Hvornår kan man anvende zone-modellering og hvornår skal der bruges CFD til brandsimulering i forbindelse med funktionsbaserede brandkrav

Transkript

1 Dansk Brand- og sikringsteknisk Institut Hvornår kan man anvende zone-modellering og hvornår skal der bruges CFD til brandsimulering i forbindelse med funktionsbaserede brandkrav Erhvervsforsker, Civilingeniør Bjarne Paulsen Husted, Dansk Brand- og sikringsteknisk Institut April 2004 Baggrund Funktionsbaserede brandkrav vha. analytisk dimensionering stiller krav til at kunne forudsige, hvornår der opstår kritiske forhold i bygningen. Dette er illustreret i figuren nedenfor, hvor der opstår kritiske forhold pga. branden efter 5 minutter. Evakueringen er i dette tilfælde afsluttet efter 4 minutter, som illustreret i den nederste del af figuren. Til at forudsige hvornår der opstår kritiske forhold pga. af branden er der en række metoder til rådighed. Disse kan opdeles i tre typer: Håndberegninger Zone modellering CFD (Computational Fluid Dynamics) Ligeledes findes der en række forskellige metoder til at vurdere evakueringen, men disse vil ikke blive yderligere omtalt. 0 min 0 min Kritiske forhold 5 min Evakuering tilendebragt 4 min Tidslinie for branden Tidslinie for evakuering De tre typer af brandsimuleringsværktøjer er ordnet efter kompleksitet, således at håndberegninger er de mest enkle at udføre og CFD er mest krævende. Men hvornår skal man anvende de forskellige metoder? Der findes ikke noget enkelt svar på dette spørgsmål, men denne artikel vil forsøge at belyse problematikken omkring emnet. Artiklen bygger dels på egne erfaringer med både zone og CFD modeller og dels på en række kilder, der er nævnt sidst i litteraturlisten. 1

2 Metoderne Håndberegninger er besværlige at udføre, så snart der er mere end 1 rum eller der skal beregnes på en brand, der ikke er konstant. I praksis vil der ofte blive anvendt zone modellering til erstatning for håndberegninger, da de langt hen af vejen bygger på de samme principper. Så i det følgende ses alene på zonemodeller og CFD. Zonemodellerne giver hurtigt svar på, hvornår der opstår kritiske forhold. En typisk beregning varer mindre end 1 minut. En CFD beregning tager tydeligt længere tid at udføre. En typisk beregning tager halve dage eller mere. Til gengæld fås der f.eks. mere detaljere oplysninger om udbredelse af røgen. Til at forstå, hvornår man kan anvende den ene metode frem for den anden er det nødvendigt at gå lidt i dybden med de to metoder. Zone modeller Zone modeller antager, at der enten er samme forhold i hele rummet eller at rummet kan opdeles i en varm øvre røglagszone og en kold nedre zone, hvor der ingen røg er. At der er samme forhold i hele rummet gælder i starten af branden, hvor den forholdsvis kolde røg vil fordele sig i hele rummet. Dette gælder også ved en ulmebrand. Endvidere gælder det ved den overtændte brand, hvor temperaturen stort set vil være ens i hele rummet. Figur 1. Rummet opdelt i én zone. F.eks. ved ulmebrand eller overtændt brand. Brandforsøg viser at hvis branden er lidt større vil der i det tidlige brandforløb dannes en varm øvre røggaszone og en kold nedre zone. Røglaget vil typisk vokser over tid. Den antagelse som der gøres i zonemodellerne er, at temperaturen i det varme røggaslag er ens i hele røglaget og at temperaturen i det kolde lag er ens. Således har man på et givet tidspunkt kun har to temperaturer i rummet et i røggaslaget og et under røggaslaget. Rummet er opdelt i en varm zone og en kold zone deraf navnet zonemodel. 2

3 Figur 2. Opdeling i en varm zone og kold zone I zonemodeller modelleres selve branden ikke, men der bruges en empirisk formel for denne. Dvs. at på baggrund af en lang række praktiske forsøg har man opstillet en ligning, der giver røgproduktionen og temperaturen for given størrelse brand (effektudvikling). Det enkle, men ikke særligt oplysende svar, om hvorvidt en zone model kan anvendes er således, at hvis der kan forventes at ske en opdeling i en varm røggaslag og nedre kold lag, så er den gyldig. En forudsætning for en opdeling i en varm og kold zone er at røgen kan nå loftet. Hvis rummet et så højt, at røgen ikke er i stand til at nå loftet, men danner en dyne i midten af rummet, så kan zone modeller ikke anvendes. Til at afgøre dette kan følgende lille formel anvendes (Drysdale, side 121) Q& 3 5 / 2 3 / 2 konv, min = H Ta I formlen er H højden af rummet og T er temperaturstigning i rummet fra gulv til loft. Q er den mindste konvektive effekt fra branden som kræves for at røgen når loftet. Hvis f.eks. et atrium har en højde på 20 m og temperaturen stiger med 0,5 ºC pr. meter. Dvs. at temperaturforskellen mellem gulv og loft er 10 ºC, så bliver den mindste konvektive effekt ca. 60 kw og det vil sige en total størrelse af branden på 90 kw. En brand på 90 kw svarer til en brand i to gode store skraldespande så hvis branden er større end dette da kan zone modellen anvendes 3

