Υπολογιστική προσομοίωση ροικών και θερμικών φαινομένων υποαεριζόμενων φωτιών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η μελέτη και η υπολογιστική προσομοίωση υποαεριζόμενης φωτιάς, σε κτιριακούς χώρους. Ο όρος υποαεριζόμενη φωτιά, αφορά σε φωτιά στη οποία, κατά την εξέλιξή της, το καύσιμο βρίσκεται σε περίσσεια ποσότητα σε σχέση με το οξειδωτικό συστατικό (αέρας καύσης). Τα συμπεράσματα που ανακύπτουν από τη μελέτη της συμπεριφοράς και της εξάπλωσης φωτιάς σε κτίριο, αποτελούν σημαντική πηγή πληροφορίας τόσο για τη μελέτη της ασφάλειας και υγείας, των ατόμων που ζουν και εργάζονται στο ίδιο το κτίριο, αλλά και σε διπλανά κτίρια, όσο και για τη μελέτη της δομικής κατασκευής και των πυροσβεστικών και κατασταλτικών μέσων που πρέπει να εγκατασταθούν σε αυτό. Η εργασία στηρίχθηκε στη τεχνική οδηγία 1483 του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST-National Institute for Standards and Technology) των ΗΠΑ[8] και στη δημοσίευση [6]. Για την υπολογιστική προσομοίωση των φαινομένων της φωτιάς, χρησιμοποιήθηκε το διαδεδομένο και ελεύθερο λογισμικό υπολογιστικής ρευστομηχανικής ανοικτού κώδικα FDS (Fire Dynamics Simulator) το οποίο αναπτύχθηκε από το Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST-National Institute for Standards and Technology) των ΗΠΑ, το οποίο εξειδικεύεται στην υπολογιστική προσομοίωση φωτιάς. Στόχος και σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση δυνατότητας υπολογιστικής προσομοίωσης υποαεριζόμενης φωτιάς σε χώρους κτιρίων διαφορετικής γεωμετρίας, στον οποίο υπάρχει μόνο φυσικός αερισμός, και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ακρίβεια προσομοίωσης, ως προς τα υπολογιζόμενα μεγέθη του πεδίου ροής, σε σχέση με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα, που υπάρχουν στις παραπάνω δημοσιεύσεις. Η παρούσα εργασία αποτελείται από 5 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά το φαινόμενο της υποαεριζόμενης φωτιάς όπως επίσης και εμπειρικές και πειραματικές σχέσεις και συσχετίσεις από τη διεθνή βιβλιογραφία σε σχέση με τη μελέτη του πεδίου ροής υποαεριζόμενων φωτιών, σε κτιριακές εγκαταστάσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η δυνατότητα υπολογιστικής προσομοίωσης φωτιών και τα χαρακτηριστικά τυπικού κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής για τη προσομοίωση πεδίου ροής φωτιάς, και παρουσιάζονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά και υπομοντέλα που περιλαμβάνει ο κώδικας FDS (Fire Dynamics Simulator), ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στη παρούσα εργασία, σε σχέση με τη προσομοίωση φωτιάς. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υπολογιστική προσομοίωση υποαεριζόμενης φωτιάς, με το πρόγραμμα FDS, ενός πειραματικού δωματίου κτιρίου, στο οποίο έχει διερευνηθεί πειραματικά το πεδίο ροής υποαεριζόμενης φωτιάς, και η εξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με τη δυνατότητα ικανοποιητικής υπολογιστικής προσομοίωσής του. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η υπολογιστική προσομοίωση υποαεριζόμενης φωτιάς, με το πρόγραμμα FDS, επιμήκους δωματίου διαμερίσματος κτιρίου το οποίο συνοδεύεται από πρόσοψη, στο οποίο έχει διερευνηθεί πειραματικά το πεδίο ροής υποαεριζόμενης φωτιάς, και η εξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με τη δυνατότητα ικανοποιητικής υπολογιστικής προσομοίωσής του. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια συνολική αποτίμηση της εξέλιξης φαινομένου της υποαεριζόμενης φωτιάς σε κτιριακές εγκαταστάσεις, σε σχέση με τη δυνατότητα υπολογιστικής προσομοίωσής της, με τη χρήση του υπάρχοντος λογισμικού. Συμπερασματικά, η υπολογιστική προσομοίωση του φαινομένου της υποαεριζόμενης φωτιάς σε κτιριακές εγκαταστάσεις με τα υπάρχοντα υπολογιστικά εργαλεία τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στη παρούσα εργασία, σε γενικές γραμμές, αποδεικνύεται επιτυχής. Λόγω των πολύπλοκων διαδικασιών που συμβαίνουν κατά την εξέλιξη των φαινομένων της φωτιάς, κρίνεται αναγκαία η παραπέρα πρόοδος των υπολογιστικών εργαλείων προσομοίωσης, σε συνάρτηση με τη τεχνολογία εξέλιξης των υπολογιστικών συστημάτων ώστε να αυξηθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων και να μειωθεί ο χρόνος προσομοίωσης.

