FDS模擬DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)速度場的適用性研究

曹 楠，謝 妉

(沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，沈陽 110136)

射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)屬于縱向驅(qū)動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)中的一種，目前在隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。由于其不需要安裝管道，能夠降低層高，減少土建成本，現(xiàn)在逐漸被應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如大型地下車庫、大空間類中庭建筑等。利用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行誘導(dǎo)排煙設(shè)計(jì)，在國外已有所應(yīng)用，但這種設(shè)計(jì)理念由于突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在各個(gè)方面尚顯的不夠成熟，在理論和應(yīng)用性上還需要進(jìn)一步研究。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。其中由NIST開發(fā)的場模擬軟件FDS目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于性能化防火設(shè)計(jì)之中。在性能化防火設(shè)計(jì)中，往往通過數(shù)值模擬分析的方法對火場內(nèi)的煙氣能見度、溫度、速度等未知現(xiàn)象進(jìn)行模擬預(yù)測，而模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性是消防工程師最關(guān)心的問題。在FDS模擬計(jì)算中，網(wǎng)格劃分、邊界條件和初始條件的設(shè)定等因素都決定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。其中網(wǎng)格劃分在計(jì)算中起到非常重要的作用，網(wǎng)格獨(dú)立性問題決定著最后模擬結(jié)果。通常，精細(xì)的網(wǎng)格能更好地反映煙氣場、速度場的特性，從而得到真實(shí)的模擬結(jié)果。但精細(xì)的網(wǎng)格同樣面臨著問題，即網(wǎng)格數(shù)量的增加需要高配置的計(jì)算機(jī)，并且計(jì)算時(shí)間也會增長。因此，在保證計(jì)算時(shí)間可接受的前提下，確定一定計(jì)算精度所必需的網(wǎng)格尺寸是非常重要的。

為進(jìn)行FDS模擬射流風(fēng)機(jī)速度場的適用性研究分析，本文首先根據(jù)DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)速度場的實(shí)測數(shù)據(jù)建立模型，設(shè)置邊界條件和初始條件;其次，劃分不同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，確定最終的網(wǎng)格尺寸;第三，調(diào)整射流風(fēng)機(jī)模型的參數(shù)設(shè)置，使模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的誤差在可接受水平之內(nèi);最終，給出DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)在FDS模擬中網(wǎng)格尺寸和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置參考。

1 DA型射流風(fēng)機(jī)簡介

自1999年，我國開始引進(jìn)韓國的DA型射流風(fēng)機(jī)，該型號的射流風(fēng)機(jī)體積小，出口噪音小，噴流射程遠(yuǎn)，目前已用于大型地下車庫的通風(fēng)系統(tǒng)中。DA型射流風(fēng)機(jī)有2種型號，分別為DA-1AT型和DA-200S型。本文針對應(yīng)用較多的DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行FDS模擬的適用性研究。

2 FDS模擬適用性研究

為科學(xué)指導(dǎo)射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始利用CFD技術(shù)模擬射流風(fēng)機(jī)防排煙系統(tǒng)流場特性及分析其防排煙效果。2005年，COLT公司和Building Research Establishment(BRE)合作進(jìn)行了使用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行誘導(dǎo)排煙的全尺寸實(shí)驗(yàn)，并用FDS進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證。Viegas驗(yàn)證了FDS模擬射流風(fēng)機(jī)速度場的可行性。國內(nèi)張靖巖、肖澤南等人通過FDS模擬，把地下車庫的射流風(fēng)機(jī)防排煙設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較。本文研究的目的是通過對FDS模擬射流風(fēng)機(jī)速度場的分析研究，給出用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行防排煙設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)DS數(shù)值模擬過程需要考慮的參數(shù)，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。

2.1 FDS模擬射流風(fēng)機(jī)的限制分析

FDS作為火災(zāi)模擬軟件，在消防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但在模擬速度場方面，其模擬的準(zhǔn)確性和合理性問題還未得到充分的驗(yàn)證。

(1)FDS本身建模不靈活，只能直接建立立方體模型，其他形狀的模型只能通過立方體來近似，因此會加大計(jì)算結(jié)果的誤差。DA型射流風(fēng)機(jī)本身的形狀是圓柱體，在建立FDS模型時(shí)，把射流風(fēng)機(jī)簡化成立方體，這樣會導(dǎo)致模擬結(jié)果的誤差較大。

