Υπολογιστική προσομοίωση διάδοσης φωτιάς σε κτίριο με συστήματα ξηράς δόμησης και με υλικά αλλαγής φάσης

Ασημακοπούλου, Ελένη Μαρίνα; Asimakopoulou, Eleni Marina

dc.contributor.author	Ασημακοπούλου, Ελένη Μαρίνα	el
dc.contributor.author	Asimakopoulou, Eleni Marina	en
dc.date.accessioned	2016-10-10T07:19:16Z
dc.date.available	2016-10-10T07:19:16Z
dc.date.issued	2016-10-10
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43753
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.6036
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Υλικά αλλαγής φάσης	el
dc.subject	Προσομοίωση φωτιάς	el
dc.subject	Γυψοσανίδα	el
dc.subject	CFD	en
dc.title	Υπολογιστική προσομοίωση διάδοσης φωτιάς σε κτίριο με συστήματα ξηράς δόμησης και με υλικά αλλαγής φάσης	el
dc.title	Numerical simulation of fire spread in a building with dry wall systems and phase change materials	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Πυρομηχανική	el
heal.classification	Fire safety engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2011-02
heal.abstract	A contemporary technique to increase the thermal mass of a building element is to incorporate a Phase Change Material (PCM) into its volume; in this case, the thermal energy absorbed (or released) during the PCM’s transition from solid to liquid phase (or vice-versa) results in a reduction of the indoor temperature fluctuations, thus affecting favourably the required total energy consumption for heating and air-conditioning purposes. Recently, gypsum plasterboards incorporating paraffin-based PCMs, encapsulated in millimetre scale polymer spheres, have become commercially available. The solid-liquid phase change occurs in the temperature range typically found in indoor environments (20-26 C). However, in the event of a fire, building materials may be exposed to substantially higher temperatures (over 800 C). In this case, the paraffins, exhibiting boiling points below 350 C, are expected to evaporate; if the encapsulation spheres fail, the produced paraffin vapours will be released to the porous structure of the gypsum plasterboard and, through mass diffusion, will emerge to the fire region, where they will ignite, thus adversely affecting the fire resistance characteristics of the building. The effect of PCM addition is investigated by performing detailed numerical simulations of the developing flow and thermal fields in a building constructed using gypsum plasterboards and exposed to fire conditions. The FDS code is used to simulate the turbulent, multicomponent and reactive flow-field developing inside a prototype building in Amfilohia. The examined building is constructed using a structural steel frame configuration with dry-wall systems. The internal and external walls consist of various layers of gypsumboard, cementboard and insulating materials. When a gypsumboard is subjected to a high temperature environment, water molecules bound in its crystal latice are released and transferred through the board, absorbing energy and thus reducing the mean wall temperature; this process is known to enhance the fire resistance characteristics of the structure. The actual thermophysical properties of all the construction and furniture house materials are taken into account, in order to accurately describe their thermal behaviour. The simulated two-storey building is considered to be completely furnished according to a standard residential configuration. The fire resistance behaviour of the building is further evaluated by considering two realistic alternative ventilation scenarios and three different technique methods. Numerical predictions of the temporal evolution of various parameters such as gas velocity, gas and wall temperatures, toxic gas concentrations and smoke movement are obtained for the entire domain that represents the interior of the building. Gas velocity and temperature predictions are used to visualize the developing flow-field and to estimate the heat flux that each building element is exposed to. Predicted wall temperatures allow the assessment of the steel frame – dry-wall construction technique in terms of fire resistance. The temperature variation of the various materials’ thermo-physical properties is taken into account by using information obtained by means of Differential Scanning Calorimetry. A conjugate heat transfer model is used to calculate the dynamically varying wall temperature; the paraffin evaporation process is modelled and the produced vapours are introduced to the flow-field as an additional gaseous “fuel” source. The CFD code is validated by utilising available experimental data, obtained in a standard ISO 9705 fire room exposed to an n-heptane pool fire.	en
