«Перевод: ООО СИТИС Специальное издание НИСТ 1019-5 Программа FDS (Версия 5) Руководство пользователя Кэвин МсГраттан Брайн Клейн Симо Хостикка Джейсон Флойд В сотрудничестве с Техническим ...»

Специальное издание НИСТ 1019-5

Руководство пользователя

программы FDS (Версия 5)

Перевод: ООО «СИТИС»

http://www.fds-smv.ru

Специальное издание НИСТ 1019-5

Программа FDS (Версия 5)

Руководство пользователя

Кэвин МсГраттан

Брайн Клейн

Симо Хостикка

Джейсон Флойд

В сотрудничестве с Техническим научноисследовательским центром VTT Национальный институт стандартов и технологии Министерство торговли США 2 Специальное издание НИСТ 1019-5 Руководство пользователя программы FDS (Версия 5) Кэвин МсГраттан Лаборатория по пожарной безопасности НИСТ Гейтерсберг, Мэриленд, США Симо Хостикка Технический научно-исследовательский центр VTT Финляндии г. Эспо,Финляндия Джесон Флойд Корпорация «Hughes Associates»

Балтимор, Мэрилэнд, США Сентябрь Руководитель Министерства торговли США Карлос М. Гутьеррес Национальный институт стандартов и технологии Временно исполняющий обязанности директора Джеймс М.Тернер Для правильного описания технологии проведения испытаний или для общего представления в этом документе могут быть упомянуты некоторые коммерческие объекты, оборудование или материалы. Их упоминание не означает, что НИСТ рекомендует или одобряет их использование, или то, что данные объекты, материалы или оборудование являются наиболее доступными для реализации этой цели Национальный институт стандартов и технологии Специальное издание 1019-5, Специальное издание НИИСТ 1019-5, 186 страниц (Октябрь 2007) Кодифицирован: NSPUE

ПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ ТИПОГРАФИЯ США

ВАШИНГТОН: _ Руководитель отдела по документации, Правительственная типография США Интернет: bookstore.gpo.gov Тел: (202)512- Факс: (202) 512- Эл. почта: Stop SSOP, Washington, DC 20402- Предисловие В данном руководстве содержится описание применения программы FDS версии 5. В нем не дается теория. В справочнике «Техническое руководство по применению FDS» [1] содержатся подробное описание основных уравнений и методов численного решения. В руководстве пользователя FDS частично присутствует информация по применению сопутствующей программы визуализации данных для FDS под названием Smokeview.

Полностью ее функциональные возможности описаны в «Руководстве пользователя для Smokeview» 5 версии [2].

Отказ от ответственности Министерство торговли США не дает явных или косвенных гарантий пользователям программы FDS и не несет ответственность за ее использование. Согласно федеральному закону пользователи FDS единолично принимают на себя ответственность за:

правомерность использования программы; за любые выводы, и за любые предпринятые или не предпринятые по результатам расчетов действия.

Пользователи предупреждены, что программа FDS предназначена для использования только компетентными специалистами в областях гидродинамики, термодинамики, физики горения и теплопередачи, и что программа является лишь инструментом для принятия решений квалифицированным пользователем. Программный пакет - это компьютерная модель, которая может иметь, а может не иметь прогностической способности применительно к конкретному ряду практических задач.

Отсутствие точных прогнозов моделей может привести к ошибочным результатам в отношении пожарной безопасности. Все результаты должны быть оценены знающим человеком.

Информация об оборудовании или коммерческом программном обеспечении в этом документе не считается утвержденной НИСТ, также не означает, что эти программы лучше других подходят для определенных целей.

Об авторах Кэвин МсГраттан - математик Научно-исследовательской лаборатории по пожарной безопасности НИИСТ. В 1987 году получил степень бакалавров в области науки на инженерном факультете и прикладной науки в Колумбийском университете, затем защитил докторскую степень в Курантском институте Ньюйоркского университета в году. В 1992 году он стал сотрудником НИСТ и с тех пор занимается разработкой модели пожара, главным образом, программы FDS.

Симо Хостикка - старший ученый-исследователь в Техническом центре исследования VTT в Финляндии. Он является главным разработчиком подмоделей излучения и твердой фазы в FDS.

Джесон Флойд - главный инженер корпорации «Hughes Associates» в Балтиморе в штате Мэриленд. В университете Мэриленд он получил ученую степень бакалавра и защитил докторскую степень по программе «Ядерная техника». После окончания университета он выиграл конкурс на должность исследователя в Национальном научноисследовательском совете в Научно-исследовательской лаборатории по пожарной безопасности НИСТ, где разработал алгоритм горения для FDS. В настоящее время его финансирует НИСТ грантом 60NANB5D1205 программой «Исследование пожара» ( USC 278f). Он является главным разработчиком многопараметровой смешанной фракции модели горения и логики управления в FDS.

Брайан Клейн - специалист по информационным технологиям в Научноисследовательской лаборатории по пожарной безопасности НИСТ. До того как устроиться на работу в НИСТ он 5 лет проработал в корпорации «Western Fire Center», занимался разнообразными проектами, включая моделирование пожаров, программирование сбора данных и количественное измерение параметров пожара. В настоящее время он занимается разработкой FDS и пользовательской поддержкой наряду с экспериментальными проверочными работами.

Благодарность Программа FDS разрабатывалась почти 25 лет. Однако официально она была выпущена только в 2000 году. С первого ее выпуска выполнялись постоянные обновления, в большой степени основанные на замечаниях и предложениях от пользователей. Ниже приводится список тех, кто внес большой вклад в этот процесс.

В НИСТ благодарность Дэну Мадриковскому, Дагу Уолтону, Бобу Веттори, Дейву Струпу, Стиву Керберу и Нэльсону Бриннер, которые применяли FDS и Smokeview для расследования смертельных случаев при пожарах. В ходе этих исследований они получили ценную информацию о точности и возможности использования модели, сравнив проведенные масштабные измерения во время реконструкции картины пожара.

Обнаружив, что модели FDS могут использоваться для вероятностной оценки рисков ядерных установок, комиссия по ядерному регулированию США финансировала обслуживание и развитие FDS. Особая благодарность выражается специалистам NRC (Комиссия по ядерному регулированию США) Марку Салли и Джейсону Дрейсбах и специалисту SAIC (Международная корпорация прикладных исследований) Франциске Джоглару.

Общество инженеров по пожарной безопасности (SFPE) спонсирует учебный курс по использованию FDS и Smokeview. Специалисты Крис Вуд «ArupFire», Дейв Шеппард «Бюро по контролю продажей алкогольных напитков, табачных изделий и напитков и оружия» (ATF) и Даг Карпентер специалист науки возгорания и технологии совместно с Морганом Херли SFPE разработали материалы для курса.

Профессор Дэвид Макгилл колледжа Сенек, Онтария, Канада, руководил курсом дистанционного обучения по использовании FDS, а также поддерживал сайт, который обеспечивал необходимыми рекомендациями от пользователей.

Признательны Иану Томасу, Халиду Моунуддину и Яну Беннеттсу за их описание и предоставление данных для горения поддона с этанолом Профессору Иану Томасу Университета Виктории, который также провел небольшой курс по использованию FDS в Австралии. Его студенты провели некоторые испытательные работы.

Профессор Чарльз Флеишманн Кантерберийского Университета, Новая Зеландия также оказал ценную помощь при модернизации документации.

Профессор Джеймс Уайт младший корпорации “Western Fire Center” предоставил ценную информацию по усовершенствованию функциональности модели в области судебной науки.

Пол Харт «Swiss Re», Генди Правинрей Служба GAP и Лаборатории по технике безопасности - организация UL США предоставили рекомендации по движению капель воды на твердых предметах.

В заключение, на следующих страницах приводится список тех, кто добровольно уделил время и приложил усилия в «Эксплуатационных испытаниях» FDS и Smokeview в преддверии его официального выпуска. Их вклад неоценим, потому что нет никакого другого способа проверить все технические характеристики модели.

Бета – тестеры программы FDS Camille Azzi Universities of Glasgow and Strathclyde, Scotland Matthew Bilson Maunsell, Australia George Braga Federal District Fire Department, Brazil Keith Calder Senez Reed Calder Engineering, Canada Steven Chi Heng Lam Hoare Lea Fire Engineering, UK Doo Chan Choi Rolf Jensen &Associates, Inc., USA Marco Cigolini Italferr spa, Italy John Cutonilli Hughes Associates, Inc., USA Sylvain Desanghere CTICM (Centre Technique Industriel de la Construction Mtallique), Montu L. Das Gage-Babcock &Associates, USA and Canada Franck Didieux Laboratoire National de Mtrologie et d’Essais (LNE), France Johannes Dimyadi AstraVision-Solutions, New Zealand Bill Ferrante Roosevelt Fire District, USA Andreas Gerndt University of Louisiana, USA Emanuele Gissi Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, Comando Prov. di Genova, Italy Hsiao, Li Kai (Gary) Fire Bureau, Taipei, Taiwan Ilya N. Karkin SITIS Ltd., Russia Николаевич Susanne Kilian hhpberlin, Fire Safety Engineers, Germany Sung Chan Kim School of Mechanical Engineering, Chung Ang University, Korea Pierre-Louis Lamballais Flashover-Backdraft, France A. Leonardi StIL (Studio di Ingegneria Leonardi), Italy Jason Liu Warrington Fire Research, Australia TimothyLiu Locke CareyFire Consultants, UK Dave McGill Seneca College, Ontario, Canada Stephen Olenick Combustion Science &Engineering, Inc., USA Kristopher Overholt University of Houston-Downtown, USA PENG Wei State KeyLabortory of Fire Science, China Andrew Purchase Maunsell, Australia Christian Rogsch University of Wuppertal, Germany Ahmed Salem Alexandria University, Egypt Robert Schmidt Combustion Science &Engineering, Inc., USA Piotr Smardz Ahearne Fire Engineering Consultants, Ireland Jamie Stern-Gottfried Arup Fire, UK Blair Stratton Beca, New Zealand Содержание Предисловие

Отказ от ответственности

Об авторах

Благодарность

Содержание

Запуск FDS

Глава 1

Введение

1.1 Техническая характеристика FDS

1.2 Что нового в пятой версии FDS?

Глава 2

Начало работы

2.1 Где взять FDS и Smokeview?

