本教程讨论使用 FDS/PyroSim 对射流风机进行建模，目标是模拟停车场中的烟气控制。教程首先介绍一些有助于理解问题的背景知识。在准备停车场模拟之前，我们先聚焦于自由射流，将网格收敛研究的结果与基于实验得出的中心线速度衰减关联式进行对比。本教程将帮助您判断 PyroSim 是否适用于您的射流风机应用场景。
FDS（由 NIST 开发的火灾动力学模拟器）是 PyroSim 的后端求解器，采用大涡模拟（LES）方法求解 Navier-Stokes 方程。在 LES 方法中，网格单元尺度的涡被直接求解，而更小的涡则通过近似模型处理。这意味着解是瞬态的，在任一点都会随时间变化。相比之下，雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）方法提供单一的时间平均解。
正如我们将展示的，要精准匹配自由射流从管道流出的实验数据，所需的网格尺寸小于典型设计应用（如停车场）中实际可用的尺寸。问题就变成了：”是否存在一些方法，使我们在设计计算中能够合理地模拟射流风机，同时仍能在现实的时间范围内求解问题？”在接下来的章节中，我们将尝试为这一问题提供一些指导。
背景与收敛研究
在本节中，我们以不断加密的网格分辨率模拟自由空气射流，以验证 FDS 解是否随网格细化收敛到实验数据。
多篇论文有助于理解射流风机建模中的一些问题：
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- 《大型封闭空间中控制气流的射流风机建模与模拟》描述了实验和 RANS 计算流体动力学（CFD）模拟。我们的目标是对该论文中的实验进行建模。
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- Hazim Awbi 的著作《建筑通风》
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- 两篇论文《地下停车场脉冲通风烟气控制数值研究》和《地下停车场脉冲通风烟气控制的应用》展示了使用 FDS 对地下停车场烟气控制进行详细模拟。
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- NIST FDS 验证手册包含射流风机计算并引用了与实验数据的关联式。
自由射流理论
自由空气射流流入没有固体边界影响流型的开放空气空间。如 Awbi 所述，自由圆形射流的流动可分为两个区域：
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- 势流核心区：位于送风口下游紧邻的区域，射流流体与周围流体的混合尚不彻底。核心区域长度通常延伸到 5-10 倍等效开口直径。在此区域，中心线速度恒定且等于送风速度。
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- 轴对称衰减区：由剪切层边缘粘性剪切力产生的高度湍流主导的区域。对于三维射流，通常称为”充 分发展流动区”，射流的扩散角为常数，其值取决于开口的几何形状。中心线速度随离开开口的距离成反比减小。
Baturin 和 Kummel 方程对于边长为 0.25 m 的正方形管道（等效直径 0.2821 m），初始气流速度为 18 m/s。Kummel 方程的上限和下限显示出势流核心区长度的显著差异。Baturin 关联式预测的中心线速度位于 Kummel 预测范围之内。在将 PyroSim/FDS 结果与关联式比较时，使用 Baturin 和 Kummel 方程参数的平均值。
自由射流收敛研究
在模拟停车场实验之前，我们先使用不同的网格细化程度来模拟自由射流。模型由一个 0.25 m x 0.25 m 的通风口组成，送风速度为 18 m/s，与 Giesen 等人测试的射流风机尺寸和性能相似。
送风通风口为正方形，边长 0.25 m，送风速度 18 m/s。所有模型运行 10 秒。初始瞬态在 2 秒 内完成，取 2 秒 到 10 秒 的平均值即可代表稳态测量结果。
网格尺寸对求解的影响
如果使用足够细化的网格，FDS 可以精准模拟自由射流。如果网格细化不足，解将无法捕捉到剪切层中的湍流（该湍流卷吸周围流体），预测的中心线速度将不会如实验所示的那样衰减。这与 FDS 验证手册中的结论类似，其中需要 1/16 通风口边长的网格才能获得合理精度的解。
射流风机的建模方法
我们现在探索使用 FDS 对射流风机进行建模的两种方法：
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- 速度补丁（Velocity Patches）
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- HVAC 管道（HVAC Ducts）
对于速度补丁，我们考察不同导流罩长度的影响；对于 HVAC 管道，我们考察下游短导流罩的影响。使用下游中心线速度和流量卷吸来评估模型。
速度补丁方法
在速度补丁方法中，风机由一个轴向（X）速度被指定的区域表示，横向（Y 和 Z）速度不做定义。速度补丁可以在补丁周围定义导流罩或不定义。导流罩会改变邻近空气被吸入速度补丁的方式，并将气流集中到导流罩的轴向方向。
