Wyznaczenie i ustawienie mocy pożaru w symulacjach FDS

#CFD
#FDS
#modelowanie pożaru
#HRR

Wstęp

Modelowanie CFD (Computational Fluid Dynamics) w dziedzinie pożarów pozwala inżynierom i naukowcom na przewidywanie zachowań ognia w różnych scenariuszach. Jednym z kluczowych elementów takich symulacji jest odpowiednie określenie mocy pożaru (ang. Heat Release Rate, HRR), która odgrywa fundamentalną rolę w prognozowaniu dynamiki pożaru, jego rozwoju oraz wpływu na otoczenie. W tym artykule przedstawimy, jak wyznaczyć i skonfigurować moc pożaru w środowisku Fire Dynamics Simulator (FDS), omawiając teoretyczne podstawy, praktyczne aspekty konfiguracji oraz narzędzia wspomagające weryfikację.

Czym jest moc pożaru?

Moc pożaru odnosi się do ilości energii uwalnianej podczas spalania w określonym czasie. W modelowaniu CFD jest to jeden z podstawowych parametrów, który pozwala na realistyczne odwzorowanie procesów zachodzących w czasie rzeczywistym.

  • Definicja HRR: HRR to tempo uwalniania ciepła w jednostkach kW lub MW, określające intensywność pożaru.
  • Kluczowe parametry:
    • Rodzaj materiału palnego (np. drewno, tworzywa sztuczne).
    • Dostępność tlenu – procesy spalania mogą przebiegać w warunkach tlenowych (pożary dobrze wentylowane) lub beztlenowych.
  • Przykładowe wartości:
    • Palenie świeczki: ok. 30 W.
    • Pożar w salonie z meblami tapicerowanymi: 1-3 MW.
    • Pożar dużego magazynu: do 20 MW i więcej.

Wyznaczanie mocy pożaru

Prawidłowe określenie mocy pożaru wymaga uwzględnienia kilku aspektów, takich jak właściwości paliwa, tempo spalania i dostępność tlenu.

  1. Rodzaj paliwa:
    • Dla każdego materiału palnego określa się jego ciepło spalania (heat of combustion, w MJ/kg), które można znaleźć w literaturze technicznej lub bazach danych.
    • Na przykład, drewno ma ciepło spalania na poziomie ok. 17 MJ/kg, a tworzywa sztuczne, takie jak polietylen, mogą osiągać nawet 40 MJ/kg.
  2. Krzywa HRR w czasie:
    • Pożary mają różne fazy:
      • Faza początkowa: Wzrost mocy pożaru.
      • Faza rozwinięta: Stabilizacja mocy.
      • Faza wygaszania: Stopniowe obniżanie mocy.
    • Można to modelować za pomocą funkcji RAMP w FDS.
  3. Uwzględnienie warunków otoczenia:
    • Wentylacja: Otwory drzwiowe i okienne mają wpływ na rozwój pożaru.
    • Materiały konstrukcyjne: Mogą absorbować ciepło, zmieniając dynamikę spalania.

Konfiguracja mocy pożaru w FDS

W FDS moc pożaru definiuje się za pomocą powierzchni (SURF) oraz parametrów związanych z uwalnianiem ciepła. Oto podstawowe kroki konfiguracji:

  1. Parametr HRRPUA (Heat Release Rate Per Unit Area):
    • Określa moc pożaru na jednostkę powierzchni (kW/m²).
    • Na przykład, dla standardowego pożaru tapicerki można ustawić wartość 500 kW/m².
  2. Ustawienie krzywej czasowej za pomocą RAMP:
    • Definiuje rozwój mocy pożaru w czasie.
    • Przykład:
&SURF ID='Fire',
      HRRPUA=500.0,
      RAMP_Q='fire_ramp' /

&RAMP ID='fire_ramp', T=0.0, F=0.0 /
&RAMP ID='fire_ramp', T=10.0, F=1.0 /
&RAMP ID='fire_ramp', T=60.0, F=1.0 /
&RAMP ID='fire_ramp', T=120.0, F=0.0 /

W powyższym przykładzie pożar osiąga maksymalną moc po 10 sekundach i utrzymuje ją przez 50 sekund, po czym stopniowo wygasa.

  1. Definicja reakcji chemicznej:
    • Określenie rodzaju paliwa i produktów spalania:
&REAC ID='Polietylen',
      FUEL='C2H4',
      CO_YIELD=0.01,
      SOOT_YIELD=0.015 /

Narzędzia wspierające modelowanie

W procesie weryfikacji i wizualizacji wyników pomocne są następujące narzędzia:

  • Smokeview:
    • Wizualizacja rozkładu temperatur, koncentracji dymu i przepływu powietrza w 3D.
  • Dokumentacja FDS:
    • Szczegółowe informacje na temat parametrów i przykładów konfiguracji można znaleźć w przewodniku użytkownika.

Przykłady zastosowania

  1. Symulacja pożaru w pomieszczeniu mieszkalnym:
    • Analiza ewakuacji i wydolności systemów oddymiania przy mocy pożaru wynoszącej 3 MW.
  2. Badanie magazynu:
    • Wpływ otworów wentylacyjnych na rozwój pożaru o mocy 10 MW.

Podsumowanie i najlepsze praktyki

  • Kluczowe kroki:
    1. Określ parametry materiału palnego.
    2. Zdefiniuj rozwój mocy w czasie (krzywe HRR).
    3. Zweryfikuj symulację za pomocą narzędzi wizualizacyjnych.
  • Unikaj błędów:
    • Dokładnie sprawdź jednostki (kW/m² vs MW).
    • Uwzględnij wentylację, by uniknąć zbyt uproszczonych założeń.

Źródła i literatura

  1. NIST, Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide.
  2. Dokumentacja Smokeview.
  3. Poradniki użytkownika FDS.

Słowa kluczowe

moc pożaruFDSsymulacje CFDHeat Release RateHRRmodelowanie pożaru

Spis treści