2.2 Аппаратные требования

2.3 Требования к операционной системе компьютера

Глава 3

Запуск FDS

3.1 Запуск расчета FDS

3.2 Мониторинг процесса

Глава 4

Пользовательская поддержка

4.1 Номер версии

4.2 Описание часто встречающихся ошибок

4.3 Пользовательские требования и выявление ошибок

Создание входного файла FDS

Глава 5

Базовая структура входного файла

5.1 Наименование работы

5.2 Форматирование групп

5.3 Структура входного файла

Глава 6

Установка граничных значений времени и пространства

6.1 Наименование расчета: группа HEAD (таблица 13.6)

6.2. Время моделирования: группа TIME (таблица 13.24)

6.3. Вычислительные сетки: группа MESH (таблица 13.11)

6.4 Вспомогательные параметры: группа MISC (таблица 13.12)

6.5 Дополнительный вопрос: Нестандартные начальные условия: группа INIT (таблица 13.8)

6.6 Дополнительный вопрос: Границы настроек: группа CLIP (таблица 13.2)............. Глава 7

Построение модели

7.1 Создание препятствий: группа OBST (таблица 13.13)

7.2 Создание отверстий: группа HOLE (таблица 13.7)

7.3. Применение свойств поверхности: группа VENT (таблица 13.26)

Глава 8

Граничные условия

8.1 Основы

8.2 Описание граничных поверхностей: Группа SURF (таблица 13.22)

8.3 Эффекты, связанные с давлением: Группа ZONE (Таблица 13.26)

8.4 Описание действительных материалов: Группа MATL

8.5 Функции, задаваемые пользователем: Группы RAMP и TABL

8.6 Цвета препятствий, вентиляционных отверстий, поверхностей и сеток................. Глава 9

Модели горения и излучения

9.1 Модель доли в смеси: группа REAC

9.2 Дополнительные виды газа: группа SPEC

9.3 Горение с конечной скоростью

9.4 Перенос излучения: Группа RADI

Глава 10

Частицы и капли: группа PART

10.1 Базовые сведения

10.2 Контролирующие частицы и капли

10.3 Свойства частиц и капель

10.4 Особые типы частиц и капель

10.5 Цветные частицы и капли

10.6 Дополнительный вопрос: распыление топлива

10.7 Дополнительный вопрос: тушение водой (только для модели доли в смеси)...... Глава 11

Устройства и логические схемы

11.1 Расположение и ориентация устройств: Группа DEVC (Таблица 13.4)................ 11.2 Выходные данные устройств

11.3 Специальные устройства и их характеристики: Группа PROP (Таблица 13.16)... 11.4 Основные логические схемы

11.5 Расширенные функции управления: Группа CTRL

Глава 12

Выходные данные

12.1 Параметры управления выходными данными: группа DUMP

12.2 Опции выхода

12.3 Специальные выходные величины

12.4 Извлечение чисел из выходных файлов данных

12.5 Сводка выходных величин

Глава 13

Список входных параметров в алфавитном порядке

13.1 BNDF (Параметры граничного файла)

13.2 CLIP (Минимальные/максимальные ограничивающие параметры)

13.3 CTRL (Параметры функции управления)

13.4 DEVC (Параметры устройства)

13.5 DUMP (Параметры выходных данных)

13.6 HEAD (Параметры заголовка)

13.7 HOLE (Параметры отверстия)

13.8 INIT (Начальные условия)

13.9 ISOF (Параметры изоповерхности)

13.10 MATL (Свойства материала)

13.11 MESH (Параметры сетки)

13.12 MISC (Вспомогательные параметры)

13.13 OBST (Параметры препятствия)

13.14 PART (Лагранжевы частицы/капли)

13.15 PROF (Параметры профиля стены)

13.16 PROP (Свойства устройства)

13.17 RADI (Параметры излучения)

13.18 RAMP (Функция параметров RAMP)

13.19 REAC (Параметры реакции)

13.20 SLCF (Параметры послойного файла)

13.21 SPEC (Параметры веществ)

13.22 SURF (Свойства поверхности)

13.23 TABL (Параметры таблицы)

13.24 TIME (Параметры времени)

13.25 TRNX, TRNY, TRNZ (Преобразования сетки)

13.26 VENT (параметры вентиляционного отверстия)

13.27 ZONE (Параметры зоны давления)

Глава 14

Преобразование входных файлов более ранних версий в FDS 5

14.1 Параметры численного домена: GRID и PDIM

14.2 Препятствия, вентиляционные отверстия и отверстия: OBST, VENT, и HOLE. 14.3 Параметры поверхности: SURF

14.4 Параметры реакции: REAC

14.5 Параметры устройств: SPRK, HEAT, THCP

Типовая выборка и верификация

Глава 15

Методы проверки адекватности модели

15.1 Сопоставление с аналитическими решениями

15.2 Термодинамика

15.3 Излучение

15.4 Процессы в твердой фазе

Глава 16

Проверка кода программы

Глава 17

Численные тесты

17.1 Предпосылки

17.2 Гидродинамика

17.3 Горение

17.4 Датчики

17.5 Капли и мелкие брызги

17.6 Общая функциональность

Глава 18

Материалы

18.1 Проверка свойств твердой фазы

18.2 Термопластик

Глава 19

Примеры пожаров

19.1 Предпосылки

Глава 20

Анализ чувствительности

20.1 Чувствительность сетки

20.2 Чувствительность параметров масштабного моделирования вихрей.................. 20.3 Чувствительность параметров излучения

20.4 Чувствительность теплофизических свойств твердого топлива

20.5 Резюме

Работа с исходным кодом FDS

Глава 21

Компиляция FDS

21.1 Исходный код программы FDS

Глава 22

Форматы выходных файлов

22.2 Скорость выделения тепла и связанные с ней величины

22.3 Выходные данные об устройствах

22.4 Контрольные выходные данные

22.5 Данные о массе газа

22.6 Зависимость от состояния доли в смеси

22.7 Файлы слоя

22.8 Данные Plot3D

22.9 Граничные файлы

22.10 Данные о частицах

22.11 Файлы профилей

Список литературы

Алфавитный указатель

Часть I Запуск FDS Глава Введение Описанная в этом документе компьютерная Программа FDS (Fire Dynamics Simulator) реализует вычислительную гидродинамическую модель (CFD) тепломассопереноса при горении. FDS численно решает уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных температурно-зависимых потоков, особое внимание уделяется распространению дыма и теплопередаче при пожаре. В техническом руководстве FDS [1] содержатся формулировка уравнений и численный алгоритм.

Smokeview - эта специальная программа визуализации, которая применяется для отображения результатов моделирования FDS. Подробное описание Smokeview вы можете найти в руководстве пользователя Smokeview 5 версии [2].

1.1 Техническая характеристика FDS Первая версия FDS официально была выпущена в феврале 2000 года. На сегодняшний день приблизительно половина приложений модели служит для проектирования систем управления дымом и изучения активации спринклеров и детекторов. Другая половина служит для восстановления картины пожара в жилых и промышленных помещениях.

Основной целью FDS на протяжении своего развития было решение прикладных задач пожаробезопасности и в тоже время обеспечение инструментом для изучения фундаментальных процессов при пожаре.

Гидродинамическая модель FDS численно решает уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных температурнозависимых потоков, особое внимание уделяется распространению дыма и теплопередаче при пожаре. Основным алгоритмом является определенная схема метода предиктора-корректора второго порядка точности по координатам и времени.

Турбулентность выполняется с помощью модели Смагоринского «Масштабное моделирование вихрей» (LES). Прямое численное моделирование (DNS) можно выполнять, если лежащая в основе расчетная сетка достаточно точна. Масштабное моделирование вихрей – режим работы по умолчанию.

Модель горения В большинстве случаев в FDS применяется одноступенчатая химическая реакция, результаты которого передаются через двухпараметрическую модель доли в смеси (mixture fraction model). «Доля в смеси» в данном смысле - это скалярная величина, которая предоставляет массовую долю одного или более компонентов газа в данной точке потока. По умолчанию рассчитываются два компонента смеси: массовая доля несгоревшего топлива и массовая доля сгоревшего топлива (т.е. продуктов сгорания). Двухступенчатая химическая реакция с трехпараметрическим разложением доли в смеси раскладывается на одноступенчатые реакции - окисление топлива до монооксида углерода и окисление монооксила до диоксида. Три компонента в данном случае - несгоревшее топливо, масса топлива, которая завершила первый шаг реакции и масса топлива, которая завершила второй шаг реакции. Массовая концентрация всех основных реагентов и продуктов может быть получена с помощью «соотношения состояния». И, наконец, можно использовать многошаговую реакцию с конечной скоростью протекания.

Перенос излучения Лучистый теплообмен включен в модель посредством решения уравнения переноса излучения для серого газа и, для некоторых ограниченных случаев, с использованием широкодиапазонной модели. Уравнение решается с помощью метода, аналогичного методу конечных объемов для конвективного переноса, соответственно отсюда и название «метод конечных объемов» (FVM). При использовании приблизительно 100 дискретных углов вычисления лучистого теплообмена занимает примерно 20 % общего времени загрузки центрального процессора, небольшой расход задан уровнем сложности лучистого теплообмена.

Коэффициенты поглощения сажей и дымом вычислены с помощью узкополосной модели RADCAL. Капли жидкости могут поглощать и рассеивать тепловое излучение.

Это крайне важно при использовании распыляющих спринклеров, но имеет значение и для других спринклеров. Коэффициенты поглощения и рассеивания основаны на Геометрия FDS решает основные уравнения на прямоугольной сетке. Препятствия обязаны быть прямоугольными, чтобы удовлетворять сетке.

Составные сетки Этот термин используется для описания более чем одной прямоугольной сетки при вычислении. Несколько сеток стоит задавать, например, в случаях, когда вычислительный домен имеет неправильную форму и его сложно описать с помощью одной сетки.

Параллельная обработка данных Расчеты FDS можно запустить на нескольких компьютерах, используя интерфейс передачи сообщений (MPI). Подробную информацию вы можете найти в разделе Граничные условия На всех твердых поверхностях задаются тепловые граничные условия, плюс данные о горючести материала. Тепло- и массоперенос с поверхности и обратно рассчитывается с помощью эмпирических соотношений, хотя при выполнении прямого численного моделирования (DNS) можно вычислить передачу тепла и массы впрямую.

1.2 Что нового в пятой версии FDS?

FDS 5 отличается от предыдущих версии обработкой граничных условий и горением газовой фазы. Среди важных изменений следующие:

Многоступенчатые реакции горения В предыдущей версии FDS допускалась только одна реакция для газовой фазы.

Теперь благодаря схеме многоступенчатой реакции могут быть описаны зона тушения, производство CO, различные другие явления. Самым важным развитием в модели горения является более точное вычисление скорости выделения теплоты и лучшее моделирование локального тушения огня.

Слои вещества В предыдущих версиях подразумевалось, что твердые тела состоят из одного однородного слоя. Теперь поверхности могут быть смоделированы набором слоев материалов, каждый из которых задается через новую группу MATL. Из-за этого изменения прежние входные файлы устаревают.

Формат командной строки FDS по-прежнему запускается из командной строки, но порядок запуска немного отличается от предыдущих версий. Для подробной информации смотрите раздел 3.

База данных Для описания параметров материалов и реакций в предыдущих версиях в FDS использовался отдельный файл «база данных». Этот файл больше не применяется, теперь все параметры должны быть заданы во входном файле.

Описание устройств Изменился метод описания устройств и датчиков (спринклеров, термодетекторов, термопар и.т.д.). Для более подробной информации по определению устройств и их свойств смотрите главу 11.1. Любое устройство может быть использовано для управления запуском спринклера, создания/удаления вентиляционных отверстий и препятствий.

Спринклеры Внешние файлы спринклеров, которые применялись в предыдущих версиях, больше не используются. Вся информация о спринклерах и других устройствах, которые применяются при пожаре, должна быть представлена во входном файле. Теперь спринклеры определяются новым вышеуказанным методом описания устройств. Для более подробной информации смотрите главу 11.1.

