Modelowanie pożarów, na przykład w tunelach kablowych, jest kluczowym zadaniem w inżynierii bezpieczeństwa pożarowego. Do tego celu wykorzystuje się zaawansowane narzędzia jak Fire Dynamics Simulator (FDS), często w połączeniu z interfejsem graficznym PyroSim. FDS, stworzony przez NIST w USA, opiera się na obliczeniowej mechanice płynów (CFD) do symulacji dynamiki ognia.
Ten artykuł koncentruje się na fundamentalnym kroku każdej symulacji: prawidłowym zdefiniowaniu źródła pożaru. Wyjaśnimy, jak za pomocą poleceń &SURF i &VENT wprowadzić do modelu kluczowe parametry, takie jak:
- Krzywa mocy pożaru (HRR)
- Frakcja radiacyjna
- Współczynnik produkcji sadzy
Przedstawione podejście pozwala na stworzenie realistycznego scenariusza pożarowego, który jest niezbędny do oceny skuteczności projektowanych systemów wentylacji pożarowej.
Czym Jest Źródło Pożaru w Symulacji FDS?
Źródło pożaru w FDS to numeryczna reprezentacja ognia, którą użytkownik definiuje za pomocą poleceń &SURF oraz &VENT. Precyzyjne określenie jego parametrów jest podstawą realistycznego modelowania i uzyskania wiarygodnych wyników, które można analizować w programie Smokeview.
Rola Polecenia &SURF
Polecenie &SURF służy do szczegółowego zdefiniowania parametrów fizycznych powierzchni, która generuje ogień. Najważniejsze z nich to:
HRRPUA(Heat Release Rate Per Unit Area): Gęstość mocy pożaru, czyli strumień ciepła uwalniany z jednostki powierzchni kW/m².RADIATIVE_FRACTION: Określa, jaki procent ciepła jest przekazywany przez promieniowanie. Domyślna wartość to 0,35.SOOT_YIELD: Definiuje ilość emitowanej sadzy, co bezpośrednio wpływa na ocenę zadymienia i widoczności.
Rola Polecenia &VENT
Polecenie &VENT pozwala precyzyjnie umiejscowić zdefiniowaną wcześniej powierzchnię &SURF w geometrii modelu. Połączenie obu komend umożliwia stworzenie pożaru projektowego opartego na konkretnych danych wejściowych, takich jak krzywa rozwoju mocy.
Prawidłowa konfiguracja jest niezbędna do oceny systemów bezpieczeństwa, takich jak wentylacja pożarowa czy systemy oddymiania. Dokładne dane o emisji dymu mają bezpośredni wpływ na kluczowe wskaźniki, jak np. widoczność podczas ewakuacji.
Polecenie &SURF – Definicja Właściwości Powierzchni Pożaru
Definicja źródła ognia w FDS opiera się na współpracy kilku poleceń, gdzie &SURF odgrywa kluczową rolę. Określa ono fizyczne i chemiczne właściwości palnej powierzchni.
Kluczowy Parametr HRRPUA
Szybkość uwalniania ciepła, czyli HRR (Heat Release Rate), to fundamentalny parametr określający moc pożaru. W &SURF definiuje się go najczęściej jako gęstość mocy pożaru HRRPUA kW/m². Wartość ta, często przedstawiana jako dynamiczna krzywa, determinuje rozwój całego zjawiska. FDS używa także parametru HEAT_OF_COMBUSTION (ciepło spalania paliwa w kJ/kg) do obliczenia masowego ubytku paliwa.
Definicja Emisji Dymu: SOOT_YIELD
Parametr SOOT_YIELD definiuje, ile sadzy (w kg) powstaje ze spalenia jednego kilograma paliwa. Jest to kluczowa wielkość dla oceny warunków ewakuacji, ponieważ bezpośrednio wpływa na widoczność w tunelu lub budynku. Precyzyjne określenie emisji dymu jest niezbędne do analizy skuteczności systemów bezpieczeństwa.
Frakcja Ciepła Przekazywana przez Radiację: RADIATIVE_FRACTION
Współczynnik RADIATIVE_FRACTION reguluje, jaka część całkowitej energii pożaru jest przekazywana do otoczenia przez promieniowanie cieplne. Domyślna wartość w FDS wynosi 0,35, ale dla specyficznych materiałów warto ją dostosować na podstawie danych eksperymentalnych.
Polecenie &VENT – Umiejscowienie Źródła Ognia w Modelu
Podczas gdy &SURF opisuje co się pali, polecenie &VENT określa, gdzie ta paląca się powierzchnia znajduje się w przestrzeni symulacji. Taka kombinacja pozwala precyzyjnie kontrolować zarówno charakterystykę pożaru, jak i jego lokalizację.
Należy jednak rozróżnić dwie funkcje polecenia &VENT:
- Otwór wentylacyjny: W standardowym użyciu
&VENTsymuluje fizyczny otwór, taki jak drzwi lub okno, umożliwiając wymianę gazów z otoczeniem. - Nośnik źródła pożaru: W tym zastosowaniu
&VENTstaje się wirtualną powierzchnią, która aktywnie wprowadza do domeny obliczeniowej energię i produkty spalania zdefiniowane wcześniej w przypisanym&SURF.