HVAC 管道方法
对于 HVAC 模型，使用标准 HVAC 管道加上风口。添加下游导流罩是确保出口气流沿轴向。FDS 在单元格侧面中心计算速度（交错网格），气流可能在风口下游的临近单元格中扩散。导流罩保持出口气流沿轴向。
使用实验数据验证
Geisen 等人描述了在 34 m x 32 m x 6.5 m 大厅中使用 Novenco 风机（直径 290 mm，长度 2.6 m，排气流速 18 m/s，推力 21 N）进行的射流风机实验。在距排气口 0.5 m、1 m、2 m、4 m、8 m、12 m 和 16 m 处进行了风速测量。
与实验数据的对比表明，带下游导流罩且网格尺寸为 125 mm 的 HVAC 管道在匹配中心线速度衰减和流量卷吸方面表现相当好。这是一个可行的网格尺寸，且计算使用默认的 FDS Deardorff 湍流粘度模型。
停车场应用演示
在本节中，我们演示使用 FDS 对从停车场抽取烟气的射流风机进行建模。展示了两种通风设计：一种性能不佳的设计和改进设计。
注意：这不是一个真实的设计，纯粹是为了演示方法而开发的。
停车场总体积为 5400 m3。这种设计有两个 4 m x 3 m 的排烟口和一个 4 m x 3 m 的补风口。风机周围网格尺寸为 125 mm，远离风机处为 250 mm。
本示例使用代表聚氨酯 GM27 燃烧的高烟尘产率火灾。烟尘产率为 0.198，导致大量烟雾。火灾表面积为 6 m2，峰值热释放速率 3000 kW。
设计的结果
这种设计的结果显示其缺点：存在逆向气流的位置；热空气和烟雾的高速流动克服了风机气流；烟雾遍布停车场；空气加热导致密度变化，减少了风机效率和补风量。
改进设计
改进设计包括：使用推力更低 65 N 的更强劲风机；使用 9 台风机；重新布置风机以增强气流；增加补风口面积。
改进设计在 800 秒后停车场烟气被清理。预期结果是保守的，因为所选射流风机模型低估了流量卷吸，且模拟使用的火灾烟尘产率很高。
总结
本教程演示了使用 FDS 和 PyroSim 模拟停车场火灾和烟气的方法。第一种设计不满足要求，但基于计算提出的重新设计满足了设计标准。这强调了在开发停车场火灾烟气控制系统时，理解并实施设计计算的必要性。
参考文献
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- Awbi, H.B. 2003. Ventilation of Buildings.
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- Baturin, V. V. 1972. Fundamentals of Industrial Ventilation.
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- Eck, Bruno. 2007. “Technische Stromungsmechanik.”
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- Jones, J.C., T. Noonan, and M.C. Riordan. 2007. “An Examination of Vehicle Fires According to Scaling Rules.”
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- Lu, S., Y.H. Wang, R.F. Zhang, and H.P. Zhang. 2011. “Numerical Study on Impulse Ventilation for Smoke Control in an Underground Car Park.”
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- McGrattan, et al., Kevin. 2020. Fire Dynamics Simulator Verification Guide Volume 2.
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- Ricou, F. P., and D. B. Spalding. 1961. “Measurements of Entrainment by Axisymmetrical Turbulent Jets.”
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- Viegas, Joao Carlos. 2010. “The Use of Impulse Ventilation for Smoke Control in Underground Car Parks.”
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- v.d.Giesen, B.J.M., et al. 2011. “Modelling and Simulation of a Jet Fan for Controlled Air Flow in Large Enclosures.”
