2. Strefa płomienia zmiennego

Modele strefowe
pożaru
bryg. dr hab. inż. Jerzy Gałaj, prof. SGSP
dr inż. Anna Szajewska
Zakład Hydromechaniki
i Przeciwpożarowego Zaopatrzenia w Wodę
Katedra Techniki Pożarniczej
pok. 310
[email protected], [email protected]
Założenia dla modeli strefowych
Założenia dla modeli strefowych
1. Dobre mieszanie wewnątrz każdej ze stref (warstw), co
zapewnia
w
przybliżeniu
jednorodne
właściwości
termodynamiczne oraz dobrze określoną powierzchnię
rozdziału.
2. Gaz w każdej strefie jest doskonały.
3. Wymiana masy przez powierzchnie graniczne stref jest
spowodowana różnicami ciśnień lub procesami mieszania.
4. Strefa spalania jest jedynym źródłem masy i energii.
5. Pojemność cieplna materiałów wyposażeniowych nie jest brana
pod uwagę w obliczeniach ciepła wymienianego, a energia
cieplna jest tracona jedynie przez przegrody budowlane i
otwory wentylacyjne.
6. Ciśnienie wewnątrz pomieszczenia jest jednorodne i dużo
większe od różnic ciśnień hydrostatycznych.
Ograniczenia modeli
strefowych
1. W wielu przypadkach dobre wymieszanie obu warstw
może nie mieć miejsca (patrz rysunek).
2. Ograniczenie w postaci stosunkowo prostej geometrii
pomieszczeń.
3. Lokalne zjawiska takie jak np. turbulencje są pomijane
Elementy zawansowanych modeli
strefowych
1. Zasada zachowania masy w odniesieniu do każdej
strefy.
2. Zasada zachowania energii w odniesieniu do każdej
strefy.
3. Zasada zachowania składnika w odniesieniu do każdej
strefy.
4. Podmodele członów źródłowych występujących w
głównych równaniach wynikających z zasad
zachowania.
5. Podmodele wymiany masy.
6. Podmodele wymiany ciepła.
Podmodele wymiany masy
w kolumnie konwekcyjnej
McCaffrey 1983
kolumna bliskiego zasięgu,
niskie pomieszczenia
Heskestad 1983
kolumna dalekiego zasięgu,
wysokie pomieszczenia
Kolumna konwekcyjna McCaffreya
1. Strefa płomienia ciągłego (ang. flaming)


mp
 z 
 0 ,011    2 / 5 

Q 
Q



0 ,566


 z 
dla 0,03    2 / 5   0 ,08
Q 


2. Strefa płomienia zmiennego (ang. intermittent)


mp
 z 
 0 ,026    2 / 5 

Q 
Q



0 ,909


 z 
dla 0,08    2 / 5   0 ,20
Q 


Kolumna konwekcyjna McCaffreya
3. Strefa kolumny konwekcyjnej (ang. plume)

mp
 z
 0 ,124    2 / 5

Q
Q


1 ,895






 z
dla 0,20    2 / 5
Q






Główne ograniczenia modelu McCaffreya związane są niepewnością
określenia wartości liczbowych współczynników wciągania powietrza do
kolumny konwekcyjnej ognia i drzwiowej kolumny konwekcyjnej. Dla
układów powyżej trzech – czterech pomieszczeń, sumowanie się
niepewności prowadzi do znaczących różnic między teoretycznymi i
eksperymentalnymi szybkościami opadania górnej warstwy. Inne
ograniczenie dotyczy nie uwzględnienia strumieni ściennych w
pomieszczeniu, co jest powodem za małych stężeń produktów spalania i
temperatury dolnej warstwy.
Kolumna konwekcyjna Heskestada
zo  1,5  Ap
Ap – pole powierzchni pomieszczenia, m2
2
3
T  T  25  Q  ( z  zo )

5
3
Hf
2
5

3
 
m p  0 ,071  Q  ( z  zo )  1  0 ,026  Q c  ( z  zo ) 3 




 1
3
c
5
3
Przepływy przez otwory
wentylacyjne
vg ( z ) 