(2)FDS只能劃分矩形網(wǎng)格，這樣會使網(wǎng)格數(shù)量增加，其模擬結(jié)果受網(wǎng)格大小的影響大，網(wǎng)格大小又關(guān)系到網(wǎng)格數(shù)量問題。

(3)從計(jì)算原理上看，F(xiàn)DS以時(shí)間平均方程求解，流場的紊流解析會有誤差。

由于FDS自身在數(shù)值模擬上的局限性，為了使模擬結(jié)果準(zhǔn)確，進(jìn)行相關(guān)的適用性研究是非常必要的。

2.2 實(shí)體測試

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用新加坡的DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)速度場測試報(bào)告，具體實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容如下。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)場景

(1)在一個(gè)100 m(長)*50 m(寬)*12 m(高)的密閉展覽大廳進(jìn)行射流風(fēng)機(jī)速度場的測試。測試時(shí)jet fan的型號為"WINSTAR"DA-1AT型。把jet fan放置在距地面3 m高的位置，水平放置，設(shè)置于大廳的中部。具體布置如圖1所示。

圖1 實(shí)測場景圖

(2)測試時(shí)jet fan的出口風(fēng)速為14.86 m/s。jet fan的尺寸為直徑0.175米圓形噴嘴，出口面積0.024 m2。

2.2.2 測試過程

(1)打開jet fan，讓 jet fan吹至少10 min，使速度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)進(jìn)行各點(diǎn)的速度測試。每個(gè)測點(diǎn)測量20個(gè)速度值，并取平均值。

(3)當(dāng)測量的速度值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，記錄下最后的值。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 實(shí)體測試結(jié)果

2.3 FDS模型建立

根據(jù)實(shí)測報(bào)告中建筑的結(jié)構(gòu)尺寸，F(xiàn)DS模型的建模尺寸確定為100 m(長)*50 m(寬)*12 m(高)，jet fan的位置為距離地面3 m。但是由于模型尺寸大，會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量大，使計(jì)算時(shí)間過長，所以最終采用等比例縮小一倍的模型，即尺寸為50 m(長)*25 m(寬)*6 m(高)。通過與全尺寸模擬結(jié)果進(jìn)行比較，證明等比例縮小一倍的模型可用于jet fan的適用性研究。jet fan的實(shí)際尺寸是直徑為0.175 m圓形噴嘴，實(shí)際出口面積為0.024 m2。在FDS建模時(shí)，模型中jet fan的尺寸簡化為0.9 m(長)*0.2 m(寬)*0.1 m(高)的長方體。

圖2 FDS模型示意圖

2.4 邊界條件和初始條件確定

實(shí)測報(bào)告中實(shí)驗(yàn)的場地是密閉的展覽大廳，jet fan的直接軸向運(yùn)行速度為14.86 m/s;因此在FDS模型中，設(shè)置的邊界條件為環(huán)境溫度，射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為14.86 m/s。

2.5 FDS網(wǎng)格獨(dú)立性研究

FDS中網(wǎng)格的大小直接影響模擬的準(zhǔn)確性，通常的設(shè)置原則是火源或風(fēng)機(jī)附近的網(wǎng)格加密，使模擬出的結(jié)果能達(dá)到真實(shí)的效果。由于DA型風(fēng)機(jī)尺寸小，為了保證模擬的效果，網(wǎng)格的尺寸要小于風(fēng)機(jī)的出口截面尺寸。在此基礎(chǔ)上采用簡化的模型模擬射流風(fēng)機(jī)的速度場，把模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，確定最終的網(wǎng)格尺寸，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格上的獨(dú)立性和優(yōu)化性。

筆者根據(jù)射流風(fēng)機(jī)的尺寸，在射流風(fēng)機(jī)處進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，設(shè)置了不同尺寸網(wǎng)格進(jìn)行模擬，分別判斷Z方向和Y方向速度場分別大于2 m/s，1.5 m/s，1 m/s，0.6 m/s時(shí)刻在長度方向的距離，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。表2、表3是各個(gè)網(wǎng)格下速度場模擬結(jié)果。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性研究模擬結(jié)果比較

表3 網(wǎng)格獨(dú)立性研究模擬結(jié)果比較

以下是(圖3、圖4)0.2 m*0.05 m*0.05 m網(wǎng)格下Z和Y方向的速度場分布圖。

圖3 Z方向模擬結(jié)果

圖4 Y方向模擬結(jié)果

表4 Z方向模擬結(jié)果比較

2.6 模擬結(jié)果分析

(1)把不同網(wǎng)格下的jet fan速度場進(jìn)行模擬并和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，網(wǎng)格尺寸越大，模擬出的速度場越大，導(dǎo)致誤差越大。