Dokładne modelowanie tych zależności jest kluczowe dla wiarygodności wyników i poprawnej oceny projektowanej wentylacji pożarowej oraz systemów oddymiania.
Źródło na &OBST vs. &VENT – Kluczowe Różnice
W FDS istnieją dwie główne metody modelowania źródła pożaru, które różnią się podejściem do procesu spalania.
Metoda 1: Spalanie z Zużyciem Tlenu (&OBST)
Standardowe podejście polega na zdefiniowaniu palnej powierzchni na obiekcie stałym (&OBST). Modeluje to realistyczny proces spalania materiału, który zużywa tlen z otoczenia. Właściwości tej powierzchni definiuje się w &SURF, określając HRRPUA, SOOT_YIELD i inne parametry.
Ta metoda jest idealna do symulacji pożarów ciał stałych i cieczy, gdzie interakcja ognia z otaczającym powietrzem jest kluczowa dla dynamiki zjawiska.
Metoda 2: Wprowadzanie Gorących Gazów (&VENT)
Alternatywne podejście wykorzystuje &VENT jako nośnik dla właściwości pożarowych. Ta metoda nie symuluje spalania zużywającego tlen z domeny obliczeniowej. Zamiast tego wprowadza do niej gotowy strumień gorących, wcześniej spalonych gazów.
To rozwiązanie stosuje się do modelowania:
- Napływu dymu z innej strefy pożarowej.
- Pożarów gazowych, gdzie paliwo i utleniacz są wstępnie zmieszane.
- Sytuacji, w których chcemy uprościć model, ignorując lokalne zużycie tlenu.
| Cecha | Metoda z &OBST | Metoda z &VENT |
|---|---|---|
| Proces spalania | Symuluje spalanie zużywające tlen | Wprowadza gotowe produkty spalania |
| Interakcja | Ogień reaguje na stężenie tlenu | Niezależne od stężenia tlenu w domenie |
| Typowe zastosowanie | Pożary materiałów stałych i cieczy | Napływ dymu, pożary gazowe |
| Definicja lokalizacji | SURF_ID na powierzchni &OBST | SURF_ID przypisane do &VENT |
Jak Zdefiniować Pożar Projektowy i Krzywą HRR?
Pożar projektowy jest determinowany przez dynamiczną zmianę mocy cieplnej w czasie, czyli krzywą HRR. W FDS do jej zdefiniowania służy funkcja czasowa RAMP_Q, którą przypisuje się do parametru HRRPUA.
Model Rozwoju Pożaru T-kwadrat (t²)
Najczęściej stosowanym modelem rozwoju jest pożar t-kwadrat (t²). W tym modelu moc rośnie proporcjonalnie do kwadratu czasu, co dobrze oddaje wczesną fazę rozwoju wielu pożarów. Krzywa jest opisywana wzorem:
Q(t) = α * t²
Gdzie α to współczynnik wzrostu pożaru. W FDS definiuje się ją za pomocą parametru TAU_Q, który określa charakterystyczny czas potrzebny do osiągnięcia mocy 1055 kW.
Użytkownik może również zdefiniować funkcję RAMP_Q jako serię punktów (czas, wartość), co pozwala modelować dowolnie złożone scenariusze, w tym fazę ustabilizowaną i wygasanie.
fds &SURF ID = 'POZAR', HRRPUA = 500.0, RAMP_Q = 'krzywa_hrr' / &RAMP ID = 'krzywa_hrr', T = 0.0, F = 0.0 / &RAMP ID = 'krzywa_hrr', T = 60.0, F = 1.0 / &RAMP ID = 'krzywa_hrr', T = 300.0, F = 1.0 / &RAMP ID = 'krzywa_hrr', T = 400.0, F = 0.0 /
Dobór odpowiedniej krzywej HRR opiera się na danych eksperymentalnych, normach (np. krzywe pożarowe Eurokodów) lub wytycznych branżowych.
Rola PyroSim w Przygotowaniu Modelu
Oprogramowanie PyroSim to zaawansowany interfejs graficzny dla silnika FDS. Znacząco ułatwia on modelowanie złożonych scenariuszy pożarowych, pozwalając na intuicyjne definiowanie geometrii, materiałów i parametrów źródła ognia.
Zamiast ręcznie pisać kod FDS, użytkownik może w wizualnym edytorze ustawić wszystkie kluczowe parametry &SURF i &VENT:
- Gęstość mocy pożaru (
HRRPUA) - Frakcję radiacyjną (
RADIATIVE_FRACTION) - Wydajność produkcji sadzy (
SOOT_YIELD)
PyroSim minimalizuje ryzyko błędów składniowych i pozwala na szybką weryfikację poprawności modelu. Prawidłowo przygotowana symulacja jest podstawą rzetelnej oceny projektowanych systemów wentylacji pożarowej i oddymiania oraz analizy warunków krytycznych, takich jak widoczność w tunelu.