2hu  (  a   g )  g
g
h
m  Cd   W   g  vg  z   dz
0
gdzie:
h – wysokość otworu, m
W – szerokość otworu, m
g – przyspieszenie ziemskie, m/s2
Cd – współczynnik przepływu
Pozostałe wielkości są pokazane na
rysunku
Podmodele wymiany ciepła
1. Konwekcyjna wymiana ciepła (Alpert 1987, Kokkala 1991)
2. Radiacyjna wymiana ciepła (Howell, Siegel 1981)
3. Wymiana ciepła przez przewodzenie (Rockett, Milke 1995)
Strefowy obraz środowiska pożaru w pomieszczeniu w jego początkowej I fazie.
Pł - strefa spalania (płomień), M I – materiał pierwotnie zapalony, M II – materiał palny w
bezpośrednim sąsiedztwie. Strzałki z linią ciągłą – strumienie ciepła, strzałki z linią
przerywaną – strumienie masy
Elementy struktury pożaru brane
pod uwagę w modelach strefowych
Prędkość strumienia podsufitowego
Temperatura płomienia
Wysokość i kształt płomienia
z
Paliwo
1. Parametry strumienia podsufitowego (prędkości, temperatury, przepływy
masowe).
2. Parametry kolumny konwekcyjnej (prędkości, temperatury, przepływy masowe).
3. Parametry płomienia (wysokość, temperatura, kształt, powierzchnia)
Elementy struktury pożaru nie brane
pod uwagę w modelach strefowych
Przepływy wzdłuż
klatek schodowych
Płomienie podsufitowe
Zjawisko pirolizy
Przepływy
z wzdłuż korytarzy
Turbulencje
1. Płomienie podsufitowe.
2. Turbulencje przepływających strumieni gazu.
3. Przepływy wzdłuż korytarzy i klatek schodowych.
4. Zjawisko pirolizy
Wybrane programy komputerowe opracowane
przez NIST, w których zastosowano model
strefowy pożaru
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ASET – dla jednego pomieszczenia bez wentylacji.
ASET-B – środowisko pożaru w pomieszczeniu zamkniętym
FIRST – środowisko pożaru w pomieszczeniu
CFAST/FAST – środowisko pożaru w układzie wielu pomieszczeń
CCFM.VENTS – dla wielu pomieszczeń z wentylacją
FPETool – narzędzie inżynierskie przeznaczone do znajdowania
zależności korelacyjnych
7. LAVENT – przeznaczone do wyznaczania czasu uruchamiania
układu tryskaczy
8. BRI2 – dla budynku wielokondygnacyjnego obejmujący analizę
strefy zadymienia
9. DETACT-QS,T2 – do wyznaczania czasu aktywacji czujek
termicznych i tryskaczy
Program CFAST - Wprowadzenie
CFAST stanowi akronim nazwy Consolidated Model of
Fire Growth and Smoke. Przeznaczony do symulacji
zmiennego w czasie środowiska pożaru w układzie do
30 pomieszczeń i objętości od 1 m3 do objętości
budynku rzędu tysięcy m3 przy założeniu określonej
strefy spalania. Został opracowany w USA przez NIST i
jest nieustannie rozwijany. Obecnie ostatnia dostępna
jego wersja przeznaczona dla środowiska Windows to
7.1.1. Jest dostępna wraz programem graficznym
Smokeview w wersji 6.3.6, User Manual i Technical
Guide na stronie internetowej http://cfast.nist.gov/
Program CFAST - Założenia
Program CFAST - Założenia
1. Każde pomieszczenie jest podzielone na dwie objętości
kontrolne (strefy) górną gorącą i dolną chłodną.
2. Temperatura i gęstość gazu w każdym punkcie strefy jest taka
sama.
3. W każdym punkcie pomieszczenia panuje to samo ciśnienie.
4. Ciepła właściwe przy stałym ciśnieniu i objętości mają stałe
wartości a ich iloraz jest oznaczany przez γ=1,4 (stała
adiabaty). Bez względu na skład gazu założono, że wartość
cp=1012 J/(kg⋅K). Ponieważ R=cp-cv, więc R=298,14
J/(kg⋅K).
5. Ciśnienie, temperatura i masa w każdym pomieszczeniu są
związane zależnością wynikającą z prawa gazu doskonałego.
Program CFAST - Założenia
6. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki szybkość zmiany energii
wewnętrznej w każdej strefie jest równa sumie strumieni
cieplnych (wpływających ze znakiem plus i wypływających ze
znakiem minus i wykonanej pracy ze znakiem minus.
m 
dVi
d
cv  mi  Ti    q  P 
i 1 i
dt
dt
7. Zgodnie z zasadą zachowania masy szybkość jej zmiany w każdej ze
stref jest równa sumie strumieni masy wpływających ze znakiem
plus i wypływających ze znakiem minus.
k 
dmi
 mj
j 1
dt
Układ równań dla każdego z
rozważanych pomieszczeń