Функции управления Новая группа входных параметров описывает функции, которые контролируют активацию спринклеров, создание/удаление вентиляционных отверстий и препятствий и использование кода (завершение или перезапуск расчетов). Для подробной информации смотрите главу 11.5.

Численная сетка В предыдущих версиях FDS для определения численной сетки и расчетного домена использовались отдельные группы входных параметров. Теперь эти две группы объединены в одну упрощенную группу MESH. Группы PDIM и GRID не должны больше использоваться во входном файле. Для более подробной информации смотрите главу 6.3.

Зоны давления В FDS можно выделять зоны в вычислительной области, чтобы задать фоновое давление, отличное от давления окружающей среды, учитывать утечки, кривую вентилятора и.т.д. Более подробную информацию смотрите в главе 8.3.

Образование тяги и стратификация атмосферы Для того чтобы лучше описать стратифицированную атмосферу и движение воздуха в высоких зданиях при перепадах температуры внутри и снаружи, была выполнена модернизация.

Адиабатическая температура поверхности Чтобы облегчить использование выходных данных FDS в тепловых и технических моделях конечных элементов, была добавлена новая выходная величина. Для подробной информации смотрите главу 8.2.2.

Разработка, распространение и формальная поддержка пользователей Начиная с FDS 5 среда разработки открытого кода SourceForge.net используется для управления конфигурацией (архивирование кода, модификация трекинга, корректировка ошибок, поддержка пользователей и т.д.). Для подробной информации смотрите главу 2.1.

Руководство по верификации и валидации работы программы FDS Начиная с FDS 5 будет создаваться многотомный документ с отчетами по верификации и валидации работы программы FDS. Это улучшает качество обновлений FDS, поскольку стандартный тестовый комплекс теперь будет использоваться для проверки выходных данных FDS, чтобы выполненные изменения в исходной программе не снизили точность расчетов. Это также обеспечит пользователей стандартным набором данных для проверки своих установок FDS и для сравнения результатов, которые передаются обратно программой FDS на их систему опубликованных данных.

Глава Начало работы FDS - это компьютерная программа, моделирующая процесс пожара. Программа, написанная на Fortran, считывает входные параметры из текстового файла, численно решает систему основных уравнений и записывает определенные пользователем выходные данные в файлы.

Smokeview - сопутствующая программа, которая отображает выходные файлы FDS в графическом формате. В Smokeview имеется графический интерфейс, в FDS его нет, однако существуют сторонние программы с графическим интерфейсом, которые создают текстовые файлы с входными параметрами, необходимыми для FDS.

В данном руководстве описано, где взять FDS и Smokeview и как использовать FDS. В отдельном документе описывается применение Smokeview [2]. Другие инструменты для FDS и Smokeview вы можете найти на веб-сайте.

2.1 Где взять FDS и Smokeview?

Дополнительную информацию по загрузке исполняемых файлов, руководствам, исходным программ и системным программам, вы можете найти на сайте FDS-SMV http://fire.nist.net/fds. Обычно FDS/Smokeview распространяется инсталляционным пакетом или сжатым архивом, которые доступны для MS Windows, MacOSX, и Linux. О других операционных системах вы можете узнать на сайте.

Если вы хотите сохранить предыдущую версию FDS и Smokeview, скопируйте инсталляционный пакет в любое место, тогда во время обновления он не перезапишется.

2.2 Аппаратные требования Для эффективной работы в FDS требуется высокоскоростной центральный процессор и достаточный объем оперативной памяти. При минимальных технических требованиях система должна иметь 1 ГГц ЦПУ и, по крайней мере, 512 Мб оперативной памяти.

Скорость центрального процессора определяет продолжительность вычисления, в то время как объем оперативной памяти определяет количество ячеек сетки, которое может быть сохранено в памяти. Большой жесткий диск необходим для сохранения результатов вычислений. Нередко один расчет занимает более гигабайта на жестком диске.

Большинство приобретенных за последние несколько лет компьютеров подходят для работы Smokeview, с условием, что оперативной памяти не меньше 512 Мб. Таким образом, компьютер может отображать результаты на диск без «свопинга». При использовании Smokeview также важно иметь видеокарту на ПК, который используется для отображения результатов вычислений FDS.

Для параллельных вычислений, версия MPI (Интерфейс передачи сообщений) FDS будет работать через стандартную сеть 100 Мбит/с. В сети 1 Гбит или 1000 Мбит/с уменьшается время ожидания и улучшается передача данных между узлами.

2.3 Требования к операционной системе компьютера FDS и Smokeview сделаны общедоступными для того, чтобы практикующие инженеры по пожарной безопасности могли выполнить моделирование пожара на современном уровне и при умеренных затратах. Поэтому FDS и Smokeview разработаны для компьютеров, которые поддерживают Microsoft Windows, MacOSX, и различные версии Unix/Linux.

MS Windows Необходим инсталляционный пакет для операционной системы Windows. Не рекомендуется использовать FDS/Smokeview под версией MS Windows, предшествующие версии Windows 2000.

Mac OS X Zip-архив X Mac OS X Tiger FDS доступен для обеих архитектур PowerPC и Intel.

Рекомендуется использовать версии OSX10.4.x или выше; версии, предшествующие 10.4х официально не поддерживаются. Пользователи всегда могут загрузить последнюю версию оригинала и скомпилировать FDS для других версии OSX (Подробности смотрите в приложение 21).

Unix, Linux Пользователи Unix, Linux могут установить FDS и Smokeview, загрузив соответствующие предварительно скомпилированные исполняемые файлы и установив их в любом месте, где посчитают нужным. Если предварительно скомпилированный исполняемый файл не работает (обычно это происходит из-за несовместимости библиотек) исходный код FDS может быть загружен и скомпилирован при помощи Fortran 90 и Ccompiler (для подробной информации смотрите приложение 21). Если Smokeview не работает на рабочей станции Linux или Unix, для просмотра выходных данных FDS вам нужно использовать Windows Параллельные вычисления в FDS Если вы хотите использовать FDS для параллельных вычислений, на каждом компьютере в сети должен быть установлен интерфейс передачи сообщений.

Сведения об установке интерфейса передачи сообщений на разных компьютерных программах даются на Web-сайте FDS. Для более подробной информации смотрите на сайте раздел «Разработка».

Глава Запуск FDS В этой главе описывается процедура запуска расчетов FDS.

Любого расчета FDS необходим для входной файл. Создание входных файлов подробно описано во II части. Если вы плохо знакомы с FDS и Smokeview, настоятельно рекомендуем начать с имеющегося входного файла, запускать его как есть, а затем изменять в соответствии с расчетным сценарием. Образцы входных файлов содержатся в стандартном установочном пакете. Используя образцы, вы познакомитесь с процедурой запуска, научитесь пользоваться Smokeview и убедитесь, что ваш компьютер готов к выполнению задач.

3.1 Запуск расчета FDS FDS может быть запущен из командной строки или сторонним графическим интерфейсом пользователя (GUI). В последующем обсуждении предполагается, что FDS запускается из командной строки. FDS может быть запущен на одном компьютере с использованием одного ЦПУ или на нескольких компьютерах с несколькими процессами. Для любой операционной системы существует два исполняемых файла. Однопроцессорный исполняемый файл для Windows называется fds#.exe. Исполняемый файл для параллельных вычислений называется fds#_mpi.exe. В названии файла буквы “mpi” обозначают «Интерфейс передачи сообщений».

Обратите внимание на то, что входной файл для обеих версии одинаковый. На самом деле перед запуском параллельного расчета вам стоит запустить входной файл в обычном режиме, чтобы убедиться в его правильном написании.

3.1.1 Запуск расчета FDS (Однопроцессорная версия) Перед тем, как писать входной файл, начинающим пользователям рекомендуется запустить файл из примера. Предполагается, что входной файл с названием job_name.fds находится в отдельной папке. Запустить программу можно в командной строке DOS или Unix следующим образом:

MS Windows Откройте окно командной строки и выберите папку (“cd”) в которой находится нужный входной файл, затем запустите код, напечатав в командной строке:

fds5 job_name.fds Символьная строка job_name во входном файле обычно обозначается как CHID.

Рекомендуется называть входной файл и CHID одинаково, чтобы все файлы одного расчета имели одно название. Процесс моделирования отображается с помощью выходной диагностики, которая выводится на экран. Подробные диагностические данные автоматически записываются в файл CHID.out, где CHID является символьной строкой, обычно такой же, как job_name, обозначенной во входном файле. Вывод данных на экран может быть переадресован в файл через альтернативную команду.

fds5 job_name.fds > job_name.err Mac OS X, Unix, Linux В зависимости от типа установки вам нужно установить разные пути или переменные среды, для того чтобы запускать FDS, не прописывая полный путь к исполняемому файлу.

Простейший способ - «псевдоним» в вашей оболочке запускаемого скрипта. В ниже приведенном примере предполагается, что fds5 соответствует своему полному пути. Для того, чтобы сделать файл исполняемым, вам может понадобиться“chmod+x”. Сделав это, запустите FDS, набрав в командной строке следующее:

fds5 job_name.fds входные параметры считываются из файла job_name.fds, а сообщения об ошибке и другие неисправности отображаются на экране. Для того чтобы запустить программу в фоновом режиме необходимо:

fds5 job_name.fds >& job_name.err & Обратите внимание, что во втором случае вывод данных на экран сохранился в файле job_name.err, а подробная диагностика автоматически сохранится в файле CHID.out, где CHID - это символьная строка обычно такая же, как job_name, задаваемая во входном файле. Программы лучше запускать в фоновом режиме, чтобы не занимать консоль.

3.1.2 Запуск расчетаFDS (Многопроцессорная версия) Запуск FDS через сеть с помощью многопроцессорной версии и многоблочной памяти несколько сложнее, чем запуск однопроцессорной версии. От пользователя потребуется больше усилий по обеспечению бесперебойного соединения между устройствами. Это подразумевает создание учетной записи для конкретного пользователя на каждом устройстве, совместное использование каталогов, увеличение скорости сети, порядок взаимодействия устройств между собой и.т.д. Некоторые из этих задач выполняются программным обеспечением для параллельной обработки данных, другие нет. Безусловно, в последующие годы процесс будет упрощен, но в настоящее время параллельная обработка данных все еще является относительно новым разделом и требует больше опыта и знаний в плане понимания как операционной системы, так и сетевого подключения компьютеров.

Для того чтобы несколько компьютеров могли выполнять единый расчет, применяется интерфейс передачи сообщений [3]. Фактически, расчет должен быть разделен на несколько частей, для работы с каждой из которых назначается отдельный процессор. Каждый процессор управляет работой FDS в своей конкретной части, а Интерфейс передачи сообщений регулирует передачу данных между ними. Существуют разные методы применения интерфейса передачи сообщений подобно разным компиляторам Fortran и C. Практически, каждое из них - это библиотечная подпрограмма, вызываемая FDS, которая передает данные с одного потока в другой через сеть. Этот формат вызова подпрограммы широко распространен, он предоставляет возможность различным поставщикам и организациям свободу в разработке компьютерных программ, когда речь идет об открытом коде.

