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建筑设计中的消防系统建模与仿真

2019年 1月 29日

当提到防火措施时,您首先想到的可能是让所有人都安全撤离建筑物的后勤工作(即避免接触有害烟雾、化学物质和高温)。支持这些后勤工作的是一些主动措施,例如警报和自动喷水灭火系统,以及内置在其结构中的一些被动措施,以尽量减少损失。为了确保在设计建筑物时考虑到防火措施,工程师可以模拟暴露在火中的建筑物结构的状态。 为火灾做准备 想象一下,当您正在工作,准备一个重要的演讲时,一个刺耳的警报响起。当您把头伸出会议室门外时,看到闪烁的灯光。 您对一位路过的同事说:“我不知道今天有消防演习。” 他一边回答说:“没有”,一边冲出大厅。 然后,你就会闻到烟味。 幸运的是,如果真的发生火灾,您的工作场所已不止一次地练习疏散撤离建筑物,您知道最快的出口路线(以及备选路线)。如果您是房间里的最后一个人,则要关闭(但不要锁上)身后的门,并且知道大家都去哪里集合并等待消防人员的到来。 在遵循上述步骤并安全撤离大楼后,您和您的同事在外面闲逛,并推测导致警报响起的原因。大楼里是真的着火了吗?当您看到有不止一辆消防车来的时候,您会担心情况可能会比想象的要糟糕一些。过了一会警报关闭后,消防人员携带各种工具进进出出,有些在大厅里扫地,有些在清扫周边。 最后,消防员开始收拾装备并准备离开,在大厅里您看到老板与大楼经理在说话。随后老板让所有人聚在一起,然后说:“好吧,大家!我们需要来谈一谈微波炉的安全问题了。” 当他举起一个酥脆的,略带烧焦的爆米花时,轻松的笑声在人群中荡漾开来。尽管引起混乱的原因是一个午后的小点心,但您仍然感激每个人都遵循程序并安全地撤离了大楼。 典型的火警喇叭/频闪灯。 就像您的工作场所为火灾事件提前做好了准备一样,在每个建筑物投入使用之前,设计它的工程师和建筑师就考虑到了突发火灾的情况并做出了相应的计划。无论是对于医院,住房或是高层公寓大楼,安全规范有助于建筑行业专业人员在测试材料的强度和耐火性以及采用防火和防烟方法时遵守公认的规范。 其中一套规范是欧洲制定的标准(EN)1991 ——《建筑物结构上的作用》。在该标准中的1991-1-2(“对建筑物暴露在火中的结构设计”)章中详细介绍了防火的结构设计,温度对结构的影响,以及火灾密度等。用仿真软件对建筑物火灾进行分析,必须遵循上述所说的规范。 牢记这一标准,接下来我们将向您展示用COMSOL Multiphysics®软件进行建筑物防火模拟的示例。在此之前,让我们来看一下在最开始设计建筑物时应考虑的一些防火措施。 平衡主动和被动消防系统 在设计一栋建筑物时,最重要的是考虑建筑物的整体性。在建筑物理中,了解建筑的物理性有助于创建高性能的结构并延长其生命周期。除了遵守规范外,建筑物理学关注的领域还包括建筑设施的管理、取证、修复、保护以及拆除和回收。 如今,那些对建筑物理学感兴趣的人经常使用模拟仿真来测试建筑系统设计的可靠性以及其他所需的功能,例如隔音等。对于解决消防背后的复杂物理问题并满足设计承重结构的标准,仿真也是很有用的方法。虽然真实火灾的特征可能是无法预测的,但模拟可以帮助工程师分析不同的场景并最大程度地减少火灾的危害。此外,不同类型的保护系统对火和烟雾的反应也有所不同。因此,在每个设计中都必须考虑到加热和冷却的效果,无论是对于带有钢梁和钢筋混凝土的结构系统还是机械系统(例如通风系统)。 梁中的热应力(兆帕)。 工程师在设计建筑物时通常会考虑两种类型的防火措施:主动措施和被动措施。在火灾期间,我们通常会考虑采取主动措施:探测和预警系统,灭火或控制火灾的自动灭火系统(如洒水装置),消防区域和逃生路线。但是对于整体消防而言,采取被动措施同样很重要,这些措施可确保建筑物的结构完整并减缓或阻止火灾蔓延。在消防方面,最好同时拥有主动和被动消防系统,以防一个或多个系统出现故障。 防火材料和建筑设计 材料在建筑物理中起着关键作用,对于防火也是如此。工程师必须遵守(例如)钢制接缝系统、混凝土地板、矿棉隔热材料以及石膏基灰泥和墙板等材料的耐火等级,并且必须是在保持建筑物结构完整性的同时遵守耐火等级。 为建筑物的关键部件选择最佳材料后,工程师还需要研究其内部结构。我们采取分隔的方法,例如设置防火屏障(如墙和门),这样即使建筑物有部分倒塌,这些分隔的结构仍然保持直立状态。