The object of this postgraduate thesis is the study and the computational simulation of the under-ventilated fires in building structures. The definition “ under-ventilated fire”, refers to fires that during their growth, the available fuel to be burnt, is in abundance, in relation to the available oxidant substance (air of combustion). The deductions that emerge from the study of the behavior and the spread of an under-ventilated fire in a building structure, form a significant source of knowledge, not only for the safety and health of the individuals that live and work in the same building, and the adjacent residential area, but for the endurance of the structural elements against the fire heat, and the appropriate repressive means that have to be installed in it, to encounter the devastating consequences of a hazardous fire. The present thesis is based on the technical note No. 1483 of the US National Institute of Standards and Technology-NIST [8] and the technical report [6]. For the computational simulation of the fire cases studied in the present thesis, the well known, free and open source software FDS (Fire Dynamics Simulator),that is specialized in the computational simulation of a fire, is used. The software core code developed and is still under the development and optimization, by the US National Institute for Standards and Technology in cooperation with the technical research centre of Finland (VTT). The aim of the present thesis is to explore the scope of the computational efficiency of the present software in simulating under-ventilated fires in building structures with different geometries, with natural ventilation only, and the inferences that emerge, about the accuracy of the values of the considered computed quantities of the fire flow field, in relation to experimental values of the same quantities on the same node of the flow field grid, published in the reports mentioned above. The present thesis, comprises five chapters. The first chapter presents analytically, the under-ventilated fire phenomenon, as well as, experimental and empirical correlations from the international bibliography and literature, about the under-ventilated fire flow field in building structures. In the second chapter, is presented the potential and the feasibility of numerical simulation of fires, and a typical computational mechanics code characteristics for the fire simulation. In addition, are presented analytically, the characteristics and the submodels included in the FDS code, for the simulations performed in this thesis. In the third chapter, is presented an under-ventilated fire computational simulation, in a full scale model compartment of a building, for which there are experimental data about the under-ventilated fire flow field that occurs inside it, and the inference in relation to its computational simulation feasibility. In the fourth chapter, is presented an under-ventilated fire computational simulation, in a corridor like compartment model with external facade, for which there are experimental data about the under-ventilated fire flow field that occurs inside it, and the inference in relation to its computational simulation feasibility. In the fifth chapter, is presented a total evaluation and assessment about the growth and evolution of an under-ventilation fire in different geometry building structures, in relation to the computational simulation potential, using the existing fire simulation software. Generally, the computational simulation of building under-ventilation fires, with the existing computational tools, that are used in this present thesis, is satisfactory enough, and the experimental results are in good agreement, with the corresponding computational. Because of the intricate phenomena that occur during the under-ventilated fire process, it is necessary for the fire engineers society, the continuous development and progress of the existing computational tools, in relation to the evolution of the performance of the computing systems, for the decrease of the simulation time, and the increase of the simulation accuracy.