Способ параллельного запуска FDS зависит от версии установленного MPI. В настоящее время в НИИСТ параллельная версия MPI запускается на Windows PCs, которая соединена локальной сетью (локальная сеть, 100 Мбит/с) или на кластере Linux PCs, соединенный специальной скоростной сетью. Для Windows применяют MPICH2, бесплатную версию интерфейса передачи сообщений Аргоннской национальной лаборатории США.

MPICH Параллельные вычисления в FDS могут быть выполнены с помощью MPICH2 как в командной строке, так и графическим интерфейсом пользователя (GUI). После того как библиотеки MPICH2 установлены на каждом компьютере и необходимые каталоги открыты для общего доступа, FDS запускается с помощью команды с одного из компьютеров mpiexec -file config.txt Здесь cong.txt - это текстовый файл, который содержит название и путь к исполняемому файлу FDS, название входного файла FDS, рабочие каталоги и названия компьютеров, на которых запускают программу. Например, файл cong.txt для запуска программы в НИСТ с помощью компьютеров re_1, re_2, and re_3, мог выглядеть следующим образом:

exe \\fire_1.nist.gov\NIST\FDS\fds5_mpi.exe job_name.fds dir \\fire_1.nist.gov\Projects\ hosts fire_1.nist.gov fire_2.nist.gov fire_3.nist.gov Числа, следующие за «host» представляют число потоков для запуска на определенной машине. В данном примере 5 потоков запускаются для вычисления FDS, которые имеют сети. Каталоги exe and dir должны иметь право доступа на запись и чтение.

Все компьютеры должны иметь доступ к исполняемому файлу и рабочему каталогу fire_1.

В Windows это выполняется с помощью функции «общий доступ». Под Unix/Linux и OSX, в процессе задействуется перекрестное соединение файловых систем разных машин.

LAM-MPI На кластере Linux в Научно-исследовательской лаборатории по пожарной безопасности при НИСТ Индийским университетом1 была запущена LAM-MPI. С помощью LAM/MPI, предварительно соединенные компьютеры конкретной функцией FDS будут использоваться отдельной командой, которая называется “lamboot.” В этом случае FDS запускается командой:

mpirun -np 5 fds5_mpi job_name.fds где символ 5 обозначает, что используется 5 процессоров. В этом случае, исполняемый файл fds5_mpi расположен в рабочем каталоге. Для запуска процесса в фоновом режиме:

mpirun -np 5 fds5_mpi job_name.fds >& job_name.err & В файле job_name.err содержится то, что обычно выводится на экран.

Обратите внимание, что существуют разные версии MPI, некоторые из них бесплатные, другие нет. FDS была разработана для работы с любыми известными версиями без особого вмешательства пользователя. Тем не менее, помните, что параллельная обработка данных - это относительно новая область информатики и в будущем все изменится.

http:// www.lam-mpi 3.2 Мониторинг процесса В файл, который называется CHID.out. записывается диагностика расчета. Здесь также записаны загрузка центрального процессора и время моделирования, таким образом, вы можете узнать время работы программы. Smokeview можно запустить в любой момент, и проверить функционирование визуально. Чтобы остановить вычисление до истечения времени, выполните одно из двух действии: прервите процесс или, что более желательно, создайте в каталоге, где находятся выходные файлы, файл CHID.stop. Наличие такого файла корректно останавливает расчет и выводит последние данные для просмотра в Smokeview.

Поскольку вычисления могут длиться несколько часов или дней, в FDS есть функция перезапуска. Подробности о применении такой функции даются в главе 6.4.1.

Если кратко - в начале вычисления нужно определить, как часто должен сохраняться файл «Restart». Если что-то прервет вычисление, например отключение электричества, вычисление может быть возобновлено с того момента, когда был сохранен последний файл для перезапуска.

Можно также контролировать время останова и вывод файлов перезапуска с помощью функций управления, которые описаны в главе 11.5.

Глава Пользовательская поддержка Нередко во время запуска расчета мы сталкиваемся с разными проблемами, одни связаны с FDS, а другие с компьютером. FDS – не типичная прикладная программа ПК. Это важный расчет, который максимально использует все возможности процессора и памяти компьютера. На самом деле в FDS не существует жестко установленных ограничений, которые не дали бы вам запустить слишком тяжелый для вашего компьютера расчет. При том, даже если вашему компьютеру достаточно оперативной памяти, выполнение некоторых расчетов может занять недели или месяцы. В начале моделирования сложно предсказать, сколько потребуется времени и памяти. Научитесь контролировать использование ресурсов вашего компьютера. Начните с маленьких расчетов и постепенно переходите к большим.

Хотя многие функции в FDS достаточно развиты, многие еще требуют доработки.

FDS применяется в практических инженерных приложениях, а также для исследования пожаров и физики горения. Фактически, одной из самых сложных задач в применении программы является моделирование пожара в комнате, обставленной обычной мебелью.

Поэтому будьте терпеливы и учитесь разбивать сценарий на составные части. Например, не пытайтесь моделировать распространение пожара по всему этажу здания, если вы не моделировали горение разных горючих материалов в небольших расчетах. Примеры, описанные в части Ш, помогут вам разработать большие, сложные модели из небольших стандартных блоков.

Помимо руководства пользователя FDS в Интернете есть дополнительные ресурсы.

К ним относятся: «Issue tracker», который позволит вам сообщать об ошибках, отправлять запросы о расширении возможностей и задавать уточняющие вопросы, и форум «Group Discussions», на котором рассматриваются общие проблемы работы с программой, а не конкретные ошибки. Перед применением этих онлайн ресурсов стоит сначала попробовать самим решить проблемы, выполняя простые тестовые расчеты или устраняя ошибки во входном файле. В следующих разделах приведен список сообщений об ошибках и советы по решению проблем.

4.1 Номер версии Если в FDS произошли неожиданные сбои, вам необходимо не только описать суть проблемы, но и сообщить номер версии FDS. Каждый релиз программы FDS имеет номер версии, например 5.2.6, где первая цифра обозначает главную версию, второй – второстепенную версию, и третий – отладочную версию. Главные версии выпускаются раз в несколько лет и, как видно из названия, подразумевают существенное изменение в функциональных возможностях модели. Второстепенные версии выпускаются раз в несколько месяцев, и могут включать незначительные изменения функциональных возможностей. Информация по версии может помочь вам решить, повлияют ли изменения на выполняемые вами виды работ. Отладочные версии - это только исправление ошибок, они не затрагивают функциональные возможности программы. Для того чтобы узнать номер версии просто наберите исполняемый файл в командной строке:

fds и необходимая информация появится вместе с датой компиляции (необходимой вам) и так называемым SVN - номером (необходимым нам). SVN - номер обозначает номер репозитория подверсии исходной программы (Subversion repository number). Это позволит нам вернуться назад и восстановить верные файлы исходной программы, которые были использованы при создании этого исполняемого файла.

Возьмите себе за правило проверять номер версии исполняемого файла, периодически проверять новые выпуски, в которых возможно уже найдено решение вашей проблемы, и, сообщая о проблеме, информировать нас о том, какой версией вы пользуетесь.

4.2 Описание часто встречающихся ошибок Расчет FDS может завершиться до того, как пользователь установил временной предел.

Ниже дается список сообщений об общих сбоях и методах их выявления:

Ошибки во входном файле: Большинство часто встречающихся ошибок в FDS происходят из-за неправильного ввода операторов. Результат таких ошибок – немедленное завершение программы и вывод сообщения, например: «Ошибка: Сбой в строке HEAD» (“ERROR: Problem with the HEAD line”). При таких ошибках, проверьте строку во входном файле, которая указана в сообщении об ошибке. Убедитесь, что названия параметров записаны правильно, заглавными буквами. Убедитесь что в конце каждой строки поставлен / (прямой слэш). Убедитесь, что для каждого параметра используется верный тип данных, например, одно действительное число или несколько целых чисел и.т.п. Убедитесь, что нет символов, несоответствующих коду ASCII (Американский стандартный код для обмена информации), так как это иногда происходит при копировании текста из другой программы или программного средства обработки текстов. Убедитесь что ноль написана цифрой, а О - это буква О, что цифра 1 - не знак «!», что строки символов заключены в апострофы. Убедитесь, что текстовый файл в системе Unix/Linux не был создан в системе ДОС или наоборот. Удостоверьтесь, что все перечисленные параметры все еще используются, так как часто новые версии FDS опускают или меняют параметры и заставляют пересмотреть прежние входные файлы.

Ошибки при неустойчивости численного решения: Во время расчета возможна ситуация, когда скорость потока в некоторых ячейках домена из-за численных ошибок возрастает, заставляя программу уменьшать шаг по времени до тех пор, пока логика в коде не решит, что результат нефизичен, и не остановит расчет, записав сообщение об ошибке в файле CHID.out. В этих случаях расчет завершается, создается последний файл Plot3D, предоставляя пользователям возможность обнаружить, в каком месте в расчетном домене произошла ошибка. Обычно неустойчивость численного решения можно определить по ложным большим векторами скорости в небольшой зоне внутри домена. Часто причиной такой неустойчивости являются сетки, соотношение размеров ячеек которых больше чем к 1, высокая скорость потока через небольшое отверстие, резкие изменения тепловой мощности или другие резкие изменения в поле течения. В зависимости от ситуации существуют разные способы решения этих проблем. Попытайтесь выявить проблему перед тем, как сообщать о ней. Создателю входного файла гораздо проще выявить проблему, чем кому бы то ни было.

Нехватка вычислительных ресурсов. Для выполнения расчета может потребоваться больше оперативной памяти, чем есть у компьютера, или выходные файлы могут израсходовать весь доступный объем диска. В этих случаях, компьютер может вывести, а может не вывести вразумительное сообщение об ошибке. Иногда компьютер просто не реагирует. Ответственность за обеспечение компьютера памятью необходимой для выполнения расчета лежит на пользователе. Помните, что нет ограничений по объему или длительности расчетов FDS, это зависит от вычислительных ресурсов. При любом новом моделировании попытайтесь сначала выполнить расчет на грубой сетке, а затем постепенно уменьшайте ее до тех пор, пока компьютер уже не сможет справиться с этой задачей. Затем вернитесь к размеру сетки, при которой компьютер мог выполнить задание. Не пытайтесь выполнить расчет, используя от 90% до 100% компьютерной памяти. Это рискованно. По отзывам пользователей, для стандартного Windows ПК с памятью 4Гб для расчета FDS используется только 2 Гб.

Ошибки при выполнении программы: Ошибки происходят как в операционной системе компьютера, так и в программе FDS. Сообщение об ошибке выводится на экран или в выходной файл. Многим людям, даже программистам, эта ошибка непонятна, хотя иногда кто-то находит маленький ключ к разгадке, если упоминается конкретная неполадка как, например: «переполнение стека», «деление на нуль» или «файл пишет ошибку, устройство=…». Эти ошибки могут быть вызваны сбоем в программе FDS, например, если число делится на нуль или массив был использован до того, как его определили, или рядом других ошибок. Перед тем как передать ошибку в SourceForge Support Tracker, постарайтесь систематически упростить входной файл до исчезновения ошибки. Обычно этот процесс позволяет выявить параметры расчета, которые приводят к сбоям, и помогает в их устранении.

