PyroSim 2018.2版将在用户界面中支持复杂的化学计量。以前，PyroSim支持FDS单燃料，“简单化学”燃烧模型，但是复杂的化学计量比需要用户手动输入。这篇文章演示了如何使用新的用户界面功能来表示多种燃料和其他复杂反应。

 

要在FDS模拟中使用多种燃料反应（或其他复杂反应），必须指定反应的气体种类和化学计量。《  FDS用户指南》第13.2.2节“复杂化学计量”提供了一些复杂化学计量的示例。在本文中，我们将复制《 FDS用户指南》，《 FDS验证指南》和《 FDS验证指南》中的示例。

下面的链接跳至每个示例。

• 在 从PyroSim库导入反应的Burner Fire示例和定义成分和产品的Smoke Layer示例中，演示了简单的化学燃烧。
• 聚氯乙烯（PVC）的燃烧通过在燃料和产品中包含氯来证明非简单化学燃料。
• 聚氨酯和木材的燃烧证明了多种化学反应的使用。
• 丙烷火焰中的煤烟沉积表明气溶胶沉积。
• 系列反应展示了一组反应，其中下游反应使用第一个反应的产物。显示如何设置“仅集总组件”选项。

• 燃烧聚氯乙烯（PVC）

 

 

复杂的化学计量：聚氯乙烯燃料形成氯化氢的例子

 

此示例基于《FDS用户指南》的 13.2.1节“复合燃料分子”。 

“例如，氯常见于建筑和家用材料中，由于其倾向于形成酸性气体HCl，因此您可能需要在基本反应方案中加以说明。假设火灾中的主要燃料是聚氯乙烯（PVC）。不管其详细的聚合物结构如何，出于建模目的，都可以将其视为C2H3Cl。假设燃料中的所有Cl都转化为HCl，则可以使用指定燃料的适当烟灰和CO收率得出单步反应机理。”

产生的化学计量方程为：

   定义物种

第一步是定义物种。在此模型中，O₂，N₂，HCl，H₂O，CO，CO₂和Soot将被定义为原始物质，并且不会被跟踪。PVC将被定义为可追踪的原始物种。空气和燃烧产物将是被跟踪的集总物质。  

编辑原始种类：

 

• 在模型菜单上，单击编辑种类。 
• 默认情况下，PyroSim包括“简单化学”反应所需的物质。我们将添加不同的烟尘，空气和产品种类，因此删除默认的SOOT，  AIR和PRODUCTS种类。
• 其余的物种是二氧化碳，一氧化碳，氮，氧和水蒸气。
• 添加氯化氢作为一种。请注意，氯化氢作为预定义的物质包含在FDS中，表12.1.2预定义的气体和液体性质，因此我们无需定义化学式。单击“ 新建”，在“ 预定义”列表中，选择“ 氯化氢”，然后单击“ 确定”。
• 添加PVC作为新物种。单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为PVC，选择“ 原始”，然后单击“ 确定”。 单击化学式，  然后键入C2H3Cl。单击“ 应用”  创建新物种。 
• 添加烟灰作为新物质，以替代默认烟灰（表12.1.2预定义的气体和液体性质），其混合物为0.9C0.1H。单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为SOOT，选择“ 原始”，然后单击“ 确定”。 点击化学式  ，并键入Ç。单击“ 应用”  创建新物种。 
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑种类”对话框。

 

将空气定义为集总物种：

• 在模型菜单上，单击编辑种类。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为AIR，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。
• 点击通过卷  ，然后键入5.76的体积分数的氮，并键入1.53的体积分数的氧。
• 单击“ 应用”  创建新物种。

将燃烧产物定义为集总物质。

• 在“ 编辑物种”对话框中。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将其命名为“ 产品”，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。
• 点击按体积并键入0.96的体积分数的二氧化碳，键入0.14的体积分数的一氧化碳，键入1为体积分数的氯化氢，键入5.76的体积分数的氮，键入0.9的体积分数的SOOT，类型1的体积分数的水汽。
• 单击“ 应用”  创建新物种。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑种类”对话框。

