Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

Εργαστήριο Ετερογενών Μιγμάτων και Συστημάτων Καύσης

1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών & Στοιχείων, 21-23 Μαΐου 2008

Αθήνα – Ξενοδοχείο Divani Caravel

Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια

Δ. Κοντογεώργος, Δ. Κολαΐτης, Μ. Φούντη

ΕΜΠ

2 Εργ. Ετερογενών Μιγμάτων

& Συστημάτων Καύσης

1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών & Στοιχείων

21-23 Μαΐου 2008, Αθήνα – Ξενοδοχείο Divani Caravel

Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια – Περιεχόμενα

• Εισαγωγή

• Μαθηματική Μοντελοποίηση

• Εφαρμογές & Αποτελέσματα

• Συμπεράσματα

ΕΜΠ










ΕΜΠ





Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια – Εισαγωγή

• Φωτιά: αποτέλεσμα φυσικό – χημικών διεργασιών

• Περιλαμβάνει φαινόμενα καύσης, μεταφοράς θερμότητας και αεριοποίηση του – συνήθως στερεού – καυσίμου

• Εξαιρετικά πολύπλοκο φαινόμενο

• Η μοντελοποίησή της αναπτύχθηκε έντονα τα τελευταία 20 χρόνια με τη χρήση των Η/Υ

ΕΜΠ






• Πρόληψη και έλεγχος της εξάπλωσης της φωτιάς • Κατανόηση της αλληλεπίδρασης πηγής

θερμότητας, κίνησης καπνού και μεταφοράς θερμότητας προς το κέλυφος

• Ανάγκη ανάπτυξης υπολογιστικών εργαλείων πρόβλεψης αυτών των φαινομένων

ΕΜΠ






• Δημιουργία νέων υλικών χαμηλών εκπομπών με αυξημένη αντοχή στις πυρκαγιές

• Στόχος η σχεδίαση κτιρίων μεγαλύτερης ασφάλειας

• Ανάπτυξη νέων συστημάτων εντοπισμού και κατάσβεσης της φωτιάς

ΕΜΠ










ΕΜΠ





Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια – Μαθηματική Μοντελοποίηση

• Επίλυση εξισώσεων διατήρησης μάζας, ορμής, ενέργειας

• Μοντέλο ακτινοβολίας – Μοντέλο Διακριτής Μεταφοράς (Discrete Transfer Model – DTM) και Μοντέλο 6 ανηγμένων ροών (6-Flux)

• Μοντέλο καύσης – Συνδυασμός μοντέλου θραύσης των δινών (Eddy Break-Up, EBU) και μοντέλου χημικής κινητικής πεπερασμένων ρυθμών (Finite Rate Chemistry, FRC)

• Μεταφορά θερμότητας σε στερεή επιφάνεια – Συνδιασμός αγωγής, συναγωγής και θερμικής ακτινοβολίας

ΕΜΠ





Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια – Εφαρμογές & Αποτελέσματα





ΕΜΠ






• Πείραμα “Steckler”

• Φωτιά ισχύος 62.9kW

• Σημείο φωτιάς – Κέντρο του δωματίου

1.04 0.72

2.80 m 1.25

0.3

2.80 m

0.3

2.18 m

0.3

φωτιά

πόρτα

ΕΜΠ







• Μεταφορά θερμότητας με αγωγή και συναγωγή οδηγεί σε περίπου 25% υπερεκτίμηση της θερμοκρασίας

• Αρκετά καλή συμφωνία υπολογισμών – πειραμάτων όταν λαμβάνεται υπόψη η ακτινοβολία

ΕΜΠ







• Οι ρυθμοί ροής θερμότητας αυξάνονται σημαντικά λόγω ακτινοβολίας σε σύγκριση με τη περίπτωση συναγωγής

• Ο συνολικός ρυθμός απώλειας θερμότητας από τους τοίχους σχεδόν διπλασιάζεται

Επίδραση Ακτινοβολίας στα τοιχώματα:

ΕΜΠ






• Κατάσβεση Φωτιάς

• Ταυτόχρονη εκτόξευση των δύο μιγμάτων (NEA – Halon) μέσω ακροφυσίων

• Παραμετρική μελέτη:

• Χώρος αποσκευών αεροσκάφους 57m3

συγκέντρωσης Ο2 στον αέρα

παροχή αέρα μέσα στο χώρο

Ακροφύσια

ΕΜΠ







Διαχωρισμός Ν2-Ο2

Τερματισμός CF3Br

μετά 30s

ΕΜΠ







• Κατανομές συστατικών

• Για τυπικό όριο Ο2 κ.ο. ίσο με 16% προσδιορίζεται χαρακτηριστικός χρόνος

30% Ο2 στο ΝΕΑ

31% του χρόνου

49% του χρόνου

50% παροχής ΝΕΑ

Και τα 2, 65% του χρόνου

Τερματισμός του CF3Br μετά 30s

16% κ.ο. Ο2

ΕΜΠ






• Διάδοση Φωτιάς σε Τυπικό Δωμάτιο

Φωτιά

Σ.Π.Θ.

• Πηγή θερμότητας 1000kW/m2 σε 0.06m2

• Τοίχοι από γυψοσανίδα

• Τραπέζια από ξύλο (έλατο)

Γυψοσανίδα

Ξύλο (έλατο) • Σημεία Παρακολούθησης της Θερμοκρασίας

ΕΜΠ







Ρυθμός έκλυσης Θερμότητας Αιθάλη

ΕΜΠ







Θερμοκρασία τοίχου Ροή θερμότητας στον τοίχο

ΕΜΠ







Ρυθμός Έκλυσης Θερμότητας

Αιθάλη

Θερμοκρασία Τοιχώματος

Ροή Θερμότητας στα Τοιχώματα

Θερμοκρασία στο επίπεδο x=2.6m

Θερμοκρασία στο επίπεδο x=4.5m

ΕΜΠ





Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια – Συμπεράσματα





ΕΜΠ





Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια – Συμπεράσματα

• Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών σε συνδυασμό με τη πληθώρα και ποικιλία επιφανειών, η επίδραση της ακτινοβολίας είναι εξαιρετικά σημαντική σε συνθήκες φωτιάς

• Εφαρμογή νέας μεθόδου παθητικής πυρασφάλειας με χρήση νέου πυροσβεστικού υλικού όπου

παροχής ΝΕΑ και % κ.ο. Ο2

χρόνου προσέγγισης συγκεκριμένης τιμής Ο2 μέσα στο χώρο

• Έντονη η αλληλεπίδραση της φωτιάς με τα στερεά υλικά (ρυθμός έκλυσης πτητικών)

• Εξαιρετικά σημαντικός ο υπολογισμός του θερμοκρασιακού πεδίου στο εσωτερικό των τοιχωμάτων. Χρήσιμες πληροφορίες για τις θερμικές τάσεις και τα δομικά στοιχεία της κατασκευής

ΕΜΠ





Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια

Ευχαριστώ για την προσοχή σας!

Documents

Υπολογιστική Μοντελοποίηση Διάδοσης Φωτιάς σε Κτίρια