这些防火屏障还可以在一段很长的时间将火和烟限制在一定区域内,以便可以让建筑物内的人们能够安全撤离。主动措施与这些被动屏障系统协同工作,有助于快速检测烟雾,保持封闭区域内尽可能清新,并在发生火灾时抑制大火的蔓延。 由于障碍物内的开口(例如窗户)以及水管工或电工所做的一些改动,设计这些障碍物并保持其耐火性就变得极具挑战性。此外,在设计这些屏障时,需要考虑在风管中使用防火阀的位置。还有一个重要的步骤是测试防火玻璃和框架,经常检查障碍物是否存在不足,在电缆上涂上涂料,并根据需要使用其他防火措施。 被动消防系统包括耐火隔热材料和管道系统(左)。窗户玻璃和框架(右)应进行防火测试,尤其是在防火屏障中。 为了满足防火的需求,建筑物的材料也在不断改善。人们对建筑物的要求越来越高,需要越来越高的可持续发展性。能够适应这种趋势的材料包括工程木材,如交叉层压木材,层压单板木材和胶合层压木材。然而,使用木质材料,尤其是高层建筑所需的那种结构系统,可能会增加燃料负荷,导致火灾加剧,同时会使主动和被动系统都不堪重负。 此外,较轻的材料(如石膏墙板和电线的耐火喷雾剂)也被更多地用于高层建筑物。正因为如此,建筑规范正在发生变化,越来越多地依赖于主动保护措施,而不是被动措施,这又意味着被动措施存在被忽视的风险。 电线和电缆可以涂阻燃剂,以改善消防系统。 工程师在评估风险和制定建筑防火方案时,他们必须考虑材料的耐火性,这意味着需要进行大量研究和实验,以确保被动和主动措施均符合规范。 对建筑进行建模探究火灾对结构的影响 建模用到了COMSOL Multiphysics和其附加的传热模块。让我们看一看这些仿真模型(您可以在应用程序中找到),这些模型的建立满足欧洲规范的“暴露于火灾中的结构”。这些单个模型可能看起来很简单,但是它们可以让您使用模拟软件准确地获取重要的消防信息。 冷却和加热 前面两个例子涉及冷却和加热过程。在第一个示例中,对瞬态冷却过程进行了建模,结果显示了1800秒时间内的温度分布。将模拟结果与欧洲规范的结果进行比较后发现,模拟结果在规范指定的有效范围之内。对于第二个示例,其在180分钟后的温度分布,与参考温度也非常接近。 冷却过程超过1800秒,显示参考温度(蓝色)和计算温度(绿色)。 多层传热 通过模拟还可以帮助您研究具有不同特性的不同材料层中的热传递。(在这种情况下,外层材料是钢,其材料属性通过欧洲规范给出。)该模型从初始温度1000°C开始计算180分钟内的传热情况。结果与欧洲标准中给出的温度非常匹配。 仅在材料的热容存在强非线性的时候温度计算其绝对误差结果与规范有一定偏离。我们可以对我们的结果充满信心,因为参考值是由不同软件包计算结果取平均而来,并且这些值中存在异常值是导致该区域的温度过低的原因。 左图:模型几何图形和图层设置。右图:180分钟后的温度分布。 热伸长率 本示例验证计算出的伸长率与预期值相匹配。将模型的几何形状设置为边长为100 mm且温度均匀的的立方体。模型本身就是一个纯粹的结构力学问题。这里,模拟结果和参考值是完全匹配的,这是可以预料到的,因为热应变函数定义了形变,而形变是可以计算出来的。 显示热伸长率的立方体模型。 梁中的热应力 这个例子描述了暴露在温度梯度下的梁的非线性力学行为。该模型将传热和固体力学耦合在一起,应力-应变关系是取决于温度和应变的非线性函数。 在模型中,梁的上下表面可能会暴露在不同的温度下。在第一种情况下,两侧的温度都升高到120°C。然而,在第二种情况(如下所示)下,上侧(Tu)的温度为20℃,而下表面(Td)的温度为220℃。然后将主应力与参考值进行比较。在两种情况下,误差均在可允许范围内(即,低于最大允许误差5%)。 在Tu = 20°C和 Td = 220°C 时的应力分布。 由于COMSOL Multiphysics能够验证欧洲规范的测试用例结果,因此工程师可以使用仿真软件来研究建筑设计中消防系统的主动和被动措施。 下一步 了解如何创建本文提供的基准模型的详细信息,请单击下面的按钮。在案例库,您可以查看这些示例的文档,并(如果您具有有效的软件许可证)下载MPH文件。 获取教程模型 延展阅读 在COMSOL的博客上了解一家公司如何提高放射性材料屏蔽系统的耐火性 有关建筑物理和模拟的更多信息,请查看此博客文章:使用建筑物理模拟改善建筑设计 编者注:这篇博客文章旨在演示COMSOL®软件在构建物理模拟分析中的功能。此处提供的信息并不可以作为消防安全建议或专业知识。