要将AIR设置为背景物种：

• 在导航视图（树）中，右键单击AIR，然后单击设置为背景种类。 

定义反应

下一步是定义反应。

• 在模型菜单上，单击编辑反应。 
• 单击“ 新建”，将名称命名为PVC，选择“ 复杂化学计量”，对于“ 燃料种类”，选择“  PVC”，然后单击“ 确定”。
• 单击燃烧热，  然后键入16400。
• 对于AIR，  类型为Reactant，对于NU类型为1。
• 对于PVC，所述类型是反应物和的值NU型1。
• 对于PRODUCTS，  类型是Product，对于NU类型1的值  。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑反应”对话框。

创建燃烧表面

要使用此反应，请定义释放燃料的表面：

• 在“ 模型”菜单上，单击“ 编辑曲面”。 
• 点击新建。对于Surface Name，键入Fire  ，对于Surface Type，选择Burner。单击确定。
• 输入所需的单位面积放热率值  。 
• 单击“ 确定”，然后关闭“ 编辑曲面”对话框。
• 将  火表面应用于燃烧障碍物或通风口。

聚氨酯和木材（PVC）的燃烧

 

复杂的化学计量：多种燃料的例子显示了木材反应的HRRPUV。

 

《FDS用户指南》 第13.2.2节中的示例显示了如何对两种同时燃烧的燃料（聚氨酯和木材）建模。在该实施例中，聚氨酯由化学式定义C₂₅H₄₂O₆N₂燃烧反应产生y_s=0.131和一个CO产量y_co=0.01。聚氨酯反应如下：

  

  

 

同样，木材由化学式定义，C₁H_1.7O_0.74N_0.002并且反应有一个y_s=0.015和一个CO产量y_co=0.004。木材反应为：

  

  

 

定义物种

 

在FDS计算中，O₂，N₂，H_2O，CO，CO₂和Soot将原始的品种，并且不会被跟踪。聚氨酯和木材将被定义为可追踪的原始物种。空气和两种燃烧产物将是被跟踪的集总物质。 

 

定义原始物种：

• 在模型菜单上，单击编辑种类。 
• 默认情况下，PyroSim包括“简单化学”反应所需的物质。我们将重新定义空气和产品种类，因此删除默认的  空气和产品。
• 其余品种有二氧化碳，一氧化碳，氮，氧，碳烟和水汽。
• 现在，我们将聚氨酯添加为新物种。单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为POLYURETHANE，选择“ 原始”，然后单击“ 确定”。 单击化学式，  然后键入C25H42O6N2。单击“ 应用”  创建新物种。 
• 同样，我们添加木材。单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为WOOD，选择“ 原始”，然后单击“ 确定”。 单击化学式，  然后键入  C1H1.7O0.74N0.002。单击“ 应用”  创建新物种。 

 

在此示例中，空气已简化为仅包含氧气和氮气。将空气定义为集总物种：

• 在“ 编辑物种”对话框中。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为AIR，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。
• 点击通过卷  ，然后键入 3.76的体积分数的氮和类型  1的  体积分数的氧。
• 单击“ 应用”  创建新物种。

 

将聚氨酯燃烧产物定义为集总物质。

• 在“ 编辑物种”对话框中。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为PRODUCTS_POLY，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。
• 点击按体积  并键入 19.791134  的体积分数的二氧化碳，键入  0.166587  的  容积率的一氧化碳，键入103.401209  的  体积分数的氮，键入5.602533  的  体积分数的烟尘，键入20.719873  的  体积分数的水VAPOR。
• 单击“ 应用”  创建新物种。

 

将木材燃烧产物定义为集总物种：

• 在“ 编辑物种”对话框中。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为PRODUCTS_WOOD，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。 
• 点击按体积  并键入0.964679  的体积分数的二氧化碳，键入0.003655  的  容积率的一氧化碳，键入3.838558  的  体积分数的氮，键入0.035184  的  体积分数的烟尘，键入0.848241  的  体积分数的水VAPOR。 
• 单击“ 应用”  创建新物种。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑种类”对话框。

