Πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση ξύλινου πυροφορτίου σε συνθήκες φωτιάς

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική και η υπολογιστική διερεύνηση της συμπεριφοράς ξύλινου πυροθερμικού φορτίου σε συνθήκες φωτιάς. Συγκεκριμένα, με τη χρήση θερμιδόμετρου, στο εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης, μετράται πειραματικά η θερμογόνος ικανότητα διάφορων τύπων ξύλου. Στη συνέχεια, με τη χρήση λογισμικού υπολογιστικής ρευστομηχανικής γίνεται προσομοίωση της καύσης ξύλινου πυροθερμικού φορτίου σε δωμάτιο που επικρατούν συνθήκες μη επαρκούς αερισμού. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το θερμιδόμετρο που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις θερμογόνου ικανότητας και αναλύεται εκτενώς η θεωρία που διέπει τη λειτουργία του. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι πειραματικές μετρήσεις που έγιναν τόσο σε στερεά όσο και σε υγρά καύσιμα. Τα στερεά καύσιμα αποτελούνται από ξύλα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν κατά τη πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς έναντι φωτιάς σύγχρονων τεχνικών δόμησης με χρήση ξύλου [Κολαίτης et al., 2011]. Τα υγρά καύσιμα αποτελούνται από το επτάνιο και δύο αεροπορικά καύσιμα (JET A-1 και Aromatic+Napthene Blend) που ήταν διαθέσιμα στο εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης [Keramiotis et al., 2013]. Και στις δύο περιπτώσεις, γίνεται υπολογισμός κατώτερης θερμογόνου ικανότητας και σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται μία ιστορική αναδρομή της χρησιμοποίησης σωρών ορθογωνικά διατεταγμένων ξύλινων ράβδων (WCR) ως πυροθερμικό φορτίο σε πειράματα φωτιάς, που ξεκινάει από τη δεκαετία του 1930. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται για την ανάφλεξη των WCR σε διάφορα πειράματα φωτιάς. Ακόμη, παρουσιάζονται διαθέσιμα πειράματα μικρής και πραγματικής κλίμακας στα οποία έγινε χρήση WCR ως πυροθερμικό φορτίο. Τέλος, αναλύονται διάφορες μελέτες που έγιναν και αφορούν την προσομοίωση του WCR σε υπολογιστικά μοντέλα καθώς και ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιήθηκε κάθε φορά η καύση του. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο κώδικας υπολογιστικής ρευστομηχανικής FDS ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση πειραματικής διάταξης διερεύνησης φωτιάς σε διαμέρισμα υπό συνθήκες μη επαρκούς αερισμού [Perricone, 2005]. Αναφέρονται, αναλυτικά, οι εξισώσεις που επιλύονται καθώς και τα διάφορα μοντέλα που χρησιμοποιούνται. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο μοντέλο πυρόλυσης που χρησιμοποιείται στον κώδικα FDS καθώς και στις μεθόδους με τις οποίες περιγράφεται η πυρόλυση στερεών καυσίμων. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της χημικής κινητικής των αντιδράσεων των ξύλων που αποτελούν το WCR με χρήση της εξίσωσης Arrhenius. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται προσομοίωση της φωτιάς σε ένα δωμάτιο υπό κλίμακα στο οποίο επικρατούν συνθήκες μη επαρκούς αερισμού [Perricone, 2005]. Στη συνέχεια, αναλύονται και αξιολογούνται οι τρόποι με τους οποίους μπορεί να γίνει η προσομοίωση της καύσης του WCR χρησιμοποιώντας τον κώδικα FDS. Ακόμη, αφού επιλεχθεί ο βέλτιστος τρόπος προσομοίωσης της καύσης του WCR, γίνεται σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τις προλέξεις θερμοκρασίας. Με αυτόν τον τρόπο μελετήθηκε σε ποιο βαθμό ο κώδικας FDS μπορεί να προσεγγίσει τις πραγματικές συνθήκες καύσης του WCR σε συνθήκες μη επαρκούς αερισμού. Τέλος, πραγματοποιούνται δύο παραμετρικές μελέτες που αφορούν την επίδραση του ανοίγματος στο δωμάτιο καθώς και της συγκέντρωσης οξυγόνου. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά όλα τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, τα οποία αφορούν τον κώδικα FDS και την προσομοίωση πειραμάτων φωτιάς σε συνθήκες μη επαρκούς αερισμού. Επιπροσθέτως, παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από το πειραματικό μέρος.