复杂化学计量燃烧建模

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PyroSim 支持 FDS 中的简单化学和复杂化学计量两种燃烧模型。本文演示如何使用 PyroSim 用户界面来表示复杂燃烧和多燃料场景。

在以下情况下必须使用复杂化学计量：燃料不仅仅由 C、H、N、O 组成；需要追踪碳烟沉积或 HVAC 过滤器的清除；存在多个顺序气相反应。

串联反应示例展示了一组下游反应使用第一个反应产物的场景，并说明了如何设置”仅集总组分”（Lumped Component Only）选项。

示例一：PVC 燃料与氯化氢生成

 

本示例基于 FDS 用户指南第 13.2 节”复杂燃料分子”。燃料中添加了氯元素，燃烧后产生酸性气体 HCl。

如 FDS 用户指南所述：”然而，火灾中涉及的燃料通常不仅仅由 C、H、N 和 O 组成。例如，氯常见于建筑和家居材料中，由于它倾向于形成酸性气体 HCl，您可能希望在基本反应方案中考虑它。假设火灾中的主要燃料是聚氯乙烯（PVC），无论其详细的聚合物结构如何，在建模中可以将其视为 C2H3Cl。假设燃料中的所有 Cl 都转化为 HCl，您可以使用指定燃料的适当碳烟和 CO 产率推导出单步反应机理。”

FDS 用户指南中给出的化学计量方程为：

定义物质种类

先定义物质种类。在此模型中，N2、O2、CO2、CO、H2O、SOOT 和 HCl 将被定义为原始物质且不在求解中追踪。PVC 将被定义为可追踪的原始物质。空气和燃烧产物将被定义为可追踪的集总物质。

编辑原始物质

1. 1. 在 Model 菜单中，点击 Edit Species。
   2. 默认情况下，PyroSim 包含”简单化学”反应所需的物质。我们将更改默认的空气和产物，因此删除默认的 AIR 和 PRODUCTS 物质。不使用 HYDROGEN CYANIDE，也将其删除。
   3. 剩余的物质为 CARBON DIOXIDE、CARBON MONOXIDE、NITROGEN、OXYGEN、SOOT 和 WATER VAPOR。

添加氯化氢

注意，氯化氢已作为预定义物质包含在 FDS 中（见表 12.1.2 预定义气体和液体属性），因此无需定义其化学式。

1. 1. 点击 New，在 Predefined 列表中选择 HYDROGEN CHLORIDE，然后点击 OK。

添加 PVC 作为新物质

1. 1. 点击 New，点击 Custom，输入名称 PVC，选择 Primitive，然后点击 OK。
   2. 点击 Chemical Formula 并输入 C2H3Cl。
   3. 点击 Apply 创建新物质。

定义空气（集总物质）

本示例使用仅由氮气和氧气组成的简化空气。

1. 1. 在 Edit Species 对话框中，点击 New，点击 Custom，输入名称 AIR，选择 Lumped，然后点击 OK。
   2. 点击 by Volume，将 NITROGEN 的体积分数设为 5.76，将 OXYGEN 的体积分数设为 1.53。
   3. 点击 Apply 创建新物质。

定义燃烧产物（集总物质）

1. 1. 在 Edit Species 对话框中，点击 New，点击 Custom，输入名称 PRODUCTS，选择 Lumped，然后点击 OK。
   2. 点击 by Volume，分别输入以下体积分数：CARBON DIOXIDE 为 0.96，CARBON MONOXIDE 为 0.14，HYDROGEN CHLORIDE 为 1，NITROGEN 为 5.76，SOOT 为 0.9，WATER VAPOR 为 1。
   3. 点击 Apply 创建新物质。
   4. 点击 OK 关闭 Edit Species 对话框。

设置背景物质

在导航视图（树）中，右键点击 AIR，然后点击 Set as Background Species。

示例二：多燃料燃烧

 

FDS 用户指南第 13.2.4 节”多种燃料”的示例展示了如何模拟两种同时燃烧的燃料：聚氨酯和木材。

在该示例中，聚氨酯由化学式 C25H42O6N2 定义，燃烧反应具有碳烟产率和 CO 产率。聚氨酯反应为：

类似地，木材由化学式 C1H1.7O0.74N0.002 定义，反应具有碳烟产率和 CO 产率。木材反应为：

在 FDS 计算中，N2、O2、CO2、CO、H2O 和 SOOT 将是原始物质且不被追踪。聚氨酯和木材将被定义为可追踪的原始物质。空气和两种燃烧产物将被定义为可追踪的集总物质。