heal.abstract	Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ, στο πλαίσιο του Διατμηματικού Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) ”Υπολογιστικής Μηχανικής” κατά το έτος 2010-2011. Η ενσωμάτωση υλικών αλλαγής φάσης (Phase Change Materials, PCMs) στον όγκο ενός δομικού στοιχείου αποτελεί μία σύγχρονη τεχνική προκειμένου να αυξηθεί η θερμική του μάζα. Η ενέργεια που απορροφάται (ή εκλύεται) κατά την διάρκεια της μετάβασής του PCM από την στερεή στην υγρή φάση (ή και αντίθετα) συντελεί στην μείωση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός κτιρίου. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας για σκοπούς ψύξης και θέρμανσης. Πρόσφατα έγιναν εμπορικά διαθέσιμες γυψοσανίδες με ενσωματωμένα PCM, παραφίνες μορφοποιημένες μέσα σε σφαιρίδια, κλίμακας χιλιοστών, κατασκευασμένες από πολυμερή υλικά. Η μετάβαση τους από την στερεή στην υγρή φάση συμβαίνει σε τυπικό θερμοκρασιακό εύρος που συναντάται σε εσωτερικούς χώρου κτιρίων (20-26 C). Παρόλα αυτά, στην περίπτωση μιας φωτιάς, τα δομικά υλικά μπορεί να εκτεθούν σε μακράν ψηλότερες θερμοκρασίες (πάνω από 800 C). Σε μια τέτοια περίπτωση, οι παραφίνες, εξατμίζονται και αν τα μικροσφαιρίδια που τις περιβάλλουν αστοχήσουν, οι παραγόμενοι ατμοί παραφίνης (οι οποίες έχουν σημείο βρασμού κάτω από τους 350 C) θα απελευθερωθούν μέσα από την πορώδη δομή της γυψοσανίδας. Ειδικά στην περίπτωση που κατευθυνθούν προς την εστία της φωτιάς, είναι πολύ πιθανό να αναφλεγούν και κατά συνέπεια να επηρεάσουν δυσμενώς τα χαρακτηριστικά πυρασφάλειας του κτιρίου. Μελετάται, λοιπόν, με λεπτομερή υπολογιστική προσομοίωση, η επίδραση της προσθήκης PCM σε κτίριο κατασκευασμένο από γυψοσανίδες το οποίο εκτίθεται σε συνθήκες φωτιάς, με ιδιαίτερη έμφαση στο ροϊκό και θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιείται ο κώδικας Fire Dynamics Simulator (FDS) για την πρόλεξη της τυρβώδους, πολυσυστατικής και αντιδρώσας ροής που δημιουργείται μέσα σε ένα πρότυπο κτίσμα στην Αμφιλοχία.Το υπό μελέτη κτίριο κατασκευάσθηκε με μια διάταξη χαλύβδινου σκελετού σε συνδυασμό με συστήματα ξηράς δόμησης. Η εσωτερική και εξωτερική τοιχοποιία αποτελείται από πληθώρα υλικών όπως γυψοσανίδα, τσιμεντοσανίδα και μονωτικά υλικά. Όταν η γυψοσανίδα εκτεθεί σε υψηλό θερμοκρασιακό περιβάλλον, τα δεσμευμένα στην κρυσταλλική της δομή μόρια του νερού, που απελευθερώνονται, μεταφέρονται δια μέσω της γυψοσανίδας απορροφώντας ενέργεια και μειώνοντας έτσι την μέση θερμοκρασία του τοίχου. Η παραπάνω διαδικασία είναι γνωστό ότι ενισχύει την πυραντοχή της κατασκευής. Προκειμένου να περιγραφεί με ακρίβεια η θερμική συμπεριφορά της κατασκευής, χρησιμοποιήθηκαν οι πραγματικές θερμό-φυσικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής και επίπλωσης του κτιρίου. Η διώροφη κατοικία που προσομοιώθηκε θεωρήθηκε πλήρως επιπλωμένη σύμφωνα με τα πρότυπα μιας ελληνικής κατοικίας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές μελέτες όσον αφορά στα σενάρια εξαερισμού αλλά και στις διαφορετικές τεχνικές δόμησης με γνώμονα πάντα την πυρασφάλεια του κτιρίου. Παρουσιάζεται λοιπόν η χρονική εξέλιξη μιας πληθώρας παραμέτρων όπως για παράδειγμα η ταχύτητα του αέρα, η θερμοκρασία των τοίχων, η συγκέντρωση των προϊόντων της καύσης και η κίνηση του καπνού για όλο το χωρίο που αντιπροσωπεύει το εσωτερικό του κτιρίου. Χρησιμοποιούνται μάλιστα οι προλέξεις της ταχύτητας των αερίων και η θερμοκρασία τους προκειμένου να εκτιμηθεί η ροή θερμότητας στην οποία εκτίθεται το κάθε στοιχείο της κατασκευής. Οι προλέξεις της θερμοκρασίας των τοίχων επιτρέπουν την αξιολόγηση της μεθόδου κατασκευής με χρήση χαλύβδινου σκελετού και συστημάτων ξηράς δόμησης σε σχέση με την πυραντοχή τους. Η θερμοκρασιακή διακύμανση των θερμο-φυσικών ιδιοτήτων για τα διάφορα υλικά λαμβάνεται υπόψιν μέσω της χρήσης μετρήσεων Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC). Μοντελοποιείται η εξάτμιση της παραφίνης και οι παραγόμενοι ατμοί της εισάγονται στο ροϊκό πεδίο σαν επιπλέον πηγή αέριου καυσίμου. Η εγκυρότητα του κώδικα CFD ελέγχεται χρησιμοποιώντας διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα από μια φωτιά επτανίου μέσα σε ένα πρότυπο δωμάτιο ISO9705.	el
heal.advisorName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μαρκάτος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	232 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true