主题演讲视频:通过仿真优化电缆系统

2019年 1月 28日

电缆为高空飞机、地下矿井和海上风电场提供电力。根据使用情况,电缆的形状、尺寸和环境可能有很大不同——所有这些因素都会影响其性能。

主题演讲视频:EPFL 通过仿真拿下超级高铁大赛冠军

2019年 1月 22日

EPFLoop 团队凭借其设计的超级高铁舱站上了 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的领奖台,他们展示的方案让观众们大饱眼福。

球形止回阀中的流-固耦合建模与仿真

2019年 1月 21日

在流-固耦合(FSI)现象中,流体会影响结构,结构同时也会影响流体流量,或者互相影响。使用流-固耦合对装置进行建模时,您可能需要模拟其中一种单向影响(耦合)的情况,也可能需要模拟流体和固体相互影响的情况。

网格自适应的 2 种方法——实现更高效的计算

2019年 1月 16日

网格自适应的目标是修正网格以更有效地解决问题。通常,我们希望使用尽可能少的单元来获得精确的解;并希望在不太重要的区域使用较粗糙的网格,而在感兴趣的区域使用较精细的网格。有时,我们甚至可能会考虑各向异性单元。从 5.4 版本开始, COMSOL Multiphysics® 软件内置了增强工具以适应网格的变化。今天,让我们来看看在 COMSOL 软件中,如何使用网格自适应方法实现更高效的计算。 确定所需网格单元的大小 为了调整网格,我们必须知道实际所需的网格单元大小。但是,在实际工作中,需要进行大量的研究才能找到合适的尺寸。在 COMSOL Multiphysics 中,我们可以在研究中使用 自适应和误差估计 功能(用于稳态和特征值问题),基于内置误差估计自动调整网格。 在 COMSOL 软件中可以灵活地进行网格自适应,而不只是局限于内置误差估计。比如,我们可以先在粗网格上求解一个较简单的问题,然后基于该解通过计算的表达式来控制一个较难问题的单元尺寸。另外,还可以使用导入的插值函数或任何函数。 本文不涉及这方面内容,而是假设我们已经隐式或显式地知道所需的单元大小是 x,y 和(在 3D 中)z 的函数。这意味着网格单元边长由该边中点坐标的函数表达式确定。通常,不可能完全满足此要求,即使是一个三角形也需要满足三角形不等式。但是,请记住:尺寸表达式表示空间中每个点上所需的单元边长。 根据尺寸大小函数适应网格的 2 种方法 在 COMSOL Multiphysics 中,从 网格 节点开始工作时,有 2 种本质上不同的方法来构建适应尺寸大小函数的网格。 第一种方法,我们可以在网格划分序列中使用大小表达式 属性来改变生成网格的大小。如果我们使用研究里的网格自适应,则相当于选择了 重建网格 选项,其中的自由网格生成器(自由三角形网格,自由四边形网格和自由四面体网格)会考虑这个尺寸大小。另一方面,结构化方法(例如映射 和扫掠,和某种程度上的边界层)忽略了大小表达式属性(根据定义,结构化网格不能遵循大小可变的字段)。简单来说,就是如果我们构建的是结构化网格,则可能无法使用此方法。 另一种方法是使用 自适应 操作。此操作通过单元细化和粗化修改现有的网格。我们可以在具有任何单元类型的网格上以及在导入的网格上使用自适应操作。