 

要将AIR设置为背景物种：

• 在导航视图（树）中，右键单击AIR，然后单击设置为背景种类。 

 

定义反应

 

下一步是定义两个反应。首先是聚氨酯反应：

• 在模型菜单上，单击编辑反应。 
• 单击“ 新建”，将其命名为POLYURETHANE，选择“ 复杂化学计量”，对于“  燃料种类” ，请选择  POLYURETHANE， 然后单击“ 确定”。
• 单击燃烧热，  然后键入 26200。
• 为  AIR，所述  类型  是  反应物和的值  NU键入  27.234364。
• 对于  聚氨酯，所述  类型  是  反应物  和的值  NU型  1。
• 对于  PRODUCTS_POLY，  类型  为  Product，对于  NU类型为  1。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。

 

现在木材反应：

• 在“  编辑反应”对话框中。 
• 单击“ 新建”，将名称命名为“ WOOD”，选择“ 复杂化学计量”，对于“  燃料种类”，选择“  WOOD”， 然后单击“ 确定”。
• 单击燃烧热，  然后键入 16400。
• 为  AIR，所述  类型  是  反应物和的值  NU型  1.020627。
• 对于木材的  类型  是  反应物  和的值  NU型  1。
• 对于  PRODUCTS_WOOD，  类型  是  Product，对于NU类型  1的值  。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑反应”对话框。

我们希望这两种反应都活跃起来。默认情况下，创建的第一个反应将处于活动状态。要将两个反应都设置为活动状态：

• 在导航视图（树）中，在“ 反应” 下，确认“ 聚氨酯”处于活动状态。如果不是，请右键单击“ 聚氨酯”  ，然后单击“ 设置为活性反应”。 
• 在导航视图（树）中，在“ 反应” 下，右键单击“ WOODOLYURETHANE”  ，然后单击“ 设置为活动反应”。 

 

创建燃烧表面

 

我们定义了燃料和燃烧反应。下一步是定义从其释放燃料（热解）的表面。因为我们有两种燃烧燃料，所以必须通过指定来自地面的燃料的质量流量来实现。在此示例中，总HRR为1200 kW，每种燃料占总放热率的50％。我们通过指定从燃烧表面到每单位面积的质量流量来实现。在此示例中，将释放燃料的通风口的面积为1m ²  ，因此我们使用该面积和燃烧热来计算燃料流量。

  

 我们还希望每种燃料都遵循一定的坡度，以使火在初始时间从0kW开始，在10s时达到1200kW，在接下来的30s模拟中保持在1200kW。

当只有一种燃料时，我们可以使用燃烧器表面，但是对于多种燃料，我们可以使用供应表面。定义表面：

• 在“ 模型”菜单上，单击“ 编辑曲面”。 
• 点击新建。对于Surface Name，键入Fire  ，对于Surface Type，选择Supply。单击确定。
• 单击颜色框，然后将颜色更改为红色。
• 单击“ 指定单个物种的质量通量”。单击“ 物种注入”选项卡。 
• 首先定义聚氨酯的质量流速。在质量流量列中，输入  0.022901为聚氨酯。在升级类型列中，选择自定义。在“ 斜坡值”列中，单击“ 编辑值”，然后输入以下（时间，分数）对：（0,0），（10,1），（30,1）。单击确定。
• 现在定义木材的质量流速。在“ 质量通量”列中， 为WOOD键入0.036585。在升级类型列中，选择自定义。在“ 斜坡值”列中，单击“ 编辑值”，然后输入以下（时间，分数）对：（0,0），（10,1），（30,1）。单击确定。
• 单击“ 确定”，然后关闭“ 编辑曲面”对话框。

 

 

图6：定义聚氨酯质量流量的斜率。

 

 

设置抑制

 

