Spis treści

Definiowanie przeszkód (&OBST) w FDS: Poradnik techniczny

21 stycznia 2025

#cfd

#fds

#modelowanie

#symulacja pożaru

Modelowanie obiektów fizycznych jest fundamentalnym elementem symulacji CFD w Fire Dynamics Simulator (FDS). Obiekty te, reprezentowane jako przeszkody, definiuje się za pomocą namelist &OBST. Kluczową rolę odgrywa tu parametr XB, który określa geometrię i położenie obiektu. Każda przeszkoda musi mieć również przypisane właściwości powierzchniowe poprzez powiązanie z definicją &SURF, opisującą jej charakterystykę termiczną.

Ten artykuł to szczegółowe omówienie procesu tworzenia i parametryzacji przeszkód w FDS. Wyjaśnimy ich relację z siatką obliczeniową (&MESH) oraz definicjami materiałów (&MATL).

Podstawy Definiowania Przeszkody: `&OBST` i Parametr `XB`

W FDS każda stała, nieprzepuszczalna przeszkoda, taka jak ściana, strop czy element konstrukcyjny, jest definiowana za pomocą linii &OBST. Jej rozmiar i położenie w trójwymiarowej przestrzeni określa parametr XB.

Składnia i Zastosowanie

Parametr XB przyjmuje sześć współrzędnych, które wyznaczają prostopadłościenny obiekt w domenie obliczeniowej.

&OBST ID='Sciana_Pokoju', XB=0.0, 5.0, 0.0, 0.1, 0.0, 3.0, SURF_ID='SCIANA_BETONOWA' /

XB=X_min, X_max, Y_min, Y_max, Z_min, Z_max: Definiuje granice geometryczne obiektu.
ID: Unikalny identyfikator, który ułatwia zarządzanie obiektami i analizę wyników.
SURF_ID: Przypisuje właściwości fizyczne (termiczne, palność) zdefiniowane w odpowiedniej linii &SURF.

Ważna uwaga: Sama definicja &OBST z XB tworzy jedynie geometryczną barierę dla przepływu gazów. Wszystkie właściwości fizyczne nadawane są przez &SURF.

Modelowanie Otworów

Otwory, takie jak drzwi czy okna, tworzy się nie poprzez usuwanie części istniejącej przeszkody, ale przez jej odpowiednie zdefiniowanie. Zamiast jednego dużego bloku ściany, modeluje się kilka mniejszych, pozostawiając pustą przestrzeń w miejscu planowanego otworu.

Domyślne Właściwości Powierzchni: `INERT`

Jeśli dla przeszkody &OBST nie zostanie podany parametr SURF_ID, FDS nie zgłosi błędu. Zamiast tego automatycznie przypisze jej domyślną powierzchnię o nazwie INERT. Jest to idealnie gładka, adiabatyczna i niepalna powierzchnia, która nie przewodzi ciepła. Oznacza to, że obiekt będzie w symulacji całkowicie bierny termicznie.

Grubość Geometryczna (XB) vs. Termiczna (THICKNESS)

W FDS kluczowe jest rozróżnienie dwóch rodzajów grubości, co pozwala na znaczną optymalizację obliczeń bez utraty dokładności fizycznej.

Cecha	Grubość Geometryczna (`XB`)	Grubość Termiczna (`THICKNESS`)
Definicja	Określana w nameliście `&OBST`	Określana w nameliście `&SURF`
Funkcja	Tworzy fizyczną barierę dla przepływu gazów i dymu	Definiuje grubość materiału do obliczeń przewodzenia ciepła
Wpływ na	Obliczenia hydrodynamiczne	Obliczenia wymiany ciepła i akumulacji energii

Dlaczego FDS Rozdziela Te Dwa Parametry?

Rozdzielenie to wynika z dążenia do wydajności obliczeniowej. Siatka (&MESH) potrzebna do precyzyjnego modelowania przepływu powietrza ma inną skalę (np. centymetry) niż siatka wymagana do rozwiązania problemu przewodzenia ciepła w materiale (np. milimetry). Modelowanie cienkiej ściany z jej rzeczywistą, małą grubością geometryczną w &OBST wymusiłoby zastosowanie bardzo gęstej siatki w całej domenie, co drastycznie wydłużyłoby symulację.