这是一种更强大的方法,并且能够更好地遵循指定的大小表达式。但是,结果通常不如从头开始生成的网格平滑。 下面,我们将详细讨论这两种方法,看看结果有何不同。 使用大小表达式属性 如前所述,使用大小表达式属性方法通常能获得高质量的网格。但是,如果它产生的单元质量较差,则可能不遵守所需的大小(例如,进行快速大小转换时)。有关网格质量的讨论,请阅读 COMSOL 博客文章:如何检查 COMSOL Multiphysics® 中的网格。由于网格在每一次适应时是从零开始构建的,因此对于复杂的几何形状而言,此过程可能很耗时。 使用大小表达式属性对圆形几何的三角形网格应用一个表达式,结果具有高质量的网格单元和平滑的尺寸过渡。 如果我们具有已知的大小表达式(例如,全局插值函数),则在背景栅格上进行计算通常会很方便(在上图中的栅格基础上计算)。我们需要确保栅格分辨率足够高以捕获大小表达式描述的所有特征。 当大小表达式取决于已知的空间变化量(例如材料)时,我们可以使用初始表达式计算选项。之后,可以使用模型中的任何表达式。软件将会在求解前计算表达式(对应于获取求解步骤的初始值命令,可用于研究步骤)。我们还可以指定某个研究步,因为一些表达式的值取决于研究。 最后,我们还可以在现有解上计算。表达式类型为错误指示器 用于内置错误估计,但我们也可以使用任何大小表达式——这可能依赖于现有的解。例如,我们可能想在应力较大的地方细化网格。 使用自适应操作 另一种方法是基于现有的网格,对其进行修改以匹配所需的大小。这就是自适应 操作的作用。它适用于所有尺寸,也可作用于导入的网格。它的许多选项和输入字段与大小表达式 属性相同。 该操作有三种适应方法:最长边细化,常规细化 和通用修改。两种细化方法是基于单元边的二等分法,由于这些单元边太长,保留了所有现有的网格顶点,因此这些方法无法粗化网格。 自 5.4 版本开始,COMSOL Multiphysics 软件内置了通用修改 方法。顾名思义,即是以非常通用的方式修改网格: 单元可以细化 如果网格太细,可以删除顶点以粗化网格 单元可以修改,网格顶点可以移动,以提高网格质量 使用自适应操作的通用修改方法,对 大小表达式属性应用同一表达式。虽然对于大多数应用而言,网格单元质量足够高,但是大小过渡不如从头开始生成的网格平滑。 如果将适应方法更改为最长边细化,则结果如下所示。将太长的边一分为二,直到网格被充分细化。此网格操作非常快,但是即使输入网格的质量很高,该方法通常会产生低质量网格单元。 与上述模型相同,但是将自适应方法设置为 最长边细化。这里,我们可以看到原始三角形形状产生的图案。 支持所有单元类型 自适应 操作可用于所有单元类型的网格,也可以作用于结构化网格域(虽然,网格自适应后通常不再是结构化)。但是,当在复杂单元(二维中的四边形,三维中的六面体、棱柱、锥形)中使用此方法时,我们必须要小心,因为结果可能很差。下面,我们来看看在这种情况下单元尺寸大小是如何过渡的。在二维模型中,三角形插入到四边形网格中。 左:圆形几何中默认的自由四边形网格。以最大角度质量对单元进行着色。右:网格适应为与上面相同的大小表达式后的结果。请注意在尺寸过渡区域中三角形是如何使用的。 […]