Пуассоновская инициализация: Иногда в самом начале расчета возникает ошибка, указывающая на что в «Пуассоновской инициализации» произошел сбой. В FDS используется уравнение давления, известное как «уравнение Пуассона».

Пуассоновский решатель состоит из большой системы линейных уравнений, которая должна быть инициализирована при запуске расчета. Очень часто ошибка, произошедшая при инициализации, связана с размером сетки, которая меньше чем (за исключением двумерного расчета). Возможно, также в координатах вычислительного домена что-то в корне неправильное. Выявите ошибку, проверив линии MESH во входном файле.

4.3 Пользовательские требования и выявление ошибок Так как FDS постоянно усовершенствуется, часто возникают сбои, связанные с разными подпрограммами и функциями. Разработчикам нужно знать, если определенная функция не работает, и они заинтересованы в сообщениях о происходящих сбоях. Однако сбой должен быть точно определен. Самый лучший способ определить его - максимально упростить входной файл, чтобы можно было выявить ошибку. Также ограничьтесь сообщениями об ошибках в тех функциях, которые явно не работают. Физические проблемы, такие как пожар, который не воспламеняется, пламя, которое не распространяется и.т.д. - могут быть связаны с разрешающей способностью сетки или формулировкой сценария, и перед тем как сообщить о них, пользователь должен как следует их изучить. Если сообщение об ошибке в операционной системы, а не в FDS, сначала исследуйте явные причины, такие как: емкость памяти, объем диска и.т.д.

Если это не решит проблему, подробно сообщите об ошибке и связанных с ней последствиях. Входной файл должен быть упрощен максимально, для того чтобы ошибка проявилась в начале расчета. В случае необходимости приложите упрощенный входной файл, следуя инструкции на web-сайте. Так разработчики смогут быстро запустить входной файл, в котором произошел сбой, и выявить его.

Внимание: Сообщения о конкретных сбоях, запросы о функциональности и улучшениях должны быть отправлены в «Issue Tracker», но не в дискуссионную группу.

Часть II Создание входного файла FDS Глава Базовая структура входного файла 5.1 Наименование работы Работа FDS основана на однократном вводе текстового файла1, содержащего параметры, которые организованы в группы2. Входной файл обеспечивает FDS всей необходимой информацией для описания сценария. Входной файл сохраняется с именем вида job_name.fds, где job_name является произвольной последовательностью символов, позволяющей идентифицировать расчет. Если та же самая последовательность символов повторяется в группе HEAD внутри входного файла, то и все выходные файлы в расчете будут иметь это общее имя.

В названии работы не должно быть пробелов. Вместо них используйте символ подчеркивания. Символы подчеркивания вместо пробела также относятся к обычной практике названия директорий.

Не забывайте, что FDS просто перепишет выходные файлы, если задано то же имя.

Это удобно при модификации входного файла, так как помогает экономить место на диске. Просто будьте осторожны, чтобы не переписать расчеты, которые вы хотите сохранить.

5.2 Форматирование групп Параметры во входном файле распределены по группам. Каждая группа начинается со знака амперсанда &, за которым сразу следует название группы, затем список входных параметров, разделенных запятыми и в конце прямой слэш. Например, строка &DUMP NFRAMES=1800, DT_HRR=10., DT_DEVC=10., DT_PROF=30. / задает значения различных параметров, содержащихся в группе DUMP. Значения этих параметров объясняются в последующих главах. Параметры одной группы можно записывать в несколько строк, но обязательно нужно поставить «/» в конце записи, иначе данные не будут распознаны. Не записывайте между знаками «&» и «/» ничего кроме параметров и значений этих параметров. В противном случае FDS остановится сразу после запуска.

Параметры внутри группы могут быть разделены запятыми, пробелами, разрывом строки. Очень удобно использовать запятые или разрывы строк. Некоторые машины не распознают пробелы. В файл можно вписать комментарии или заметки при условии, что непосредственно перед «&» нет ничего кроме пробела, и ничего не стоит между амперсандом (&) и слэшем (/), кроме нужных параметров, соответствующих данной группе списка имен.

Параметры входного файла могут быть целыми числами (T_END=5400), действительными числами (CO_YIELD=0.008), группами действительных и целых чисел (XYZ=6.04,0.28,3.65) или (IJK=90,36,38), символьными строками (CHID=’WTC_05_v5’), группами символьных строк (SURF_IDS=’burner’,’INERT’,’INERT’), или логическими параметрами (POROUS_FLOOR=.FALSE).

Логический параметр может иметь значение либо.TRUE., либо.FALSE., где точки являются условными обозначениями FORTRAN. Символьные строки должны ASCII – American Standard Code for Information Interchange Группа – это входная запись Fortran записываться в точности, как в руководстве: код восприимчив к регистру, и знаки подчеркивания имеют значение.

Большинство входных параметров – это действительные или целые скалярные величины, например, DT=0.02, но иногда входные данные представляют собой многомерные массивы. Например, при описании твердой поверхности вам необходимо выразить массовые доли разнородных материалов, из которых состаят слои. Входной массив MATL_MASS_FRACTION (IL,IC) предназначен для задания массовой доли компонента IC слоя IL. Например, если массовая доля второго материала третьего слоя 0.5, то пишем:

MATL_MASS_FRACTION(3,2)=0. Чтобы ввести более одной массовой доли, делается запись типа:

MATL_MASS_FRACTION(1,1:3)=0.5,0.4,0. которая означает, что первые три материала слоя 1 имеют массовые доли 0,5, 0,4 и 0, соответственно. Запись 1:3 означает элементы массива 1-3 включительно.

Имейте в виду, что символьные строки могут быть заключены либо в апострофы, либо в вопросительные знаки. Не создавайте файл, просто скопировав текст откуда-нибудь, кроме простого текстового редактора. В противном случае знаки пунктуации могут быть некорректно переданы в текстовый файл.

5.3 Структура входного файла Вообще группы параметров могут быть записаны во входной файл в любом порядке, но лучше всего организовать их систематически. Обычно общая информация перечислена ближе к началу входного файла, а подробная информация, такая как препятствия, устройства и т.д. приводится ниже. FDS сканирует весь входной файл каждый раз, когда обрабатывает определенную группу списка имен. При работе с некоторыми текстовыми редакторами было замечено, что последняя строка файла часто не читается FDS из-за отсутствия знака «конец файла». Чтобы FDS прочитала весь входной файл, добавьте в качестве последней строки в конце входного файла. Это позволяет сделать файл цельным от &HEAD до &TAIL.

Другое практическое правило при написании входных файлов заключается в добавлении только тех параметров, значение которых должно отличаться от их значения по умолчанию. В этом случае вам будет легче различить, что нужно вам и что необходимо FDS. Комментарии можно добавлять в любом количестве, при условии, что они не попадают в группу параметров.

Общая структура входного файла приведена ниже. Многие строки исходного входного файла3 удаленны для простоты восприятия.

&HEAD CHID='WTC_05_v5', TITLE='WTC Phase 1, Test 5, FDS version 5' / &MESH IJK=90,36,38, XB=-1.0,8.0,-1.8,1.8,0.0,3.82 / &TIME T_END=5400. / &MISC SURF_DEFAULT='MARINITE BOARD', TMPA=20., POROUS_FLOOR=.FALSE. / &DUMP NFRAMES=1800, DT_HRR=10., DT_DEVC=10., DT_PROF=30. / &REAC Существующий входной файл WTC_05_v5.fds является частью «комплекса проверки правильности FDS».

ID = 'HEPTANE TO CO2' FYI = 'Heptane, C_7 H_16' C =7.

H = 16.

CO_YIELD = 0. SOOT_YIELD = 0.015 / &OBST XB= 3.5, 4.5,-1.0, 1.0, 0.0, 0.0, SURF_ID='STEEL FLANGE' / Fire Pan...

&SURF ID = 'STEEL FLANGE' COLOR = 'BLACK' MATL_ID = 'STEEL' BACKING = 'EXPOSED' THICKNESS = 0.0063 /...&VENT MB='XMIN',SURF_ID='OPEN' /...

&SLCF PBY=0.0, QUANTITY='TEMPERATURE', VECTOR=.TRUE. /...

&BNDF QUANTITY='GAUGE_HEAT_FLUX' /...

&DEVC XYZ=6.04,0.28,3.65, QUANTITY='oxygen', ID='EO2_FDS' /...

&TAIL / End of file.

Когда вы присыпаете к разработке нового сценария, прежде всего настоятельно рекомендуется выбрать существующий входной файл, который соответствует вашему случаю, внести необходимые изменения, затем запустить расчет при низком разрешении сетки, чтобы определить, правильно ли настроена геометрия. Лучше всего начать с относительно простого файла, охватывающего основные особенности проблемы, не увязая во множестве подробностей, которые могут скрыть существенную ошибку в вычислениях. Первые расчеты нужно разбивать на ячейки таким образом, чтобы время расчета не превышало часа, и можно было легко внести исправления, не тратя много времени. Пока вы учитесь писать входные файлы, вам придется постоянно запускать и перезапускать модель после каждого усложнения.

В таблице 5.1 представлен список всех групп параметров, а также указано, где можно найти ссылку на описание данной группы и таблицу со всеми ключевыми словами к каждой группе.

5.1 Справочная таблица групп параметров Group Name Namelist Group Description Reference Parameter Table Название Описание группы параметров Section Таблица BNDF Выходной файл, значение на CTRL Параметры функции управления DEVC DUMP HEAD HOLE INIT ISOF MATL MESH MISC OBST PART PROF PROP RADI RAMP REAC SPEC SURF TIME TRNX ZONE Глава Установка граничных значений времени и пространства 6.1 Наименование расчета: группа HEAD (таблица 13.6) Первое, что нужно сделать при подготовке входного файла – присвоить расчету имя.

Часто в работе требуется рассчитать несколько сценариев, и тогда правильный выбор имен может помочь упорядочить работу. Группа HEAD содержит два параметра, как в этом примере:

&HEAD CHID='WTC_05_v5', TITLE='WTC Phase 1, Test 5, FDS version 5' / CHID – строка не больше 30 символов, используемая для пометки выходных файлов.

Если, например, CHID=’WTC_05_v5’, удобно называть файл входных данных WTC_05_v5.fds, чтобы входной файл можно было ассоциировать с выходными файлами.

В CHID не допускаются точки или пробелы, потому что выходные файлы имеют расширения, несущие определенную информацию.

TITLE – строка не более 60 символов, которая описывает расчет. Представляет собой просто описательный текст, который передается в разные выходные файлы.

6.2. Время моделирования: группа TIME (таблица 13.24) TIME – название группы параметров, которые определяют длительность моделирования и исходный временной шаг, используемый для улучшения решения дискретизированных уравнений. В этой строке обязательно задать только длительность моделирования с помощью параметра T_END (Time End). Значение по умолчанию – 1 секунда.

Примечание: параметр TWFIN еще работает, но вместо него рекомендуется использовать T_END.

Например, следующая строка дает указание FDS выполнять моделирование в течение 5400с.

