Pierwsza analiza w FDS: Konfiguracja krok po kroku

Uruchomienie pierwszego modelu w oprogramowaniu Fire Dynamics Simulator (FDS) to fundamentalny etap dla każdego analityka rozpoczynającego pracę z obliczeniową mechaniką płynów (CFD) w inżynierii pożarowej. Ten poradnik krok po kroku pokazuje, jak przygotować i uruchomić prosty scenariusz pożarowy, od zdefiniowania geometrii po wizualizację wyników. Opanowanie podstaw jest kluczowe do poprawnej interpretacji danych z analizy rozprzestrzeniania się ognia i prognozowania zachowania dymu.

Czym jest FDS i jak się przygotować?

Fire Dynamics Simulator to zaawansowane oprogramowanie do symulacji pożaru z dziedziny CFD, rozwijane przez National Institute of Standards and Technology (NIST) w USA. Do analizy przepływów turbulentnych standardowo wykorzystuje ono Model Wielkich Wirów (LES). Przygotowanie analizy polega na stworzeniu precyzyjnego pliku wejściowego (z rozszerzeniem .fds), który jest plikiem tekstowym opartym na składni list nazw FORTRAN. Każdy blok parametrów rozpoczyna się znakiem & i kończy /.

Przed rozpoczęciem pracy, warto utworzyć dedykowany folder projektu. Będą w nim przechowywane zarówno pliki wejściowe, jak i wszystkie dane wynikowe. Dla początkujących użytkowników oraz przy złożonych modelach pomocne mogą być interfejsy graficzne (GUI), takie jak PyroSim, które ułatwiają tworzenie geometrii i generowanie kodu.

Struktura pliku wejściowego

Każdy plik wejściowy musi mieć klarowną strukturę:

1. Nagłówek (&HEAD): Zawiera identyfikator (CHID) i tytuł (TITLE) projektu.
2. Ciało modelu: Definicje siatki, geometrii, materiałów, reakcji i parametrów obliczeń.
3. Zakończenie (&TAIL): Pusty znacznik, który jednoznacznie kończy plik wejściowy.

Określenie celu i zakresu analizy

Pierwszym krokiem jest przełożenie celu analizy na konkretne parametry modelu. Najważniejsze z nich to:

• Siatka obliczeniowa (&MESH): Definiuje przestrzeń, w której prowadzone będą obliczenia. Parametr XB określa granice domeny, a IJK jej rozdzielczość (liczbę komórek).
• Czas trwania (&TIME): Parametr T_END precyzyjnie określa w sekundach, jak długo mają trwać obliczenia.
• Zapis wyników (&DUMP): Atrybut NFRAMES kontroluje, ile klatek wynikowych zostanie zapisanych na potrzeby wizualizacji.

Należy również pamiętać o zdefiniowaniu warunków początkowych, takich jak domyślna temperatura (20°C) i ciśnienie otoczenia.

Kluczowy element: Definicja siatki obliczeniowej MESH

Siatka obliczeniowa, definiowana za pomocą namelisty &MESH, jest fundamentem każdego modelu w FDS. Określa trójwymiarową domenę, w której solver rozwiązuje równania opisujące dynamikę pożaru i propagację dymu. Prawidłowa definicja siatki jest kluczowa dla dokładności i stabilności numerycznej symulacji numerycznej.

Granice i rozdzielczość siatki

• XB: Określa współrzędne geometryczne (w metrach) definiujące fizyczne granice domeny obliczeniowej wzdłuż osi X, Y oraz Z.
• IJK: Ustala rozdzielczość siatki poprzez zdefiniowanie liczby komórek obliczeniowych w każdym z trzech kierunków.

Jakość siatki w obszarze pióropusza konwekcyjnego można ocenić za pomocą wskaźnika D/dx_, gdzie _D** to charakterystyczna średnica pożaru, a dx to rozmiar komórki. Dla uzyskania wiarygodnych wyników wartość wskaźnika powinna mieścić się w przedziale od 4 do 16. Poprzez dyskretyzację przestrzeni, siatka tworzy strukturę dla precyzyjnego **modelowania przepływu**.

Modelowanie geometrii: Przeszkody OBST i otwory VENT

Precyzyjne odwzorowanie geometrii analizowanego obiektu jest kluczowe. Służą do tego dwa podstawowe elementy: przeszkody (OBST) i otwory (VENT).

• Przeszkoda (&OBST): Służy do reprezentowania stałych, nieprzepuszczalnych elementów, takich jak ściany, stropy, podłogi czy meble. Jej lokalizację i wymiary definiuje się za pomocą parametru XB. Można jej przypisać właściwości powierzchniowe (SURF_ID), aby zdefiniować jej właściwości termiczne lub uczynić ją źródłem ognia.
• Otwór (&VENT): Modeluje elementy takie jak drzwi i okna. Jego geometrię również określa XB. Atrybut SURF_ID='OPEN' oznacza, że otwór jest w pełni otwarty, co jest fundamentalne w analizach, gdzie istotna jest wentylacja pożarowa i modelowanie rozprzestrzeniania się dymu.

Weryfikacja geometrii

Aby sprawdzić poprawność modelu bez uruchamiania czasochłonnych obliczeń, ustaw w sekcji &TIME parametr T_END=0. Program przetworzy geometrię i wygeneruje plik do wizualizacji w SmokeView, kończąc działanie przed rozpoczęciem właściwej analizy.

Jak zdefiniować źródło pożaru? Komendy REAC i SURF

Definicja źródła ognia jest kluczowa dla modelowania zjawisk pożarowych. Proces ten składa się z dwóch etapów: zdefiniowania chemii spalania (&REAC) oraz określenia energii emitowanej przez płonącą powierzchnię (&SURF).

1. Wybór paliwa (&REAC): Lista &REAC definiuje reakcję chemiczną. Parametr FUEL określa rodzaj paliwa, np. FUEL='PROPANE', co instruuje program, aby użył predefiniowanych właściwości stechiometrycznych dla propanu.
2. Definicja mocy pożaru (&SURF): Komenda &SURF pozwala zdefiniować właściwości termiczne powierzchni. Kluczowy jest tu parametr HRRPUA (Heat Release Rate Per Unit Area), który określa moc pożaru na jednostkę powierzchni (w kW/m²). Pozwala to precyzyjnie kontrolować dynamikę rozwoju pożaru.

Zdefiniowana powierzchnia emisyjna musi zostać przypisana do obiektu w geometrii za pomocą parametru SURF_ID w definicji &OBST.

Uruchomienie analizy i dalsze kroki

Po pomyślnej weryfikacji geometrii i ustawieniu docelowego czasu w T_END można uruchomić pełne obliczenia CFD. Proces uruchamia się z wiersza poleceń:

bash fds nazwa_pliku.fds

Po zakończeniu obliczeń uzyskane wyniki należy zwizualizować (np. w SmokeView) i poddać walidacji. Porównanie z danymi eksperymentalnymi lub uznanymi benchmarkami jest kluczowe dla potwierdzenia wiarygodności modelu. Poprawnie przeprowadzona analiza dymu i analiza termiczna dostarczają cennych danych dla inżynierów bezpieczeństwa pożarowego.