Praktyka: Modelowanie Cienkich Ścian

Standardową praktyką jest definiowanie cienkich elementów (ścian, stropów) jako płaszczyzn 2D o zerowej grubości geometrycznej. Taki obiekt stanowi barierę dla przepływu, ale nie zajmuje objętości w siatce. Jego rzeczywista grubość fizyczna jest następnie precyzyjnie definiowana przez THICKNESS w &SURF.

// Ściana o grubości 20 cm modelowana jako płaszczyzna 2D &OBST ID='Sciana_Wewnetrzna', XB=5.0, 5.0, 0.0, 10.0, 0.0, 3.0, SURF_ID='TYNK_GIPSOWY' / &SURF ID='TYNK_GIPSOWY', MATL_ID='GIPS', THICKNESS=0.20 /

Przeszkody w Modelach Wielosiatkowych (Multi-Mesh)

W modelach wykorzystujących wiele siatek &MESH, na ich granicach mogą pojawiać się błędy geometryczne. Dzieje się tak, ponieważ FDS automatycznie dopasowuje krawędzie obiektów do najbliższych linii siatki. Mechanizm ten nazywany jest "przyciąganiem do siatki" (snapping).

Problem: Artefakty na Granicach Siatek

Gdy obiekt leży blisko granicy dwóch siatek, sąsiednia siatka może błędnie go zinterpretować i "przyciągnąć" jego krawędź do siebie. Powoduje to powstawanie cienkich, nieistniejących w rzeczywistości powierzchni na styku siatek.

Rozwiązanie: Użycie `MESH_ID`

Aby zapobiec temu zjawisku, należy jawnie przypisać przeszkodę do jednej, konkretnej siatki, w której się ona znajduje. Służy do tego parametr MESH_ID.

&MESH IJK=50,20,30, XB=0.0, 5.0, 0.0, 2.0, 0.0, 3.0, ID='SIATKA_POKOJU_1' / &OBST ID='Sciana_Dzialowa', XB=2.5, 2.5, 0.0, 2.0, 0.0, 3.0, SURF_ID='...', MESH_ID='SIATKA_POKOJU_1' /

Dzięki MESH_ID pozostałe siatki ignorują dany obiekt, co całkowicie eliminuje ryzyko powstawania artefaktów.

Definiowanie Ścian Wielowarstwowych

FDS umożliwia precyzyjne modelowanie przegród budowlanych składających się z wielu warstw materiałowych. Proces ten obejmuje trzy kroki:

Definicja materiałów (&MATL): Każdy materiał (np. beton, wełna mineralna, tynk) jest definiowany osobno wraz z jego właściwościami termofizycznymi.
Definicja powierzchni (&SURF): Warstwy materiałów są łączone w odpowiedniej kolejności. Każdej warstwie przypisuje się materiał (MATL_ID) i grubość (THICKNESS).
Przypisanie do przeszkody (&OBST): Gotowa, wielowarstwowa powierzchnia jest przypisywana do geometrii za pomocą SURF_ID.

Kolejność Warstw i Ekspozycja Dwustronna

Kolejność definiowania warstw w &SURF jest kluczowa. FDS zakłada, że pierwszy materiał na liście stanowi powierzchnię zewnętrzną, wystawioną na działanie gazów.

Gdy obie strony przegrody mogą być poddane działaniu ognia, należy użyć parametru BACKING='EXPOSED'. Informuje on FDS, że tylna strona przegrody również jest wystawiona na warunki w symulacji i nie jest idealnie izolowana.

