CFD-04. Simulación de Incendios y Evacuación de Humos

En esta cuarta entrada sobre Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) vamos a estudiar la evacuación de humos en un garaje al producirse la combustión de un vehículo. Para este caso de simulación de incendios emplearemos el software Fire Dynamics Simulator junto a la extensión BlenderFDS que nos permite usar el software Blender para la preparación de los modelos.

Pre-proceso con BlenderFDS

Para realizar el estudio se parte de una geometría creada en un software CAD y se importa en Blender.  A continuación, se deben agrupar las superficies según sus propiedades térmicas y asignarlas con las Keywords adecuadas de FDS según sean superficies sólidas o aperturas.

En la siguiente imagen se muestra la geometría del garaje planteado como ejemplo ocultando el techo para poder ver el interior.

Vista de un garaje en el que se va a simular la extracción de humos tras un incendio

Desde Blender también pueden definirse las condiciones generales del análisis, como el tiempo de simulación o los parámetros de la reacción de combustión. Para este ejemplo se escoge un combustible con rendimientos del 10% en generación de CO y humos y una tasa de liberación de calor de 400 W/m2 en la superficie delantera del coche.

El siguiente paso es crear el mallado. FDS necesita mallar volúmenes prismáticos con base rectangular. Además si dos mallas parciales comparten una cara, uno de los mallados debe tener un tamaño de elemento múltiplo del escogido en el otro prisma. BlenderFDS permite visualizar estos mallados para facilitar el encaje en el pre-proceso.

Definición de resultados a obtener

Tras ajustar los elementos del mallado, se deben definir los resultados que se desean obtener. Los más interesantes en estas simulaciones suelen ser la generación de humos, que se exporta por defecto, y los valores de temperatura y concentración de especies en la colección de planos que se considere relevante. Es habitual definir planos paralelos al suelo a diferentes alturas para ver las concentraciones de aire limpio en diferentes cortes.

Para obtener datos cuantitativos, FDS permite definir sensores de concentración de especies en diferentes puntos del dominio, que pueden colocarse por ejemplo en las rutas de evacuación definidas para comprobar que la cantidad de humos en estas zonas no sobrepase un cierto límite. Estos sensores generan un archivo CSV con el conjunto de resultados medidos en el tiempo. Pueden definirse en BlenderFDS o externamente en el archivo generado, al igual que el resto de elementos. De esta forma pueden plantearse optimizaciones de los sistemas de extracción de humos del recinto.

Simulación de incendios con FDS

Cuando se tiene el modelo, desde Blender puede exportarse el archivo de texto con extensión “.fds” que puede ejecutarse directamente desde la terminal. Una buena práctica al crear estos modelos es ir exportándolos con un tiempo de simulación igual a 0s, para ejecutarlos en FDS y comprobar en el post-procesador que no se van cometiendo errores en las diferentes etapas. Por ejemplo, se puede comprobar que la definición de geometría en FDS sea correcta o que la posición de inicio del fuego sea la deseada.

La simulación de incendios por defecto emplea un método LES, que permite ver con detalle los movimientos del flujo generado por el incendio. El software permite estudiar mapas de temperatura y concentración de gases, siendo una herramienta de gran utilidad para estudios de flujo a baja velocidad e importante componente térmica con movimiento por flotabilidad. También está muy optimizado para el modelado de la combustión y la correspondiente simulación multifase.

Visualización de resultados con Smokeview

Cuando concluye la simulación, se pueden visualizar los resultados en el post-procesador Smokeview, disponible como programa de código abierto al igual que FDS. Para mostrar los resultados se puede ajustar la velocidad de visualización, las escalas de las magnitudes en los cortes y otros parámetros. Como ejemplo se muestran un par de imágenes de la evolución del humo en el garaje del ejemplo planteado.

Resultados de humo en la simulación de incendio vistos desde el lateral
Resultados de humo en la simulación de incendio
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