通过仿真保持恒温箱中的低温

2018年 12月 31日

一架空中救护飞机从头顶飞过,急速驶向一家医院,它正在将一个器官运送到需要它的病人那里,对其进行抢救治疗。为了使器官在运输过程中保持适当的温度,它被放在一个特殊的容器里,这个容器被称为冷箱或恒温箱。通过仿真,您可以分析这些箱子的设计,以确保它们对于挽救生命是可靠的。 通过冷藏链运输易腐物品 恒温箱用于保存各种产品,包括: 器官和组织 药品 易腐食品(如烘焙食品) 疫苗 试剂 例如,当准备好器官准备捐献时,这些容器(以及保存液)是运输过程(通常称为冷藏链)的重要组成部分,因为器官可能在捐赠过程中从一个箱子转移到另一个箱子。当医疗专业人员努力寻找器官并将其传递给合适的配对者时,这个箱子可以保护器官免受高温和低温的影响。理想情况下,器官应保持在 2°C(4°C)至8°C 的特定温度范围内。当恒温箱内温度高于或低于这个温度范围时,器官就会受到损坏。 根据使用目的的不同,恒温箱可能需要持续几个小时到几天的时间。回到我们的器官的例子,许多器官最多可以保存几个小时(例如,肺大约只能保存6个小时)。疫苗没有时间限制,但是与器官一样,疫苗从制造到使用期间都需要保持在 2至8°C 的温度范围内。对于偏远地区的患者而言,此过程可能需要数周时间,并且涉及多种类型的恒温设备,例如冷藏车。 像这样的冷藏车被用来运输易腐物品,例如烘焙食品。 为了使冷藏链中没有断开的环节,每个恒温容器都必须非常好地维持其所需的温度范围。同样也需要了解箱子可以使用的有效时间。为了预测这一时间,工程师可以使用传热仿真软件来分析设计。在下一部分中,我们将看到一个使用传热模块(COMSOL Multiphysics®软件的附加产品)创建的示例。 通过传热模块对恒温箱建模 在此示例中,让我们来看一个恒温箱,它的设计是让放在其中的物体可以在2-8°C的温度下保持至少24小时。这个箱子包含三个主要组件部分: 放于箱子里的物品(例如药物) 冷源(-5°C的冰) 一种绝缘材料(泡沫),它可将冰与周围环境以及箱子中的物品分隔开 在这里,冰实际上是水和增稠剂的低共熔混合物。较高的粘度意味着当冰开始融化时,由于对流运动较少,因此升温速度较慢。另外,您可以通过假设箱子完全装满来简化模型。(如果你在运输过程中使用过度包装来保护产品免受冲击,可能会出现这种情况。) 恒温箱的3D模型。 通过在 COMSOL Multiphysics 中直接输入来自美国供热,制冷和空调工程师协会(ASHRAE)的历史气候数据,就可以轻松计算出箱子周围的温度。这里的天气数据来自西班牙塞维利亚的一个气象站。从6月1日上午6点开始,该模型将包含接下来72小时内变化的温度,温度随时间变化曲线如下图所示。通过应用对流冷却边界条件,可以看到温度是如何影响箱子的。 西班牙塞维利亚6月1日上午6时至6月4日上午6时的气温历史气象数据。 该模型的一个重要方面是冰到水的相变过程。在箱子中,共熔混合物作为一种能量存储设备,被放置在盒子的四面。当冰达到约0°C时,它就开始融化,从周围吸收能量并帮助医疗物品保持冷藏状态。因此,只要箱子中仍然有冰,它就可以防止里面的物品超过8°C这一临界温度。 既然您知道如何将温度保持在理想范围内,那么下一个问题是:这个箱子能保持低温多长时间呢?您可以在下一部分中得到解答。 恒温箱可以让放置其中的物品保持多长冷却时间? 使用这样的模型,您可以看到箱子中的温度如何随时间变化(本例中为72小时)。如下图所示,冰的温度一开始迅速上升了约4度。 该图显示了在72小时的时间内,最高和最低临界温度(虚线)与箱子内物品的温度以及融化冰的比例关系。 在接下来的24小时内,温度保持平稳状态。在随后的48小时内,温度也保持在正常范围内。但是,在此之后不久,冰就完全融化了,此时温度开始接近临界温度,之后超过了临界温度。你可以由下图看到温度随时间的推移而升高。   箱子温度的动画图。 通过这个例子可以看出,工程师可以使用仿真来分析恒温容器的设计,预测放于箱子内的物品在临界温度范围内可以停留多长时间。然后,他们可以优化设计,确保医疗产品和其他易腐物品在整个旅程中都能得到保护 下一步 单击下面的按钮,就会进入案例库中,在那里可以查看该模型的 PDF 以及 MPH 文件(需要有效的软件许可证的)。 恒温箱示例 进一步阅读 在下列博客文章中了解有关仿真的更多信息: 研究相变材料的热性能 模拟热虹吸管中的相变 具有迟滞的相变材料的热建模

主题演讲视频:仿真助力心脏泵设计改进

2018年 12月 5日

心力衰竭是一个全球性的健康问题,影响着数百万人,使他们无法正常生活。但是,如果有一种装置可以让患者的心脏保持跳动,甚至提高他们的生活质量,将会怎样呢?

有限元法(FEM)vs. 有限体积法(FVM)

2018年 11月 29日

有限元法、有限体积法或混合方法:哪一种是 CFD 仿真的最佳选择?这取决于您要求解的流体流动问题。


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