&MATL ID='BETON', ... / &MATL ID='IZOLACJA', ... /

// Strona A ściany &SURF ID='SCIANA_STRONA_A', MATL_ID(1)='BETON', THICKNESS(1)=0.15, MATL_ID(2)='IZOLACJA', THICKNESS(2)=0.10 /

// Strona B ściany (odwrócona kolejność materiałów) &SURF ID='SCIANA_STRONA_B', MATL_ID(1)='IZOLACJA', THICKNESS(1)=0.10, MATL_ID(2)='BETON', THICKNESS(2)=0.15 /

Zaawansowane Techniki i Dobre Praktyki

Poza podstawowymi funkcjami, FDS oferuje narzędzia do modelowania bardziej złożonych scenariuszy:

Złożone kształty (&GEOM): Do tworzenia obiektów nieprostopadłościennych (cylindry, sfery, rampy) służy grupa namelist &GEOM.
Przeszkody dynamiczne (DEVC_ID): Możliwe jest usuwanie lub dodawanie przeszkód w trakcie symulacji (np. otwieranie drzwi, zawalenie się ściany) za pomocą urządzeń sterujących (&DEVC).
Nakładające się przeszkody (OVERLAY): Gdy dwie przeszkody zajmują tę samą przestrzeń, OVERLAY=TRUE pozwala kontrolować, która z nich ma priorytet (domyślnie jest to ta zdefiniowana później w pliku).
Bardzo cienkie przeszkody (THICKEN): Parametr THICKEN=TRUE wymusza na FDS uwzględnienie obiektu, którego wymiary są znacznie mniejsze niż rozmiar komórki siatki.
Weryfikacja w Smokeview: Zawsze przed uruchomieniem docelowej symulacji należy zweryfikować geometrię w wizualizatorze Smokeview. Pozwala to na wczesne wykrycie błędów, takich jak niezamierzone otwory czy artefakty na granicach siatek.

Najczęściej zadawane pytania

Jak zamodelować otwór, np. drzwi lub okno, w FDS?

Otwory tworzy się nie przez usuwanie części ściany, lecz przez jej odpowiednie zdefiniowanie. Zamiast jednej dużej przeszkody &OBST reprezentującej całą ścianę, należy zdefiniować kilka mniejszych, które razem tworzą ścianę z pozostawioną pustą przestrzenią w miejscu planowanego otworu. Na przykład, ścianę z drzwiami modeluje się jako trzy oddzielne bloki: nad drzwiami oraz po obu ich stronach.

Co się stanie, jeśli nie przypiszę SURF_ID do przeszkody &OBST?

Jeśli parametr SURF_ID zostanie pominięty, FDS automatycznie przypisze przeszkodzie domyślną powierzchnię o nazwie INERT. Jest to powierzchnia idealnie gładka, niepalna i adiabatyczna, co oznacza, że nie przewodzi ciepła i nie bierze udziału w żadnych reakcjach. W symulacji taki obiekt będzie stanowił jedynie barierę dla przepływu, pozostając całkowicie bierny termicznie.

Czy w FDS można tworzyć obiekty o kształtach innych niż prostopadłościany?

Tak, chociaż &OBST natywnie obsługuje tylko prostopadłościany. Do modelowania bardziej złożonych kształtów, takich jak cylindry, sfery czy powierzchnie nachylone, służy grupa namelist &GEOM. Pozwala ona na łączenie i modyfikowanie podstawowych brył w celu uzyskania bardziej skomplikowanych geometrii.

Dlaczego FDS rozdziela grubość geometryczną (XB) od termicznej (THICKNESS)?

Rozdzielenie to jest kluczową strategią optymalizacyjną. Precyzyjne modelowanie przepływu płynów wymaga siatki obliczeniowej o innej skali (np. centymetry) niż dokładne obliczenia przewodzenia ciepła w materiale (np. milimetry). Definiowanie cienkiej ściany z jej rzeczywistą grubością geometryczną w &OBST wymusiłoby ekstremalnie gęstą siatkę w całym modelu, drastycznie zwiększając czas obliczeń. Dzięki rozdzieleniu można użyć optymalnej siatki dla hydrodynamiki, a jednocześnie precyzyjnie modelować procesy cieplne.

Jak uniknąć błędów geometrii na styku wielu siatek obliczeniowych?

Główną przyczyną artefaktów na granicach siatek jest mechanizm "przyciągania" (snapping), gdzie sąsiednia siatka błędnie interpretuje położenie obiektu. Aby temu zapobiec, należy jawnie przypisać każdą przeszkodę &OBST do jednej, konkretnej siatki za pomocą parametru MESH_ID='nazwa_siatki'. Dzięki temu inne siatki będą ignorować ten obiekt, co eliminuje ryzyko powstawania niechcianych powierzchni na granicach.