定义原始物质

1. 1. 在 Model 菜单中，点击 Edit Species。
   2. 删除默认的 AIR 和 PRODUCTS。同时删除 HYDROGEN CYANIDE。
   3. 剩余的物质为 NITROGEN、OXYGEN、CARBON DIOXIDE、WATER VAPOR、CARBON MONOXIDE 和 SOOT。

添加聚氨酯和木材

1. 1. 在 Edit Species 对话框中，点击 New，点击 Custom，输入名称 POLYURETHANE，选择 Primitive，然后点击 OK。点击 Chemical Formula 并输入 C25H42O6N2。点击 Apply。
   2. 同样添加木材：点击 New，点击 Custom，输入名称 WOOD，选择 Primitive，然后点击 OK。点击 Chemical Formula 并输入 C1H1.7O0.74N0.002。点击 Apply。

定义集总物质

定义空气：

1. 1. 点击 New，点击 Custom，输入名称 AIR，选择 Lumped，然后点击 OK。
   2. 点击 by Volume，将 NITROGEN 设为 3.76，OXYGEN 设为 1。
   3. 点击 Apply。

定义聚氨酯燃烧产物（PRODUCTS_POLY）：

1. 1. 点击 New，点击 Custom，输入名称 PRODUCTS_POLY，选择 Lumped，然后点击 OK。
   2. 点击 by Volume，分别输入：CARBON DIOXIDE 为 19.74412，CARBON MONOXIDE 为 0.16659，NITROGEN 为 103.7511，SOOT 为 5.08930，WATER VAPOR 为 21.0。
   3. 点击 Apply。

定义木材燃烧产物（PRODUCTS_WOOD）：

1. 1. 点击 New，点击 Custom，输入名称 PRODUCTS_WOOD，选择 Lumped，然后点击 OK。
   2. 点击 by Volume，分别输入：CARBON DIOXIDE 为 0.964384，CARBON MONOXIDE 为 0.003655，NITROGEN 为 3.84076，SOOT 为 0.03196，WATER VAPOR 为 0.85。
   3. 点击 Apply。
   4. 点击 OK 关闭 Edit Species 对话框。

在导航树中右键点击 AIR，然后点击 Set as Background Species。

定义燃料释放表面

定义好燃料和燃烧反应后，下一步是定义燃料释放的表面（热解）。由于有两种燃烧燃料，必须通过指定表面的燃料质量流率来实现。

在本示例中，总 HRR 为 1200 kW，每种燃料各贡献总热释放率的 50%。释放燃料的通风口面积为 1 m2，因此使用面积和燃烧热来计算燃料质量流量。我们还希望每种燃料遵循一条曲线：火灾在初始时刻从 0 kW 开始，在 10 s 时达到 1200 kW，并在 30 s 模拟的剩余时间内保持 1200 kW。

当只有单一燃料时可以使用 Burner 表面，但对于多种燃料应使用 Supply 表面。

定义表面

1. 1. 在 Model 菜单中，点击 Edit Surfaces。
   2. 点击 New。输入 Surface Name 为 Fire，Surface Type 选择 Supply。点击 OK。
   3. 点击颜色框，更改为红色。
   4. 点击 Specify Mass Flux of Individual Species。进入 Species Injection 选项卡。

定义聚氨酯质量流率

1. 1. 在 Mass Flux 列中，为 POLYURETHANE 输入 0.022901。
   2. 在 Ramp-Up Type 列中选择 Custom。
   3. 在 Ramp Value 列中点击 Edit Values，输入以下 (Time, Fraction) 对：(0,0)、(10,1)、(30,1)。点击 OK。

定义木材质量流率

1. 1. 在 Mass Flux 列中，为 WOOD 输入 0.036585。
   2. 在 Ramp-Up Type 列中选择 Custom。
   3. 在 Ramp Value 列中点击 Edit Values，输入以下 (Time, Fraction) 对：(0,0)、(10,1)、(30,1)。点击 OK。
   4. 点击 OK 关闭 Edit Surfaces 对话框。

 