使用多个化学反应时，必须设置SUPPRESSION = .FALSE。在MISC线上。这是自动完成的。如果要更改此默认选项：

• 在分析  菜单上，单击仿真参数。 
• 选择  其他选项卡。
• 选择所需的反应抑制选项。
• 单击“ 确定”关闭“ 解决方案参数”  对话框。

丙烷火焰中的烟尘沉积

 

复杂的化学计量：丙烷燃烧产生的烟尘沉积。

 

 

此示例基于《FDS用户指南》第13.5.1节“从丙烷火焰中沉积碳烟”。 

此示例说明如何定义调用FDS中气溶胶沉积模型的反应。燃料为丙烷，规定的烟so收率为0.05。请注意，这是人为制造的烟灰，仅用于演示和验证目的。”

产生的化学计量方程为：

  

 

定义物种

第一步是定义物种。在此模型中，O₂，N₂，H₂O和CO₂将被定义为原始物质，并且不会被跟踪。丙烷和煤烟将被定义为可追踪的原始物种。空气和燃烧产物将是被跟踪的集总物质。 

编辑物种：

• 在模型菜单上，单击编辑种类。 
• 默认情况下，PyroSim包括“简单化学”反应所需的物质。我们将重新定义空气和产品种类，并且将不使用，因此请删除默认的AIR， PRODUCTS和CARBON MONOXIDE  种类。
• 其余的物种是二氧化碳，氮，氧，烟灰和水蒸气。
• 添加丙烷作为物种。请注意，丙烷作为预定义物质包含在FDS中，表12.1.2预定义的气体和液体性质，因此我们无需定义化学式。单击“ 新建”，在“ 预定义”列表中选择“ 丙烷”，然后单击“ 确定”。
• 对于烟灰沉积，必须通过定义AEROSOL = .TRUE来明确跟踪。在SPEC线上。单击SOOT  ，然后  单击高级选项卡。在“  名称”列中键入  AEROSOL  ，在“  值”中  键入  .TRUE。 （包括两个期间）。点击  应用。 

在此示例中，空气已简化为仅包含氧气和氮气。将空气定义为集总物种：

• 在“ 编辑物种”对话框中。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将名称命名为AIR，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。
• 点击通过卷  ，然后键入 3.7619的体积分数的氮和类型  1的  体积分数的氧。
• 单击“ 应用”  创建新物种。

将燃烧产物定义为集总物质。

• 在“ 编辑物种”对话框中。 
• 单击“ 新建”，单击“ 自定义”，将其命名为“ 产品”，选择“ 集总”，然后单击“ 确定”。
• 点击按体积  并键入 2.81813  的体积分数的二氧化碳，键入18.10631  对于  体积分数的氮，并键入3.98990  的  体积分数的水汽。
• 单击“ 应用”  创建新物种。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑种类”对话框。

要将AIR设置为背景物种：

• 在导航视图（树）中，右键单击AIR，然后单击设置为背景种类。 

定义反应

下一步是定义反应。

• 在模型菜单上，单击编辑反应。 
• 单击“ 新建”，命名为“ 丙烷”，选择“ 复杂化学计量”，对于“  燃料种类”，选择“  丙烷”， 然后单击“ 确定”。
• 单击燃烧热，  然后键入 44715。
• 为  AIR，所述  类型  是  反应物和的值  NU键入  4.81308。
• 为  丙烷，所述  类型  是  反应物和的值  NU型  1。
• 对于  PRODUCTS，  类型  是  Product，对于NU类型  1的值  。
• 对于  SOOT，  类型  为  Product，对于NU的值，  类型为  0.20208。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑反应”对话框。

如何在墙上绘制积炭

要写出绘制表面沉积的边界数据：

• 在  输出  菜单上，单击  边界数量。
• 选择  [Species：SOOT]表面沉积。
• 单击“ 确定”关闭对话框。

系列反应

《FDS验证指南》第9.3节“反应机理的放热速率”中介绍了此示例。 

此示例“是一组具有原始物种的系列反应”。

在第一个反应中，丙烷和氧气产生一氧化碳和氢气：

  

在第二个反应中，一氧化碳（来自第一个反应）和氧气产生二氧化碳：

  