&TIME T_END=5400. / Если T_END равен нулю, выполняется только расчет структуры, что позволяет вам быстро проверить геометрию в Smokeview.

Если вы хотите, чтобы временная шкала начиналась не с нуля, можете использовать параметр T_BEGIN (Time Begin), чтобы задать время, записанное в файле для первого временного шага. Это удобно для синхронизации временных шкал экспериментальных данных или видеозаписей.

T_BEGIN применяется только для сдвига начала отсчета. На результатах моделирования это не скажется.

Основанные на времени RAMPы определяются по текущему времени, если время активации RAMP совпадает с T_BEGIN; в противном случае они определяются согласно времени, в которое активируется RAMP. Таким образом, если вы задаете T_BEGIN, чтобы проверить CTRL или DEVC привязанные к RAMP, то вам нужно задать T_BEGIN так, чтобы он был немного меньше, чем то время, в которое произойдет активация RAMP.

Например, если вы проверяете VENT, открывающийся в 10с, а его SURF_ID использует RAMP, то T_BEGIN должен быть чуть меньше 10 с.

Величина исходного временного шага может быть задана параметром DT. Этот параметр обычно задается автоматически путем деления величины ячейки сетки на характеристическую скорость потока. Во время расчета временной шаг устанавливается таким образом, чтобы удовлетворялось условие КФЛ (Курант, Фридрихс, Леви). Значение DT по умолчанию 5(xyz) 3 / gH cекунд, где x, y и z – размер наименьшей ячейки сетки, Н – высота вычислительного домена, g – ускорение свободного падения.

Если необходимо, чтобы что-то произошло сразу после запуска моделирования, например, срабатывание спринклера, целесообразно задать исходный шаг по времени во избежание неустойчивости численного решения, вызванной слишком большим шагом.

Экспериментируйте с разными значениями DT, отслеживая величины исходного шага по времени, записанные в выходном файле job_name.out.

В группе TIME есть дополнительный логический параметр SYNCHRONIZE, показывающий, что в параллельном расчете шаг по времени для каждой сетки должен быть одинаковым, в результате чего каждая сетка обрабатывается каждую итерацию.

Дальнейшую информацию можно найти в разделе 6.3.2. Значение SYNCHRONIZE по умолчанию.TRUE.

6.3. Вычислительные сетки: группа MESH (таблица 13.11) Все вычисления FDS выполняются в домене, который состоит из прямолинейных объемов, называемых сетками. Каждая сетка делится на прямоугольные ячейки, чье количество зависит от требуемого разрешения. MESH – группа параметров, которая определяет вычислительный домен. Сетка - это отдельный прямой параллелепипед.

Система координат внутри сетки подчиняется правилу правой руки. Начало отсчета определяется первым, третьим и шестым значениям шестерки действительных чисел ХВ, а противоположный угол определяется вторым, четвертым и шестым значениями.

Например, &MESH IJK=10,20,30, XB=0.0,1.0,0.0,2.0,0.0,3.0 / определяет сетку, которая охватывает объем, начинающийся в начале координат и простирающийся на 1 м в положительном направлении x, на 2 м в положительном направлении y и на 3 м в положительном направлении z. Сетка разбивается на одинаковые ячейки параметром IJK. В нашем примере сетка разделена на кубики по10см. Если нужно, чтобы ячейки сетки были неодинаковыми по размеру в определенном направлении, то группами TRNX, TRNY и/или TRNZ можно изменить однородность сетки (см. раздел 6.3.3).

Любые препятствия или вентиляционные отверстия, которые выходят за границы сетки, обрываются на границе. Определение объектов за пределами сетки ни на что не повлияет, и в Smokeview эти объекты тоже не появятся.

Внимание! Лучше всего, если ячейки сетки кубические, т.е. длина, ширина и высота ячеек приблизительно одинаковые.

Ввиду того, что в важной части вычисления задействован пуассоновский решатель, основанный на быстром преобразовании Фурье (БПФ) в направлениях y и z, второе и третье измерение сетки должны иметь вид 2l3m5n, где l, m, и n – целые числа. Например, =2,72= 2 3 и 108=2233 – это удачное деление ячеек сетки, а 37, 99 и 109 нет. Первое число разбиения на ячейки (I в IJK) не использует БПФ и не должно представляться в виде произведения. Но, тем не менее, вам нужно поэкспериментировать с различными величинами разбиения, чтобы быть уверенными в том, что конечные варианты не слишком замедляют вычисления.

Ниже приведен список чисел от 1 до 1024, которые можно разложить до двоек, троек и пятерок:

6.3.1 Двухмерные и осесимметричные расчеты Основные уравнения, решаемые в FDS, записаны в трехмерной прямоугольной системе координат. Но двухмерное прямоугольное или двухмерное цилиндрическое (осесимметричное) моделирование может быть выполнено, если J в тройке IJK в строке MESH задать 1. Для осевой симметрии в строку MESH добавьте CYLINDRICAL=.TRUE., и тогда координата х будет считается радиальной координатой r. Ни на плоскостях y=YMIN=XB (3) или y=YMAX=XB(4), ни на r =XMIN=XB(1) в осесимметричном вычислении, где r =XB(1)=0 не должно быть установлено граничных условий. Для лучшей наглядности разница между XB(4) и XB(3) должна быть настолько мала, что изображение в Smokeview видится как двухмерное. Пример осесимметричного шлейфа из гелия (helium_2d) приведен в V&V Guide.

Рисунок 6.1: Вариант геометрии составной сетки 6.3.2 Составные сетки и параллельная обработка данных Термин «составные сетки» означает, что вычислительный домен состоит нескольких вычислительных сеток, обычно соединенных, хотя и необязательно. В каждой сетке основные уравнения могут быть решены с шагом по времени, основанным на скорости потока в этой сетке. Из-за того, что каждая сетка может иметь разные шаги по времени, эта методика может сэкономить время ЦПУ, заставляя обновляться относительно грубые сетки только тогда, когда это необходимо. Грубые сетки лучше всего использовать в областях, где временные и пространственные градиенты основных величин малы или не важны. Чтобы запустить параллельное вычисление FDS, вам нужно разбить вычислительный домен на составные сетки, чтобы каждый процессор обрабатывал одну сетку. Независимо от того, будет ли вычисление выполняться на одном процессоре или на мультипроцессоре, составные сетки прописываются по схожим правилам, в которых нужно особо обратить внимание на некоторые аспекты. Ниже приведены рекомендации и предостережения по использованию составных сеток.

• Каждая сетка должна быть описана в отдельной строке MESH. Имеет значение порядок, в котором эти строки записываются во входной файл. В целом, сетки должны записываться от более точной к более грубой. FDS воспринимает первую указанную сетку во входном файле как имеющую приоритет перед сеткой, указанной второй, если две сетки частично накладываются друг на друга. Сетки могут частично накладываться, соприкасаться или вообще не соприкасаться. В сущности, в последнем случае два отдельных вычисления выполняются вообще без связи между собой. Препятствия и вентиляционные отверстия описываются в общей системе координат и не должны относиться к какой-либо одной определенной сетке. Каждая сетка проверяет координаты всех геометрических объектов, а затем включает их в расчет или нет.

• Старайтесь не задавать границы сетки там, где ожидаются критические события, особенно огонь. Иногда распространения огня от сетки к сетке нельзя избежать, но, если возможно, постарайтесь, чтобы на границах сеток не протекали сложные процессы, пока нам не удалось сделать обмен информацией через границы сеток таким же точным, как обмен от ячейки к ячейке внутри одной сетки.

• Информация из других сеток поступает только на внешнюю границу сетки. Это значит, что сетка, которая полностью вложена в другую, получает информацию на своей внешней границе, а более грубая сетка не получает ее из сетки, вложенной в нее. Получается, что более крупная, обычно более грубая, сетка осуществляет свое собственное моделирование сценария, не завися от меньшей, обычно более точной, вложенной в нее. Элементы из точной сетки, особенно относящиеся к развитию и распространению огня, могут не быть воспринятыми более грубой сеткой. В подобных случаях предпочтительнее изолировать огонь внутри одной сетки и установить более грубые сетки вокруг точной сетки. Тогда мелкая и грубая сетки обмениваются информацией между собой.

• Экспериментируйте с различными конфигурациями сеток с относительно грубыми ячейками, чтобы информация точно передавалась от сетки к сетке. Здесь следует обратить внимание на следующие аспекты. Во-первых, не получается ли, что граница сетки очень сильно влияет на поток? Если это так, то попробуйте отодвинуть границы сетки от области процесса. Во-вторых, нет ли слишком больших скачков между размерами ячеек в разных сетках? Если это так, то проверьте, является ли потеря информации от точной сетки к грубой допустимой.

• Будьте осторожны при использовании краткого условного обозначения для всей поверхности домена при назначении ему свободного граничного условия (OPEN).

Эти обозначения будут относиться к каждой сетке. См. дополнительную информацию в разделе 7.3.

• В FDS 5 возможно поднять фоновое давление в зонах с разным давлением, даже если зоны давления пересекают границы сетки. См. дополнительную информацию в разделе 8.3.

• При параллельном вычислении вы можете сделать шаги по времени одинаковыми во всех сетках, если пропишете SYNCHRONIZE=.TRUE. в строке .TIME.

В FDS 5 эти условия стоят по умолчанию.

В этих условиях все сетки будут активными на каждой итерации. При работе на одном процессоре в многосеточных вычислениях этот метод снижает и может даже свести к нулю любой видимый эффект применения составных сеток. Но в параллельном вычислении, если определенная сетка не активна во время итерации, потому что она не готова к обновлению, процессор, приписанный к этой сетке, тоже неактивен. Заставить сетку обновиться с шагом по времени меньше идеального не требует дополнительных затрат времени, поскольку этот процессор все равно простаивает. Эффект состоит в том, что связи между сетками становятся крепче. Чтобы это осуществить, добавьте SYNCHRONIZE=.TRUE. в соответствующие строки MESH, а затем добавьте SYNCHRONIZE=.FALSE. в строку TIME.

• Если плоское препятствие находится рядом с тем местом, где две сетки соприкасаются, убедитесь, что каждая из сеток «видит» препятствие. Если препятствие хотя бы на миллиметр выходит за пределы одной из сеток, эта сетка не проводит вычислений по нему, и в этом случае информация между сетками передается некорректно.

• При параллельных расчетах эффективность вычислений можно проверить следующим образом: (1) прописать SYNCHRONIZE=.TRUE. в строке TIME, (2) прогнать несколько сотен шагов по времени, (3) вычислить разницу между временем расчета 200й итерации и 100й итерации (по информации в файле CHID.out (см.

раздел 22.1). Разделите полученную разницу на 100. Результатом будет среднее реальное время для вычисления шага по времени, (4) посмотреть на ЦПУ/шаг для каждой сетки. Наибольшее значение должно быть меньше, но близко к прошедшему реальному времени. Эффективность параллельного вычисления – максимальный ЦПУ/шаг, разделенный на среднее реальное время на шаг. Если это число между 90% и 100%, параллельный код работает хорошо.