示例三：丙烷火焰碳烟沉积

本示例基于 FDS 用户指南第 13.4.1 节”丙烷火焰的碳烟沉积”。该示例展示了如何定义调用 FDS 气溶胶沉积模型的反应。燃料为丙烷，指定碳烟产率为 0.05（注意这是仅为演示和验证目的而虚构的碳烟产率）。

编辑物质种类

在此模型中，N2、O2、CO2 和 H2O 将被定义为不追踪的原始物质。丙烷和碳烟将被定义为可追踪的原始物质。空气和燃烧产物将被定义为可追踪的集总物质。

1. 1. 在 Model 菜单中，点击 Edit Species。
   2. 删除默认的 AIR、PRODUCTS 和 CARBON MONOXIDE 物质。
   3. 删除 HYDROGEN CYANIDE。
   4. 剩余的物质为 CARBON DIOXIDE、NITROGEN、OXYGEN、SOOT 和 WATER VAPOR。

添加丙烷

1. 1. 点击 New，在 Predefined 列表中选择 PROPANE，然后点击 OK。

配置碳烟沉积

要使碳烟能够沉积，必须通过在 SPEC 行上定义 AEROSOL = .TRUE. 来显式追踪。

1. 1. 点击 SOOT，然后进入 Advanced 选项卡。
   2. 在 Name 列中输入 AEROSOL，在 Value 列中输入 .TRUE.（包含两个句点）。
   3. 同样定义碳烟粒径：在 Name 列输入 MEAN_DIAMETER，在 Value 列输入 1.E-6。
   4. 点击 Apply。

定义空气和产物

1. 1. 定义 AIR：点击 New，点击 Custom，输入名称 AIR，选择 Lumped，然后点击 OK。点击 by Volume，将 NITROGEN 设为 3.76，OXYGEN 设为 1。点击 Apply。
   2. 定义 PRODUCTS：点击 New，点击 Custom，输入名称 PRODUCTS，选择 Lumped，然后点击 OK。点击 by Volume，将 CARBON DIOXIDE 设为 2.81643，NITROGEN 设为 18.10978，WATER VAPOR 设为 4.0。点击 Apply。
   3. 点击 OK 关闭 Edit Species 对话框。

在导航树中右键点击 AIR，然后点击 Set as Background Species。

修改色标显示

您可以更改 PyroSim 结果查看器中的色标，将碳烟沉积显示为黑色不透明变色效果，而非如上所示的彩虹色标。

1. 1. 打开 Results Viewer，双击 SOOT SURFACE DEPOSITION Boundaries 量以激活它。
   2. 双击右键色标打开属性对话框。

 

 

示例四：串联反应

此示例在 FDS 验证指南第 10.5 节”反应机理的热释放速率”中描述。它是一组使用原始物质的串联反应，由 hrrpuv_reac_series.fds 输入文件描述。

反应1：丙烷和氧气生成一氧化碳和氢气；反应2：一氧化碳（来自反应1）和氧气生成二氧化碳；反应3：氢气（来自反应1）和氧气生成水蒸气。

在 FDS 计算中，N2、丙烷、O2、CO2、CO、H2 和 H2O 将是被追踪的原始物质。定义物质时，默认情况下 PyroSim 会自动选择”仅集总组分”设置（即该物质是否仅在定义集总物质如空气时使用）。通常自动选项即可满足需求，但在本例中需要手动设置 CARBON DIOXIDE、CARBON MONOXIDE 和 WATER VAPOR 的该选项。

定义原始物质

1. 1. 在 Model 菜单中，点击 Edit Species。
   2. 删除 AIR、PRODUCTS 和 SOOT。删除 HYDROGEN CYANIDE。
   3. 剩余物质为 NITROGEN、OXYGEN、CARBON DIOXIDE、WATER VAPOR 和 CARBON MONOXIDE。
   4. 选择 CARBON DIOXIDE，将 Lumped Component Only 设为 FALSE。对 CARBON MONOXIDE 和 WATER VAPOR 重复此编辑。
   5. 添加丙烷：点击 New，在 Predefined 列表中选择 PROPANE，然后点击 OK。
   6. 添加氢气：点击 New，在 Predefined 列表中选择 HYDROGEN，然后点击 OK。
   7. 点击 OK 关闭 Edit Species 对话框。

在导航树中右键点击 NITROGEN，然后点击 Set as Background Species。

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.