在第三个反应中，氢气（来自第一个反应）和氧气产生水蒸气：

  

定义物种

在FDS计算中，N₂， 丙烷 ，O₂，H₂，H₂O，CO₂和CO将是将被跟踪原始物种。定义种类后，默认情况下，PyroSim会自动选择“仅集总组件”的设置（即，是否仅在定义集总种类（例如空气）时使用该种类）。通常，自动选项是令人满意的，但是在这种情况下，我们需要手动设置“  二氧化碳”，“  一氧化碳”  和“  水蒸气”选项。

定义原始物种：

• 在模型菜单上，单击编辑种类。 
• 默认情况下，PyroSim包括“简单化学”反应所需的物质。删除  AIR，  PRODUCTS和  SOOT。
• 其余的物种是  氮气，  氧气，  二氧化碳，水蒸气和  一氧化碳。 
• 选择  二氧化碳，对于集总零件，仅选择FALSE。重复进行  一氧化碳  和  水蒸气。  
• 添加丙烷作为物种。单击“ 新建”，在“ 预定义”列表中选择“ 丙烷”，然后单击“ 确定”。
• 添加氢作为一种物质。单击“ 新建”，在“ 预定义”列表中选择“ 氢”，然后单击“ 确定”。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑种类”对话框。

要将NITROGEN设置 为背景物种：

• 在导航视图（树）中，右键单击NITROGEN  ，然后单击设置为背景物种。 

定义反应

下一步是定义三个反应。

• 在模型菜单上，单击编辑反应。 
• 单击“ 新建”，将其命名为“ 反应1”，选择“ 复杂化学计量”，对于“  燃料种类”，选择“  丙烷”，  然后单击“ 确定”。
• 为  丙烷，所述  类型  是  反应物和的值  NU型  1。
• 为  氧，所述  类型  是  反应物  和的值  NU键入  1.5。
• 对于  一氧化碳，所述  类型  是  产品和的值  NU型  3。
• 为  氢，该  类型  是  产品和的值  NU型4。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。

现在第二个反应：

• 在“  编辑反应”对话框中。 
• 单击“ 新建”，将其命名为“ 反应2”，选择“ 复杂化学计量”，对于“  燃料种类”，选择“ 一氧化碳”， 然后单击“ 确定”。
• 对于一氧化碳，所述  类型  是  反应物和的值  NU型  1。
• 为  氧，所述  类型  是  反应物  和的值  NU键入  0.5。
• 对于  二氧化碳，该  类型  是  产品和的值  NU型  1。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。

第三反应：

• 在“  编辑反应”对话框中。 
• 单击“ 新建”，将其命名为“ 反应3”，选择“ 复杂化学计量”，对于“  燃料种类”，选择“ 氢”， 然后单击“ 确定”。
• 为氢，该  类型  是  反应物和的值  NU型  1。
• 为  氧，所述  类型  是  反应物  和的值  NU键入  0.5。
• 对于WATER VAPOR，  类型  为  乘积，对于  NU类型为  1。
• 单击“ 应用”  创建新的反应。
• 单击“ 确定”关闭“ 编辑反应”对话框。

我们希望所有反应活跃。默认情况下，创建的第一个反应将处于活动状态。要将所有反应设置为活动状态：

• 在导航视图（树）中，在“ 反应”下，确认“ 反应1”  处于活动状态。否则，右键单击REACTION 1  并单击Set as Active Reaction。 
• 在导航视图（树）中，在“ 反应”下，右键单击“ 反应2”  ，然后单击“ 设置为活动反应”。 
• 在导航视图（树）中，在“ 反应”下，右键单击“ 反应3”  ，然后单击“ 设置为活动反应”。 

 

设置抑制

使用多个化学反应时，必须设置SUPPRESSION = .FALSE。在MISC线上。这是自动完成的。如果要更改此默认选项：

• 在分析  菜单上，单击仿真参数。 
• 选择  其他选项卡。
• 选择所需的反应抑制选项。
• 单击“ 确定”关闭“ 解决方案参数”  对话框。
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