dp   1  


  hd  h g 
dt
V 

dVg

1 
dp 

   1  h g  Vg 
dt
p 
dt 
dTg

dp 
 


  h g  c p  m g  Tg   Vg 
dt
c p   g  Vg 
dt 

1
dTd
1

dt
c p   d  Vd




 
  h d  c p  m d  Td




  V  dp 

d
dt 



m f  m O2  m CO2  m CO  m s  m H 2O  m HCl  m HCN
Dane wejściowe programu CFAST
1. Wymiary każdego pomieszczenia (wysokość, szerokość i długość).
2. Materiały, z których zostały wykonane ściany, podłoga i sufit wraz z
ich właściwościami fizycznymi takimi jak przewodność cieplna, ciepło
właściwe, gęstość, grubość, ciepło spalania itp..
3. Wymiary i położenie otworów wentylacyjnych dla każdego
pomieszczenia.
4. Dane dotyczące wentylacji mechanicznej.
5. Właściwości źródła pożaru takie jak: szybkość wydzielania ciepła,
dolna granica tlenu, szybkość wydzielania produktów spalania w
funkcji czasu.
6. Dane dotyczące tryskaczy i czujek.
7. Położenia, rozmiary i własności wybranych obiektów (tzw. celów)
Dane wyjściowe programu CFAST
1. Parametry środowiska pożarowego w każdym pomieszczeniu takie
jak ciśnienie, temperatura warstwy gorącej i chłodnej, położenie
strefy zadymionej, temperatura kolumny konwekcyjnej, stężenia
tlenu i produktów toksycznych, temperatura ścian, podłogi i sufitu
itp.
2. Strumienie cieplne skierowane do ścian i wybranych celów
uwzględniające wszystkie trzy rodzaje wymiany ciepła: konwekcję,
radiację i przewodzenie.
3. Szybkość wydzielania ciepła i wysokość płomienia.
4. szybkości przepływu powietrza przez okna, drzwi oraz inne otwory
wentylacyjne.
5. Czasy aktywacji czujek termicznych i tryskaczy oraz wiele innych.
Zalecane stosunki wymiarów
pomieszczenia
Parametr Akceptowany
Ograniczenia
Algorytm dla
korytarza
(L/W)max
L/W<3
3<L/W<5
L/W>5
(L/H)max
L/H<3
3<L/H<6
L/H>6
(W/H)min
W/H>0,4
0,2<W/H<0,4
W/H<0,2
gdzie: L – długość, W – szerokość, H – wysokość
Podmodele CFAST
1. Pożar dobrze i źle wentylowany.
2. Modele kolumny konwekcyjnej McCaffreya i
Heskestada.
3. Przepływy przez otwory poziome i pionowe.
4. Wymiana ciepła przez konwekcję, promieniowanie i
przewodzenie jednowymiarowe.
5. Strumień ciepła oddziaływujący na materiał palny.
6. Strumień podsufitowy.
7. Przepływ w korytarzu.
8. Gaszenie za pomocą tryskacza.
9. Szybkość rozprzestrzeniania się płomienia.
Działanie gaśnicze tryskacza
W CFAST został zastosowany wzór korelacyjny Evansa

Q( t )  e
1 ,8 ) 
( t t act ) /( 3Qspray
Q( t act )
gdzie:
Qspray
tact
- gęstość zraszania tryskacza wpływająca na
zmniejszenie szybkości wydzielania ciepła, mm/s
- czas, po którym sensor uruchamia tryskacz, s

