Элементы со свойством «Материал»

Время чтения


Ряд элементов Fenix+ 3 имеет свойство «Материал». В их число входят: Стена, Твердое тело, Лестница (как прямая, так и винтовая), Площадка, Перекрытие, Дверь, Окно. Будем называть их Материальными элементами.

В общем случае, Материальный элемент занимает некоторый объём в пространстве.

Во входном файле FDS геометрическая форма Материальных элементов представляется набором элементов, описываемых группой параметров OBST. В простейшем случае, когда теплофизические параметры материалов при моделировании не учитываются, для представления Материальных элементов в файле FDS другие группы параметров (кроме OBST) не используются.

Каждый элемент OBST представляет собой прямоугольный параллелепипед с вершинами в узлах Сетки (см. Область расчёта). Его координаты задаются параметром XB. Размеры по каждой из трёх осей будут кратны размеру ячейки Сетки. В частном случае, размер вдоль одной из осей может быть равным нулю.

Цвет элемента, отображаемый в редакторе Fenix+ 3 и Smokeview, задаётся параметром RGB группы OBST в формате яркости красной, зелёной и синей компонент.

OBST ненулевой и нулевой толщины (вид в Smokeview){width=55%}

В FDS-файле появляется код, подобный следующему:

&OBST XB=-2 ,0, 1.5, 1.75, 0, 0.5 RGB=128,128,128 /

Отметим некоторые общие свойства Материальных элементов:

Параметры, задающие расположение элемента в пространстве (высота, толщина и т.п.);

«Материал»; «При пожаре не учитывать»; «Прозрачность».

Свойства элемента «Стена»{width=60%}

Свойство При пожаре не учитывать позволяет не учитывать элемент при моделировании пожара. Например, если это сетчатая конструкция, полностью проницаемая для опасных факторов пожара. Такой элемент не будет передан в файл FDS.

Свойство Прозрачность позволяет сделать элемент визуально прозрачным в редакторе Fenix+ 3 и в Smokeview. Это не сделает элемент прозрачным для теплового излучения или других опасных факторов пожара. В файле FDS в группу OBST будет добавлен параметр TRANSPARENCY.

&OBST XB=2.75,3,1.75,2,0,3.1 TRANSPARENCY=0.1 RGB=128,128,128/

Разбиение материальных элементов на OBST

При создании входного файла FDS, координаты элементов OBST, описывающих Материальный элемент, будут определены исходя из параметров элемента, задающих расположение элемента в пространстве. При этом координаты элементов OBST будут приравнены ближайшим величинам, кратным размеру ячейки Сетки (см. Область расчёта). Напомним, что размер ячейки по оси Z может отличаться от размера ячейки по осям X и Y.

Рассмотрим, как Материальному элементу сценария Fenix+ 3 ставятся в соответствие элементы OBST. Рассмотрим эту процедуру на примере преобразования элемента «Стена», имеющей форму прямоугольного параллелепипеда.

Поскольку каждый элемент OBST в модели FDS занимает целое число ячеек Сетки, боковые поверхности элементов OBST должны совпадать с гранями ячеек. На рис. показан вид сверху на элемент «Стена», боковые поверхности которого изображены синими линиями. Квадратная сетка чёрного цвета изображает границы ячеек в плоскости XY.

Стена и ячейки MESH{width=60%}

Рассмотрим один слой ячеек в плоскости XY, самый нижний для данной MESH.

Через центр каждой ячейки проведём линию, параллельную оси X. Они показаны красным цветом. Если линия пересекает стену, то она пересекает обе боковые поверхности стены. Получаем две точки пересечения. Приравняем x координаты точек пересечения ближайшим x координатам граней ячеек MESH.

Возможны две ситуации: когда для точек пересечения ближайшими окажутся две разные грани, и когда одна грань. Частные случаи этих двух ситуаций показаны на рис. буквами А и B соответственно.

Притягивание точек пересечения к граням сетки{width=45%}

Если точки притянулись к одной грани, то данный сегмент стены будет представлен с помощью OBST нулевой ширины (случай B), проходящего через данную грань. Иначе – с помощью OBST ненулевой ширины (случай A). Результат показан зелёным цветом на следующем рисунке.