6.3.3 Преобразования сетки: группы TRNX, TRNY и/или TRNZ (таблица 13.25) По умолчанию ячейки сетки, заполняющей вычислительный домен, являются одинаковыми по размеру. Но можно определить ячейки как неоднородные в одном или двух координатных направлениях. Для заданного направления – х, у, или z – можно задать функцию, преобразующую сетку из однородной в неоднородную. Будьте осторожны с преобразованиями сетки! Если вы уменьшаете ячейки в одной области, то в другой вы должны их растянуть. Когда один или два координатных направления преобразованы, коэффициент пропорциональности ячеек в 3D сетке будет меняться. В целях предосторожности нужно избегать преобразований, которые изменяют коэффициент пропорциональности ячеек свыше 2 и 3. Помните, что методика масштабного моделирования вихрей основывается на предположении, что численная сетка достаточно точна для образования вихрей, отвечающих за смешивание. Вообще образование вихрей ограничено наибольшим размером ячейки сетки, таким образом, уменьшение разрешения сетки в одном или двух направлениях необязательно приведет к лучшему результату, если третье измерение велико.

Рис. 6.2 Кусочно-линейное преобразование Рис.6.3Полиномиальное преобразование Преобразования в целом снижают эффективность расчета, а преобразования по двум координатам снизят ее больше, чем преобразование в одном направлении.

Экспериментируйте с разными способами, чтобы узнать, какой уровень вам подойдет.

Ниже приведен пример трансформации сетки. Предположим, ваша сетка определяется так:

&MESH IJK=15,10,20, XB=0.0,1.5,1.2,2.2,3.2,5.2 / и вы хотите изменить равномерность ячеек в направлении х. Прежде всего, взгляните на рисунки, изображенные выше. Вам нужно определить функцию x =f(), которая преобразует равномерную расчетную координату (РК(ru)/CC(en) 0 1.5 в физическую координату (ФК(ru)/PC(en)) 0 x 1.5. Функция имеет три обязательных ограничивающих условия: она должна быть монотонной (всегда возрастающей), преобразовывать =0 в x= и =1.5 в x=1.5.По умолчанию функция преобразования f()= для однородной сетки, но в этом случае вам ничего не нужно делать.

Допускаются два типа преобразовательных функций. Первая, простейшая, представляет собой кусочно-линейную функцию. Пример кусочно-линейного преобразования изображен на рис. 6.2. График показывает, как 15 однородных ячеек сетки по горизонтальной оси преобразуются в неоднородные ячейки по вертикальной оси. В этом случае функция состоит из прямых сегментов, соединяющих точки (РК, ФК) в порядке возрастания, как описано в следующих строках входного файла:

&TRNX CC=0.30, PC=0.50, MESH_NUMBER=2 / &TRNX CC=1.20, PC=1.00, MESH_NUMBER=2 / Параметр РК относится к расчетной координате, расположенной на горизонтальной оси;

ФК – физическая координата х, расположена на вертикальной оси. Наклон линейных сегментов в графике показывают, вытянута ли сетка (наклон больше 1) или сжата (наклон меньше 1). Самое сложное в этом процессе то, что обычно требуемое вытягивание/сжатие для физической координаты происходит на вертикальной оси, необходимо обратное преобразование, чтобы определить соответствующие точки для расчетной координаты на горизонтальной оси. Обратите внимание на то, что вышеприведенное преобразование относится ко второй сетке в работе составной сетки.

Второй тип преобразований – полиномиальная функция, чьи граничные условия имеют следующий вид:

Рис.6.3 дает пример полиномиального преобразования, для которого определены параметры (предполагая, что это третья сетка) &TRNX IDERIV=0, CC=0.75, PC=0.75, MESH_NUMBER=3 / &TRNX IDERIV=1, CC=0.75, PC=0.50, MESH_NUMBER=3 / соответствующие граничным условиям f(0.75)=0.75 и функция преобразует 0,75 в 0,75 и кривизна функции при =0.75 равен 0.5. Функция преобразования должна также проходить через точки (0,0) и (1.5,1.5), т.е. FDS должна вычислить коэффициенты для кубического многочлена f()=c0+c1+c2 +c3. Большее количество граничных условий ведет к полиномиальным функциям более высокого порядка, поэтому будьте с ними осторожны, они могут сделать функцию немонотонной.

Монотонность функции проверяется программой, и если она немонотонна, появится сообщение об ошибке.

6.3.4 Выбор оптимального размера сетки Новички в FDS обычно задают вопрос: «Какой размер сетки я должен выбрать?» Ответ не так прост, потому что он в значительной степени зависит от того, что вы хотите сделать.

Вам нужно создать входной файл FDS с относительно грубой сеткой, а затем постепенно уменьшать до тех пор, пока вы не перестанете замечать видимой разницы в результатах.

Формально это называется анализ чувствительности сетки.

В моделировании с восходящими пламенами критерий точности разрешения сетки определяется по безразмерному выражению D*/x, где D* - характеристический диаметр огня а x – номинальный размер ячейки сетки1. Величина D*/x может быть расценена как число вычислительных ячеек, охватывающих характеристический (необязательно физический) диаметр огня. Чем больше ячеек охватывают огонь, тем лучше разрешение модели. Лучше оценивать качество сетки на основе этого безразмерного параметра, чем Характеристический диаметр огня относится к характеристическому размеру огня через уравнение Q*=(D*/D), где D – это физический диаметр огня.

по абсолютному размеру ячейки сетки. Например, размер ячейки в 10 см может быть адекватным в некотором смысле для оценки распространения дыма и тепла по зданию при пожаре, но оказаться непригодным для анализа маленького, тлеющего источника огня.

Например, в анализе чувствительности сетки NUREG 1824[4], значения D*/x варьировались от 4 до 16. Эти значения использовались для адекватного разрешения динамики факела, а также других геометрических характеристик моделей. Этот диапазон не показывает, какие значения использовать для всех моделей, а только то, какие значения подходили определенному ряду моделей.

6.4 Вспомогательные параметры: группа MISC (таблица 13.12) MISC – группа вспомогательных глобальных входных параметров. В файл данных нужно вписать только одну строку MISC. Например, входная строка &MISC SURF_DEFAULT='CONCRETE',TMPA=25. / определяет, что все граничные поверхности сделаны из CONCRETE (бетон), если другое не определено, а температура окружающей среды 25°С.

Параметры MISC различаются по области применения и степени важности. Ниже приведен неполный список параметров MISC. Остальные описываются далее в тексте руководства.

DNS – логический параметр, который в случае.TRUE., предписывает FDS выполнить Direct Numerical Simulation (прямое численное моделирование) вместо заданного по умолчанию Large Eddy Simulation (масштабное моделирование вихрей).

GVEC Задает три компоненты тяготения в м/с2. По умолчанию GVEC=0,0,-9.81.

HUMIDITY Относительная влажность в %. Должна быть указана только в том случае, если в моделировании присутствует источник воды помимо самого огня. В противном случае водяной пар не отслеживается явно. По умолчанию 40%.

ISOTHERMAL Логический параметр, который показывает, что вычисления не включают никаких изменений в температуре или переносе теплоты излучения, сокращая таким образом количество уравнений, которые надо решить, и упрощая имеющиеся.

Автоматически задает RADIATION как.FALSE.

NOISE FDS инициализирует поле течения с небольшим количеством «шума», чтобы предотвратить развитие абсолютно симметричного течения, когда границы и исходные условия совершенно симметричны. Чтобы отключить параметр, задайте NOISE=.FALSE.

P_INF Фоновое давление (на земле) в Па. По умолчанию 101325 Па.

RADIATION Логический параметр, указывающий, нужно ли вычислять перенос излучения. По умолчанию.TRUE.

SUPPRESSION Логический параметр, указывающий, должна ли FDS включать подавление пламени в газообразной фазе. По умолчанию.TRUE.

SURF_DEFAULT Строка SURF содержит то, что будет относиться ко всем границам, если другое не определено. По умолчанию стоит ‘INERT’ - холодная, нереагирующая твердая граница. Вам не нужно указывать INERT в строке SURF.

TMPA Температура окружающей среды, температура всего на начало моделирования.

По умолчанию 20°C.

U0, V0, W0 – начальные величины скорости газа в каждом из координатных направлений.

Обычно они все равны 0 м/с, но в некоторых случаях удобно запускать поток сразу же, например, в моделировании ветра вне помещения.

6.4.1 Остановка и перезапуск вычислений Важный параметр MISC называется RESTART. Обычно расчет состоит из последовательности событий, начиная с условий окружающей среды. Но есть случаи, когда нужно остановить вычисления, сделать необходимые изменения, а затем перезапуститься с этого момента времени. Чтобы это сделать корректно, остановите вычисления, создав файл под названием CHID.stop в директории, где расположены выходные файлы. Помните, что программа FDS чувствительна к регистру. Название файла должно быть точно таким же, что и CHID, а «stop» должен быть нижнего регистра.

FDS проверяет наличие этого файла на каждом временном шаге, и если находит его, создает файл Plot3D и файл (или файлы в случае работы составных сеток) под названием CHID.restart (или CHID_nn.restart) и аккуратно останавливает вычисление. Чтобы перезапустить работу, файл(ы) CHID.restart должны присутствовать в рабочей директории, а выражение RESTART=.TRUE. нужно добавить в строку MISC входного файла. Например, предположим, что работа, чей CHID – «plume», остановлена созданием пустого файла plume.stop в директории, где создаются все выходные файлы. Чтобы перезапустить эту работу с того момента, где она остановилась, вставьте RESTART=.TRUE. в строку MISC входного файла plume.fds или свое название входного файла. Наличие файла перезапуска с тем же CHID, что и оригинальная работа, приказывает FDS продолжить сохранение новых данных в те же самые файлы, что и старые. Если RESTART_CHID также задан в строке MISC, FDS будет искать старые выходные файлы, обозначенные этой строкой вместо использования указанного CHID в строке HEAD. В этом случае новые выходные файлы будут помечены CHID, а старые выходные файлы останутся без изменения.

При перезапуске работы диагностика выводится в файл CHID.out, который был создан оригинальной работой. Все другие выходные файлы оригинального запуска также продолжаются.

Бывает так, что периодически нужно сохранять файлы перезапуска в течение работы в качестве подстраховки на случай прекращения подачи электропитания или сбоя системы.

В этом случае задайте, например, DT_RESTART=50. в строке DUMP, чтобы сохранять файлы перезапуска каждые 50с. По умолчанию для DT_RESTART установлено 1000000, что означает, что файлы перезапуска не будут создаваться, пока вы не остановите корректно работу, создав пустой файл CHID.stop.

Также можно использовать новую функцию управления (см. раздел 11.5) для остановки расчета или создания файла перезапуска, когда расчет достигает некоторого измеримого состояния, как, например, первое включение спринклера.

Между остановкой и перезапуском работы в расчете нельзя сделать значительных изменений, таких как добавление или удаление вентиляционных каналов и препятствий.

Изменения ограничены теми параметрами, которые не меняют существующее поле течения мгновенно. Поскольку возможность перезапуска нечасто используется разработчиками, к ней следует относиться как к хрупкой конструкции. Проверьте выходные данные, чтобы убедиться, что во время остановки и перезапуска не произойдет ничего неожиданного или внезапного.