表5 Y方向模擬結(jié)果比較

(2)3種網(wǎng)格下，0.2 m*0.05 m*0.05 m網(wǎng)格尺寸下模擬結(jié)果與實(shí)測值的誤差最小，Z方向誤差最大值為21.8%，誤差最小值為2%，Y方向誤差最大值為－19.7%，誤差最小值為－10%。

(3)新加坡《FIRE SAFETY REQUIREMENTS FOR DUCTLESS JET FANS SYSTEM IN CAR PARKS》規(guī)定把經(jīng)過認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)測試jet fan的速度剖面和模擬得出的速度剖面進(jìn)行比較，誤差要在10%以內(nèi)。

(4)0.2 m*0.05 m*0.05 m網(wǎng)格下無法保證模擬結(jié)果誤差都在10%之內(nèi)，但減小網(wǎng)格尺寸會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量過大，模擬時(shí)間過長。因此，在0.2 m*0.05 m*0.05 m網(wǎng)格下，通過調(diào)整射流風(fēng)機(jī)的簡化尺寸，可使誤差都在10%之內(nèi)。

3 其他參數(shù)設(shè)置影響

網(wǎng)格的劃分既要保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)保證模擬計(jì)算時(shí)間是可接受的。由于在該網(wǎng)格下，網(wǎng)格總數(shù)為137.5萬，計(jì)算時(shí)間為7天，再減小網(wǎng)格尺寸，會使計(jì)算時(shí)間更長。網(wǎng)格優(yōu)化的目的是在計(jì)算時(shí)間可接受的前提下，保證計(jì)算結(jié)果的精確性。

因此，本文除考慮網(wǎng)格因素外，通過調(diào)整其他因素對模擬結(jié)果的影響，把模擬的誤差降低到可接受水平之內(nèi)。由于DA型射流風(fēng)機(jī)本身的形狀是圓柱體，在建立FDS模型時(shí)，把射流風(fēng)機(jī)簡化成立方體，這樣會導(dǎo)致模擬結(jié)果的誤差較大，所以需要模擬研究射流風(fēng)機(jī)的尺寸形狀，給出射流風(fēng)機(jī)的尺寸建議。

3.1 研究方法

在0.2 m*0.05 m*0.05 m網(wǎng)格下，調(diào)整射流風(fēng)機(jī)的模型尺寸使誤差在可接受水平之內(nèi)，最終給出DA-1AT型號射流風(fēng)機(jī)在FDS模擬時(shí)模型的尺寸參數(shù)。

3.2 研究結(jié)果

把射流風(fēng)機(jī)的尺寸調(diào)整為0.9 m*0.2 m*0.2 m，進(jìn)行FDS模擬，相應(yīng)的Z，Y方向模擬結(jié)果如表6、表7所示。

模擬結(jié)果表明，0.9 m*0.2 m*0.2 m尺寸的射流風(fēng)機(jī)簡化模型模擬出的速度為2 m/s，1.5 m/s，1 m/s時(shí)的速度場誤差均在10%之內(nèi)，0.6 m/s的速度場比實(shí)驗(yàn)值小，誤差超過10%，誤差較大的原因可能是流場的紊流解析造成的。

表6 Z方向模擬結(jié)果比較

表7 Y方向模擬結(jié)果比較

4 結(jié)論及展望

(1)通過FDS應(yīng)用于DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)流場模擬的適用性分析，在網(wǎng)格獨(dú)立性上，建議射流風(fēng)機(jī)處使用0.2 m*0.05 m*0.05 m的網(wǎng)格;針對其他型號的射流風(fēng)機(jī)，筆者建議最好采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比的方法，保證誤差在10%之內(nèi)，確定最終的網(wǎng)格尺寸。

(2)根據(jù)射流風(fēng)機(jī)的實(shí)際尺寸和關(guān)于模型尺寸的模擬研究，建議DA-1AT型射流風(fēng)機(jī)的簡化FDS模型尺寸為0.9 m*0.2 m*0.2 m;由于射流風(fēng)機(jī)本身是圓柱體，建議簡化的模型截面為正方形。

(3)本文只是針對FDS模擬射流風(fēng)機(jī)速度場的初探研究。考慮數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，計(jì)算時(shí)間可接受性等問題，通過分析研究為工程應(yīng)用提供參考。

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