OBST в случаях A и B{width=45%}

Получившийся OBST может иметь ширину несколько ячеек, в зависимости от исходной толщины элемента «Стена».

Результат разбиения, выполненный для каждой ячейки вдоль оси X, показан на рис.

OBST для стены{width=60%}

Аналогичная процедура разбиения стены на OBST выполняется и вдоль оси Y, а также для всех остальных слоёв ячеек MESH вдоль оси Z. Затем наборы OBST, полученные в процессе разбиений, объединяются. Получившийся набор считается представляющим стену в FDS.

На следующем рисунке показан сценарий Fenix+ 3 с четырьмя стенами и очагом пожара.

Сценарий со стенами и очагом{width=60%}

Для примера покажем, как элемент «Стена 1» оказался представлен в файле FDS:

“Zdanie 1” - “Stena 1”

&OBST XB=5.5, 5.5, 2.25, 2.5, 0, 2 RGB=32,178,170/

&OBST XB=5.25, 5.5, 2.5, 3.5, 0, 2 RGB=32,178,170/

&OBST XB=5.25, 5.25, 3.5, 4, 0, 2 RGB=32,178,170/

&OBST XB=5, 5.25, 4, 5, 0, 2 RGB=32,178,170/

&OBST XB=5, 5, 5, 5.25, 0, 2 RGB=32,178,170/

На следующем рисунке показан 3D-вид рассматриваемого сценария в Smokeview.

Сценарий со стенами и очагом{width=60%}

Рассмотренная на примере элемента «Стена» процедура разбиения применяется точно таким же образом и к остальным Материальным элементам Fenix+ 3, за исключением Дверей и Окон, к которым она применяется с небольшими изменениями.

Материал

В зависимости от того, какой способ моделирования материалов конструкций выбран в окне Параметры моделирования пожара, входной файл FDS будет формироваться по-разному.

Параметры моделирования пожара{width=80%}

Если выбран «Инертный» материал конструкций, то независимо от фактически выбранного материала при создании стен, в файл FDS попадут OBST, имеющие так называемый инертный (INERT) материал. Его температура постоянна и равна начальной. В системе FDS инертный материал принят по умолчанию, в явном виде его можно не указывать. Поэтому стены представляются только группой параметров OBST с указанными координатами. Фактический материал стен влияет, в этом случае, только на цвет, отображаемый в Smokeview.

&OBST XB=2.5, 2.75, 3.25, 3.75, 0, 2 RGB=32, 178, 170/

В большинстве случаев, при моделировании пожара использование «инертных» материалов стен вполне оправдано, поскольку заметно ускоряет расчёт, и не вносит заметных неточностей. (Более подробно – см. статью «Влияние материалов стен на температуру и тепловой поток в помещении» / Пожарная безопасность, №4(97). 2019 г.).

Если в окне Параметры моделирования пожара выбран «Фактический материал» конструкций, то в модели FDS будут учтены теплофизические параметры материала.

Теплофизические свойства материалов{width=80%}

Плотность, Теплоёмкость и Теплопроводность материала в файле FDS будут представлены параметрами DENSITY, SPECIFIC_HEAT и CONDUCTIVITY группы параметров MATL.

&MATL ID='3' FYI='Beton' CONDUCTIVITY=1.4 DENSITY=2150 SPECIFIC_HEAT=0.88/

Толщина стены THICKNESS и ссылка на группу MATL с описанием материала задаются в группе параметров SURF.

&SURF ID='4' THICKNESS=0.2 RGB=127,127,127 MATL_ID='3'/

А в группе параметров OBST даётся ссылка на группу SURF.

&OBST XB=6, 6.25, 2.5, 5, 0, 3 SURF_ID='4' /

Коэффициент излучения материала и Показатель поглощения в данном примере были равны значениям, принятым в FDS по умолчанию, поэтому в явном виде в файле не упоминаются. В ином случае, значения параметров EMISSIVITY и ABSORPTION_COEFFICIENT были бы указаны в группе параметров MATL.