Q( t act ) - szybkość wydzielania ciepła w momencie
uruchomienia tryskacza, W
Ograniczenia CFAST
1. W CFAST nie jest uwzględniana wymiana ciepła
między pomieszczeniami.
2. Przy małych HRR może się nie wytworzyć układ
dwuwarstwowy.
3. Emisja CO i cząstek dymu rośnie w warunkach
ograniczonej wentylacji a w modelu zakłada się ją
stałą.
4. Tryskacz powoduje mieszanie zaburzając przy tym
układ dwuwarstwowy.
5. Zasady zachowania masy i energii są obarczone
błędami przez nieuwzględnienie wszystkich procesów.
Ograniczenia CFAST
6. Nie uwzględnienie wpływu ciepła zwróconego na
HRR.
7. Problemy z określeniem wzrostu HRR w sytuacji,
kiedy inne materiały zostaną objęte spalaniem.
8. Problemy z założeniem prawidłowego HRR
wynikającego ze znajomością rozwoju pożaru.
9. Pożar w fazie II nie jest modelowany.
10.Niemożność jednoczesnego zamodelowania kilku
źródeł pożaru
Weryfikacja i walidacja modelu
CFAST
Proces weryfikacji polega na sprawdzeniu czy rozwiązywane równania
poprawnie opisują scenariusz pożaru (sprawdzenie fizyki modelu).
Zazwyczaj ogranicza się do analizy teoretycznej algorytmu programu a
także
wyników
otrzymanych
na
poszczególnych
etapach
obliczeniowych.
Proces walidacji polega na ustaleniu stopnia dokładności opisu zjawisk
rzeczywistych z punktu widzenia przewidywanych zastosowań metody
obliczeniowej. W celu walidacji przeprowadza się eksperymenty. Model
uważa się na zwalidowany do danego konkretnego zastosowania, jeżeli
jest wystarczająco dokładny (niepewność obliczeniowa jest mniejsza od
założonej). Nie oznacza to jednocześnie, że jest on wystarczająco
poprawny do innego zastosowania. Wyniki powinny być dobrze
udokumentowane i dostępne, aby inny badacz mógł je powtórzyć.
Powinny zawierać również ocenę niepewności pomiarowej.
Przykładowa walidacja modelu CFAST
Rodzaj testu w pełnej skali
Pojedyncze pomieszczenie, pożar
mebli. 2,9 MW
(Test 1 i 6)
Pojedyncze pomieszczenie, pożar
materiałów wykończeniowych
ściennych (Test 1 i 2)
7 MW
Układ trzech pomieszczeń z
korytarzem, palnik gazowy
100kW
Wartość
maksymalna
temperatury
C
790 (780)
920 (780)
590 (660)
900 (660)
750 (620)
Czas
osiągnięcia
temperatury
maksymalnej
s
500 (510)
450 (510)
510 (520)
510 (520)
710 (230)
Czas
osiągnięcia
temperatury
100C
s
290 (250)
290 (250)
330 (260)
330 (260)
100 (140)
Wartość
ustalona
temperatury
C
Niepewność
%
18
5
810 (1190)
520 (470)
100 (80)
-
-
1* - 100
(120)
2 - 830 (n. o.)
3 - n.o.
1 - 195 (195)
2 - n.o. (240)
3 - n.o.
4 - n.o.
390 (180)
210 (390)
n.o.
Układ czterech pomieszczeń z
korytarzem, palniki gazowe
1MW
-
Budynek wielopiętrowy
3MW
-
-
-
1 - 230 (215)
2 - 75 (90)
3 - 45 (50)
1 - 240 (370)
2 - 70 (90)
3 - 55 (35)
4 - 40 (35)
270 (340)
110 (110)
15 (15)
26
22
33
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okno główne programu
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okno wprowadzania geometrii pomieszczenia
i położenia źródła pożaru
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okno wprowadzania parametrów pożaru
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okno wizualizacji 3D w 340 sekundzie
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okno wizualizacji 3D w 760 sekundzie
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okno z wynikami obliczeń
Przykładowe okna modelu CFAST w wersji 6.1.1
Okna z wynikami w postaci wykresów 2D i wizualizacji 3D
Rozszerzenie możliwości modeli
strefowych – modele hybrydowe
kolumna
konwekcyjna
warstwa
gorąca
warstwa
mieszana
warstwa
chłodna
strefa
spalania
FASIT 3D McIntosh i
inni (Leeds
University) 2000
wielowarstwowy
Suzuki 2002
Gałaj, Konecki 2008