4 Figur 4. Resultat fra en zone modellering. Højde af røglag over gulv. CFD modeller I CFD modellen sker der i en opdeling af geometrien i mange små kasser (celler). Hvor der i zone modellen kun opdeles i 2 celler, så indeholder en CFD model typisk celler eller mere. Men derfor er en CFD model ikke gange så god som en zone model. Figur4. Opdeling af geometrien i mange små kasser i en CFD model. CFD modellen kræver at rummet lægges ind i 3D, enten via en tekst-fil, som det gøres i CFD programmet FDS eller ved at optegne geometrien i et 3D program. 4

5 Figur 5. Opdeling af en 3D geometri i celler til en CFD simulering ( celler) For hver celle opstilles der så ligninger for transport af røg, forbrænding, turbulens etc. Der kan være op til 15 forskellige ligninger pr. celle. Sammenholdt med at der f.eks. er celler gør at der skal løses ligninger pr. tidsskridt, som i en CFD simulering typisk er 0,25 sekund. I en typisk situation, hvor branden beregnes i de første 5 minutter (300 sekunder), betyder det at der skal løses 1200 * = 540 millioner koblede ligninger. Selv i den mest moderne PC eller arbejdsstation tager dette omkring 12 timer. Til gengæld fås så mere detaljerede oplysninger om temperatur og røgspredning. Figur 6 Figur 6. Temperatur over og under nedhængt loft fra en CFD beregning 5

6 CFD modellen har ikke de samme begrænsninger med hensyn til rumhøjde, som kan optræde ved zone modeller, men blot fordi der anvendes CFD behøves resultatet ikke at være mere rigtigt. F.eks. giver den typiske model til modellering af turbulensen, k-epsilon modellen, for store hastigheder og temperaturer i midten af røgsøjlen hvilket betyder at røgsøjlen bliver for smal. Hvis der i stedet anvendes en Large Eddy simulering til turbulens modelleringen for at få eb bedre model af røgsøjlen, som det gøres i programmet FDS fra NIST, så kræver dette et finere net og en bedre tidsopløsning, da man følger de enkelte hvirvler i simuleringen (endnu længere regnetid). Hvis man skal sammenligne det med at fotografere en brændende bål, da vil k-epsilon modellen (RANS) svarer til at have en lang lukketid på sit kamera, da man får et udtværet billeder hele flammen og det vil ikke være muligt at identificere de enkelte hvirvler i flammen. Large-Eddy simuleringen svarer til at tage et billede med en meget kort lukketid, hvor man vil fastfryse de enkelte hvirvler i flammen. CFD har ofte en dårligere modellering af varmetab til væggene end hvad der findes i zone modellerne. Selve flammen i en CFD model kan modelleres på 2 måder enten som en kompakt kasse der afgiver varme (volumetrisk varmekilde) eller ved en direkte modellering af forbrændingen. Her må det tilrådes at modellere forbrændingen, da flammen i så fald vil være i stand til at kunne lægge sig ned, hvis der kommer kraftigt ventilation eller træk. Dette er ikke muligt i med en volumetrisk varmekilder, hvor det antages at flammen altid er lodret. Det samme gør sig i øvrigt også gældende for en zone model, hvor flammen også altid antages at være lodret. I CFD modellen sker en beregning af røgtransporten i de enkelte celler, hvor CFD er bedre til at bestemme transporten af røg, især ved en bygning med flere etager. Mange scenarier Ved en funktionsbaseret analyse er det sjældent nok med en simulering, da der netop kan herske usikkerhed om brandens størrelse. Her har zone modellerne sin store styrke, da man forholdsvis hurtigt kan gennemregne en lang række forskellige scenarier, hvor CFD modellen måske vil tage en dag pr. scenarium. Endvidere er det langt mere krævende at analyseret resultatet af en CFD simulering i forhold til en zone modellering, da CFD simuleringen langt flere informationer. Sammenlign figur 4 og figur 6. Zonemodeller er også gode til at modellere hændelse undervejs i en brandforløb, f.eks. åbning af en dør eller åbning af mekanisk brandventilation. Dette er ofte meget mere kompliceret at gøre i en CFD model, hvoraf mange ikke er specielt tilpasset brand. 6

7 Konklusion Zonemodellerne har deres store styrke i, at der hurtigt kan gennemregnes en række brandscenarier. Til gengæld er de ikke specielt gode, hvis der skal ses på røgspredning mellem flere etager. Hvor kan der anvendes Zonemodeller? Bygninger i en etage, men gerne flere rum Enkle geometrier (max rumhøjde meter) Overtænding Strømningsforholdene skal være bestemt af branden. Dvs. ved kraftig ekstern ventilation kan zone-modeller ikke anvendes. Med andre ord opdrift dominerer i forhold til tvungen strømning. CFD anvendes typisk i det tidlige brandforløb, hvor temperaturen er lav. Sjældent ved overtænding, hvor zonemodeller giver gode resultater. Hvor skal der anvendes CFD? Bygninger, hvor der ses på røgspredning mellem flere etager Lange gange Komplicerede geometrier, som ikke kan betragtes som en kasse Hvor det kan forventes, at der ikke kommer et jævnt røgdække under hele loftet. 7

8 Kildeliste Stefan Särdqvist Initial Fires RHR, Smoke production and CO Generation from single Items and Room Fire Tests Department of Fire Safety Engineering Lund University, Sweden Lund, April 1993 Dougal Drysdale An introduction to Fire Dynamics 2. udgave John Wiley and Sons, Ltd. England April 2000 Björn Karlsson og James G. Quintiere Enclosure Fire Dynamics CRC Press USA 2000 John H. Klote og James A. Milke Design of smoke management systems American Society of heating, refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc. Society of Fire Protection Engineers USA 1992 The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering DiNenno et Al. Third Edition National Fire Protection Association, Inc, USA