&MATL ID='3' FYI='Beton' CONDUCTIVITY=1.4 DENSITY=2150 EMISSIVITY=0.8 SPECIFIC_HEAT=0.88 ABSORPTION_COEFFICIENT=1000/

Коэффициент излучения (ε) определяется как отношение энергии, излучаемой объектом при данной температуре, к энергии, излучаемой идеальным излучателем или черным телом при той же температуре. Коэффициент излучения черного тела равен 1.0. Вообще, коэффициент излучения может принимать значения от 0.0 до 1.0.

Многие неметаллические материалы (например, ПВХ, бетон, органические вещества) обладают высоким коэффициентом излучения ε от 0.8 до 0.95. Металлы, особенно с блестящей поверхностью, обладают низким коэффициентом излучения. Например, полированный алюминий имеет коэффициент излучения ε≈0.05.

Коэффициент отражения от материала вычисляется в FDS как 1-ε.

Можно заключить, что принятое в FDS по умолчанию значение ε=0.9 подходит для большинства материалов. Если необходимо моделировать присутствие материалов с более низким коэффициентом излучения (или, что то же самое, высоким коэффициентом отражения), то параметр Коэффициент излучения следует скорректировать.

Показатель поглощения – это величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения уменьшается в результате поглощения в среде в e≈2.7 раз. Принятый по умолчанию в FDS показатель поглощения (50000 1/м) является очень высоким, и соответствует совершенно непрозрачным предметам. С помощью параметра Показатель поглощения материал можно сделать полностью или частично прозрачным для теплового излучения, установив показатель поглощения, соответственно, равным нулю, или известной из справочных данных величине.

Выбор опции «Фактический материал» позволяет повысить реалистичность моделирования и более точно учесть взаимодействие Материальных элементов с тепловым излучением. В частности, будет моделироваться нагрев Материальных элементов тепловым излучением и конвективными потоками горячего воздуха.

В случае, когда после преобразования Материального элемента в файл FDS, соответствующие ему OBST имеют толщину, равную нулю или размеру ячейки расчётной сетки, система FDS будет также моделировать сквозной прогрев. При этом при расчёте переноса тепла с одной поверхности Материального элемента на другую будет использоваться его «настоящая» толщина, заданная в параметре THICKNESS группы параметров SURF, а не толщина имеющегося OBST.

Толщина

Некоторые Материальные элементы имеют параметр Толщина. В случае моделирования с включённой опцией «Фактический материал», Толщина влияет не только на геометрическую толщину элемента, но и используется в качестве значения параметра THICKNESS группы параметров SURF, используемой для описания элемента в файле FDS.

&SURF ID='2' THICKNESS=0.2 RGB=255,140,0 MATL_ID='1'/

&MATL ID='1' FYI='Beton' CONDUCTIVITY=1.4 DENSITY=2150 SPECIFIC_HEAT=0.88/

&OBST XB=2,6,2,2,0,2.5 SURF_ID='2'/

Здесь параметр THICKNESS группы параметров SURF имеет значение 0.2, соответствующее Толщине, указанной при создании элемента.

Если используется Материальный элемент, который не имеет свойства Толщина, то при моделировании с включённой опцией «Фактический материал» параметр THICKNESS группы параметров SURF для этого элемента будет иметь значение, равное размеру ячейки Сетки (см. Область расчёта).

Например, элемент «Стена» полигональной формы не имеет параметра Толщина. Его код может иметь следующий вид.

“Zdanie 1” - “Stena 1”

&OBST XB=4,4.25,2.25,2.5,0,2 SURF_ID='2'/

&OBST XB=4.25,4.5,2.25,3,0,2 SURF_ID='2'/

&OBST XB=4.5,4.75,2.25,3.25,0,2 SURF_ID='2'/

&OBST XB=4.75,5,2.25,3.5,0,2 SURF_ID='2'/

&OBST XB=5,5.25,2.25,3.75,0,2 SURF_ID='2'/

&OBST XB=5.25,5.5,2.5,3.25,0,2 SURF_ID='2'/

&SURF ID='2' THICKNESS=0.25 RGB=127,127,127 MATL_ID='1'/

&MATL ID='1' FYI='Beton' CONDUCTIVITY=1.4 DENSITY=2150 SPECIFIC_HEAT=0.88/

Здесь параметр THICKNESS группы параметров SURF имеет значение 0.25, соответствующее размеру ячейки.

Элемент «Стена», имеющий форму полигона{width=80%}