模型的边界条件。用户将学习如何更改边界条件，了解可用条件及其对模型的影响。注意这些条件尽量在使用 Monin-Obukhov 相似理论控制风流的模型中使用。
OPEN 条件
OPEN 条件是贯穿本教程使用的条件，通过将 OPEN 表面应用于边界通风口来实现。此条件模拟对环境条件的被动开口，是基本的边界条件。
PERIODIC 条件
PERIODIC 条件允许模型中的风随时间更自然地发展，通过将离开 PERIODIC 通风口的流动重新注入到域另一侧的 PERIODIC 通风口来模拟无限大域。要应用：在 PyroSim 主窗口中按住 Ctrl 键选择所有带有 XMIN、XMAX、YMIN 和 YMAX 后缀的通风口，双击其中一个打开通风口属性对话框，将表面从 OPEN 更改为 PERIODIC。运行模型后查看结果。
注意即使只更改了边界条件，结果也截然不同（图 10）。离开模型向南的风流效应被环绕回北部边界，持续循环发展。其次，烟气和其他反应产物也像风一样重新进入北部边界（图 11），这对某些模型可能不理想。还要注意即使速度和方向曲线没有更改，风流也不再改变方向。这是因为 FDS 仅在进入边界处强制执行这些曲线，而 PERIODIC 条件覆盖了这些更改。这就是为什么该条件尽量用于 Monin-Obukhov 相似理论模型。
PERIODIC FLOW ONLY 条件
PERIODIC FLOW ONLY 条件行为类似 PERIODIC，风流效应在离开后会回绕到域另一侧。但与 PERIODIC 不同的是，烟气和其他反应产物不会绕域循环（图 12），而是像 OPEN 条件一样离开模型。在 FDS 早期版本中，这是通过应用 PERIODIC 边界条件然后使用 WIND=.true. 参数来实现的，在 FDS 6.7.5 中已被弃用并添加了 PERIODIC FLOW ONLY 表面。
总结
用户现在应该熟悉如何配置简单初始风、随时间修改风向和风速，并应理解通过 PyroSim 提供的不同 FDS 保留表面及其对模型的影响。