6.4.2 Дополнительный вопрос: Пренебрежение силой тяжести В большинстве случаев ускорение свободного падения направлено в отрицательном направлении оси z или, проще говоря, вниз. Чтобы изменить направление силы тяжести, для моделирования, например, покатой крыши или туннеля, нужно задать вектор силы тяжести в строке MISC с тройкой чисел в виде GVEC=0.0, 0.0, -9.81 (единицы – м/с2). Это вектор по умолчанию, но его можно изменить на любое направление.

Замечание: если заданы спринклеры, вектор силы тяжести меняться не должен. Для большей части логической схемы, управляющей траекториями капель воды над твердыми предметами, сила тяжести стремится к отрицательному направлению z.

В некоторых особых случаях вам может понадобится изменить вектор силы тяжести во времени, например, для условий космического корабля. Вектор силы тяжести, GVEC, может быть задан временной функцией с помощью кусочно-линейной функции для отдельных компонентов RAMP_GX, RAMP_GY и RAMP_GZ, все задаются в строке MISC. В разделе 8.5 вы можете больше узнать о RAMP.

6.4.3 Дополнительный вопрос: Восстановление бароклинной завихренности Ниже представлено приближение, когда решение для давления можно представить в виде Результат этого приближения состоит в том, что вихри, образованные из-за пренебрежения плотностью и градиентом давления или бароклинным моментом силы, в расчет не принимаются. Для большинства масштабных вычислений предположение оправдывается тем фактом, что подъемная сила является основным источником вихрей.

Из-за пренебрежения бароклинным моментом силы, решение эллиптического дифференциального уравнения в частных производных, полученного на основе разницы уравнения импульса, значительно упрощается. Но в коде есть опция для восстановления бароклинного момента силы путем разложения соответствующего члена в уравнении для давления и определением второго члена из правой части уравнения по значению давления на предыдущем временном шаге. В выражении – средняя плотность, равная 2minmax/(min +max). Чтобы выполнить коррекцию, просто впишите выражение BAROCLINIC=.TRUE. в строку MISC. В расчете DNS (DNS=.TRUE.), коррекция проводится по умолчанию. Но для расчета LES (режим по умолчанию) коррекция должна быть явно задана. Коррекция не окажет большого влияния на результат – попробуйте сделать расчеты с ней и без нее, чтобы выяснить, нужна ли она.

6.4.4 Дополнительный вопрос: Образование тяги В высоких зданиях выталкивающая сила часто вызывает движение воздуха из-за разницы внутренней и внешней температуры, это называется образование тяги. Чтобы воссоздать это явление в FDS, в вычислительный домен нужно включить все здание или значительную его часть, как снаружи, так и изнутри. Важно зафиксировать снижение давления и плотности атмосферы, основываясь на заданной температуре LAPSE_RATE (°С/м), прописанной в строке MISC. Экспериментируйте с разными способами разбивки на ячейки до включения любого пожара или функции HVAC. Постепенно усложняйте модель. Пример приведен в разделе 15.2.4.

6.4.5 Дополнительный вопрос: Параметры масштабного вихревого моделирования В режиме по умолчанию FDS использует модель Смагоринского для масштабного вихревого моделирования, чтобы рассчитать турбулентность подсеточного масштаба.

Вязкость µ рассчитывается так:

где Сs – эмпирическая константа, – длина порядка размера координатной сетки. Черта над некоторыми величинами означает, что они являются вычисленными или фильтрованными значениями, то есть то, что они вычислены на числовой сетке.

Остальные диффузные параметры, теплопроводность и диффузность связаны с турбулентной вязкостью уравнением:

Турбулентные числа Прандтля Prt и Шмидта Sct считаются постоянными для данного расчета. Хотя это и не рекомендуется для большинства вычислений, вы можете изменить Cs =0.2, Prt =0.5 и Sct =0.5 через параметры CSMAG, PR и SC в строке MISC. Более подробное описание этих параметров дано в Техническом справочнике FDS [1].

6.4.6 Дополнительный вопрос: Параметры численной устойчивости Шаг расчета по времени ограничен конвективными и диффузионными транспортными скоростями с помощью двух условий. Первое известно как условие Куранта-ФридрихсаЛеви (КФЛ). Условие КФЛ утверждает, что решение уравнений не может изменяться в соответствии с большим временным шагом, чем тот, который пропускает определенный объем текучей среды на расстояние размера ячейки сетки. В каждой ячейке сетки размером x на y на z с компонентами скорости u, v и w число КФЛ определяется так:

На каждом временном шаге число КФЛ вычисляется в каждой ячейке сетки, а временной шаг t изменяется в том случае, если максимальная величина числа КФЛ не входит в диапазон от CFL_MIN до CFL_MAX, чьи значения по умолчанию 0.8 и 1. соответственно. Эти значения входят в группу MISC.

Подобное условие, но ограничивающее временной шаг, когда преобладает диффузионный перенос, иногда называется условием фон Ноймана. Число фон Ноймана определяется так:

Как и число КФЛ, ФН вычисляется в каждой ячейке, а временной шаг изменяется, если ФН лежит за пределами диапазона от VN_MIN до VN_MAX, которые равны 0.8 и 1.0 по умолчанию. Обратите внимание, что это ограничение относится к уравнениям импульса, массы и энергии через соответствующий диффузионный параметр – вязкость, диффузность материала или теплопроводность. Это ограничение во временном шаге типично для явно заданной численной схемы второго порядка точности для решения параболического дифференциального уравнения в частных производных. В целях экономии времени ЦПУ критерий фон Ноймана участвует только в вычисления DNS или LES с ячейками меньше 5 мм.

Перенастройка параметров устойчивости рекомендуется только в особых случаях, поскольку это может привести к сбоям в расчетах из-за численной неустойчивости.

6.5 Дополнительный вопрос: Нестандартные начальные условия: группа INIT (таблица 13.8) Обычно начальные условия соответствуют условиям окружающей среды. Температура воздуха считается постоянной по высоте, а плотность и давление уменьшаются по высоте (направление z). Это снижение незаметно в большинстве расчетов в пределах здания, но имеет значение в масштабных моделях вне помещения. Существует несколько сценариев, для которых удобно изменять условия внешней среды в пределах некоторой прямоугольной области домена. Если это нужно, вставьте строки следующего вида:

&INIT XB=0.5,0.8,2.1,3.4,2.5,3.6, TEMPERATURE=30. / Здесь, в пределах области, границы которой заданы шестеркой чисел XB, начальная температура должна быть 30°С вместо температуры окружающей среды. Эта структура может быть применена для DENSITY или MASS_FRACTION(N), где N указывает на N-ое вещество, которые перечислены во входном файле.

Логическая структура INIT может быть полезна при исследовании образования тяги в здании, где температура внутри отличается от температуры снаружи.

Заметьте, твердому препятствию может быть задана начальная температура с помощью параметра TMP_INNER в строке SURF. Начальную скорость можно прописать через U0, V0 и W0 в строке MISC.

6.6 Дополнительный вопрос: Границы настроек: группа CLIP (таблица 13.2) Время от времени может понадобиться задать верхние и нижние границы плотности, температуры или массовую долю компонента. Параметры, перечисленные в таблице 13.2, приведены только для диагностики.

Глава Построение модели Значительная часть работы по построению модели состоит в описании геометрии и соотнесении граничных условий с объектами. Геометрия описывается в терминах прямоугольных препятствий, которые могут нагреваться, гореть, проводить тепло и т.д.; и вентиляционных отверстий, через которые воздух или топливо могут подаваться и удаляться из домена. Граничное условие должно быть определено для каждого препятствия и вентиляционного отверстия, описывать его температурные свойства. Огонь – это всего лишь один из видов граничных условий. В этой главе рассказывается, как построить модель. В следующей главе будет рассказано, как соотнести свойства и границы.

7.1 Создание препятствий: группа OBST (таблица 13.13) Группа OBST содержит параметры для описания препятствий. Каждая строка OBST содержит координаты прямоугольного твердого тела в пределах домена. Это твердое тело задается двумя точками (x1, y1, z1) и (x2, y2, z2), которые записываются в строке OBST с помощью параметра XB= X1, X2, Y1, Y2, Z1, Z2. В дополнение к координатам граничные условия для препятствий могут быть заданы параметром SURF_ID, который определяет, какую группу SURF (Раздел 8.2) применить к поверхности препятствия. Если свойства верхней, нижней и боковых сторон препятствия не одинаковы, не стоит использовать SURF_ID. Вместо этого используйте SURF_IDS, массив из трех символьных строк, определяющих ID граничных условий для верха, сторон и низа препятствия соответственно.

Если нужно граничное условие по умолчанию, не нужно прописывать SURF_ID(S). Но если хотя бы одна из поверхностей инертна по умолчанию, ее можно обозначить как ’INERT’.

Например:

&SURF ID='FIRE',HRRPUA=1000.0 / &OBST XB=2.3,4.5,1.3,4.8,0.0,9.2,SURF_IDS='FIRE','INERT','INERT' / помещает огонь на верх препятствия. Это простой способ задать горелку. Некоторые дополнительные особенности препятствий следующие:

• Кроме SURF_ID и SURF_IDS вы можете применить шестерку SURF_ID6 следующим образом:

&OBST XB=2.3,4.5,1.3,4.8,0.0,9.2, SURF_ID6='FIRE','INERT','HOT','COLD','BLOW','INERT' / где 6 описаний относятся к плоскостям x =2.3, x =4.5, y=1.3, y=4.8, z =0.0 и z =9. соответственно. Обратите внимание, что SURF_ID6 не должны стоять в той же строке OBST, что и SURF_ID или SURF_IDS.

• Препятствия могут иметь нулевую толщину. Часто тонкие листы, например окно, образуют барьер, но если численная сетка слишком крупная по отношению к толщине барьера, препятствие может быть излишне крупным, если предполагается, что толщина составляет один слой ячеек. Все грани препятствий смещаются к ближайшей ячейке.

Если препятствие очень тонкое, две грани могут оказаться приблизительно на одной и той же поверхности ячейки. FDS и Smokeview изображают это препятствие в виде тонкого листа, но допускается наличие термически толстых граничных условий. Но эта функция нестабильна, особенно если есть горящий и взрывающийся газ. Тонкое листовое препятствие может иметь только один вектор скорости на поверхности, т.е. нельзя достоверно подавать газ с тонкого препятствия, потому что предмет, испытывающий давление с одной стороны, обязательно натягивается с другой. Для достижения полной функциональности препятствие должно быть задано толщиной как минимум в одну ячейку. Тонкие листовые препятствия отлично служат барьерами для потоков, но другие функции капризны и должны применяться с осторожностью. Чтобы FDS не допускала наличие тонких листовых препятствий, впишите THICKEN_OBSTRUCTIONS=.TRUE. в строку MISC или THICKEN=.TRUE. в каждую строку OBST, где тонкие листы недопустимы.

• В отличие от ранних версий FDS в этой версии не рассматриваются слишком маленькие относительно численной сетки препятствия. Будьте осторожны при расчетах на крупных сетках.

• Препятствия можно создавать и удалять во время расчета. См. раздел 11.4.1.