CFD-04. Simulation von Feuer und Rauchabsaugung

In diesem vierten Beitrag über numerische Strömungsmechanik (CFD) werden wir die Rauchentwicklung in einer Garage untersuchen, wenn ein Fahrzeug in Flammen aufgeht. Für diesen Brandsimulationsfall werden wir die Software Fire Dynamics Simulator zusammen mit dem Add-on BlenderFDS verwenden, mit dem wir die Software Blender für die Erstellung der Modelle nutzen können.

Vorverarbeitung mit BlenderFDS

Die Studie beginnt mit der Geometrie einer Garage, die in einer CAD-Software erstellt und in Blender importiert wurde. Zunächst müssen die Oberflächen nach ihren thermischen Eigenschaften gruppiert und mit den entsprechenden FDS-Schlüsselwörtern versehen werden, je nachdem, ob es sich um feste Oberflächen oder Öffnungen handelt.

Das folgende Bild zeigt die Geometrie der Garage, wobei die Deckendarstellung ausgeblendet ist, so dass das Innere zu sehen ist.

Blick in eine Garage, in der die Entrauchung nach einem Brand simuliert werden soll.

Die allgemeinen Bedingungen der Analyse, wie die Simulationszeit oder die Parameter der Verbrennungsreaktion, können ebenfalls in Blender festgelegt werden. Für dieses Beispiel wird ein Kraftstoff mit einem Wirkungsgrad der CO- und Raucherzeugung von 10 % und einer Wärmefreisetzungsrate von 400 W/m2 an der Frontfläche des Fahrzeugs gewählt.

Der nächste Schritt ist die Erstellung des Netzes. FDS muss prismatische Volumen mit einer rechteckigen Grundfläche vernetzen. Wenn sich zwei Teilnetze eine Fläche teilen, muss eines der Netze ein Vielfaches der im anderen Prisma gewählten Elementgröße haben. BlenderFDS ermöglicht es, diese Netze zu visualisieren, um die Anpassung im Pre-Processing zu erleichtern.

Definition der zu erzielenden Ergebnisse

Nach der Anpassung der Netze müssen die gewünschten Ergebnisse für den Export definiert werden. Die interessantesten Ergebnisse dieser Simulationen sind in der Regel die Rauchentwicklung, die standardmäßig exportiert wird, sowie die Temperatur- und Spezieskonzentrationswerte in den als relevant angesehenen Ebenen. Es ist üblich, Ebenen parallel zum Boden in verschiedenen Höhen zu definieren, um die Reinluftkonzentrationen in verschiedenen Bereichen des Raums zu sehen.

Um quantitative Daten zu erhalten, ermöglicht FDS die Definition von Sensoren für die Spezieskonzentration an verschiedenen Punkten im Gebiet, die beispielsweise an bestimmten Evakuierungsrouten platziert werden können, um zu überprüfen, ob die Rauchmenge in diesen Bereichen einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Diese Sensoren erzeugen eine CSV-Datei mit den über die Zeit gemessenen Ergebnissen. Sie können in BlenderFDS oder extern in der generierten Textdatei definiert werden, wie die übrigen Elemente. Auf diese Weise können Optimierungen der Entrauchungssysteme des Gehäuses untersucht werden.

Brandsimulation mit FDS

Sobald das Modell erstellt ist, exportiert Blender eine Textdatei mit der Endung “.fds”, die direkt über das Terminal ausgeführt werden kann. Eine gute Praxis bei der Erstellung dieser Modelle ist es, sie mit einer Simulationszeit von 0s zu exportieren, sie in FDS auszuführen und im Postprozessor zu überprüfen, dass in den verschiedenen Phasen keine Fehler gemacht werden. So können Sie zum Beispiel überprüfen, ob die Geometriedefinition in FDS korrekt ist oder ob die Feuerstartposition die gewünschte ist.

Die standardmäßige Brandsimulation in FDS verwendet das LES-Turbulenzmodell, mit dem sich die Bewegungen der durch das Feuer erzeugten Strömung im Detail darstellen lassen. Die Software ermöglicht die Untersuchung von Temperatur- und Gaskonzentrationskarten, was sie zu einem sehr nützlichen Werkzeug für Studien über Strömungen mit geringer Geschwindigkeit und erheblichen thermischen Komponenten mit Auftriebsbewegungen macht. Die Software ist auch für die Verbrennungsmodellierung und die entsprechende Mehrphasensimulation optimiert.

Visualisierung der Ergebnisse mit Smokeview

Nach Abschluss der Simulation können die Ergebnisse im Smokeview-Postprozessor angezeigt werden, der wie FDS als Open-Source-Software verfügbar ist. Um die Ergebnisse anzuzeigen, können die Anzeigegeschwindigkeit, die Größenskalen in den Scheiben und andere Parameter angepasst werden. Als Beispiel werden ein paar Bilder der Rauchentwicklung in der Garage gezeigt.

Rauchentwicklung bei der Brandsimulation von der Seite gesehen
Rauchergebnisse in der Brandsimulation
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