psa 16-11-16 modeling fire with fds
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CORSO DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIODocente: Prof. Ing. Franco Bontempi
Anno Accademico 2016‐201716 novembre 2016
Ing. Marcello [email protected]
Modeling Fire withFire Dinamics Simulator
Aspetti introduttivi
Assistente: Ing. Marcello Mangione, PhD Candidate
School of Civil and Industrial Engineering Sapienza University of Rome
Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
Prof. Ing. Franco BontempiIng. Marcello Mangione
Fire Dynamics Simulator (FDS) è un modello sviluppato dal NIST (NationalInstitute of Standards and Technology) che simula l'incendio, cui è associatoSmokeview, un post‐processore grafico che analizza i dati prodotti da FDS.
FDS risolve una forma delle equazioni di Navier‐Stokes per i flussi termici abassa velocità di fumi e gas generati in un incendio. La dinamica dell'incendioè simulata in base ai parametri che caratterizzano ciascun materiale presentenel dominio di simulazione, ciascuno con le proprie caratteristiche diinfiammabilità e combustione. In base a questi dati, FDS risolvenumericamente (con un metodo ai volumi finiti) le equazioni che modellano lareazione di combustione ed i fenomeni di trasporto, tenendo contodinamicamente delle mutue interazioni tra i processi.
FDS è in grado di calcolare e fornire come dati di uscita, i valori di tutte levariabili, scalari e vettoriali, calcolate in ciascuna delle celle del dominio, utilialla comprensione dei fenomeni ed alla analisi degli effetti (concentrazionidelle specie chimiche, distribuzioni delle temperature, pressioni, velocità deigas, fumi, visibilità).
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
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aAaARTIO
Articolo di riferimento Riv antincendio marzo‐aprile 2013
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Libro di riferimento
«FIRE SAFETY ENGINEERING»
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DOVE SCARICARE IL SOFTWARE GRATUITO
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LANCIO DEL PROGRAMMA
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LANCIO DEL PROGRAMMA
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STRUTTURA DEL LISTATO
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STRUTTURA DEL LISTATO
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Progettazione Strutturale Antincendio ‐ Esercitazione
VISUALIZZAZI0NE DEI RISULTATI CON SMOKEVIEW
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I parametri richiesti da FDS utili per descrivere un particolare scenario sono contenutiin un file di testo creato dall’utente che sarà spiegato nel dettaglio nelle slidessuccessive. Con FDS si possono realizzare i seguenti modelli:• modello idrodinamico• modello di combustione• trasmissione per irraggiamento• sprinkler e rilevatori.FDS è in grado di fornire come dati di uscita, previo un opportuno settaggio dellasimulazione, i valori delle seguenti variabili scalari e vettoriali a prefissati intervalli ditempo:• temperatura, velocità e concentrazione dei gas• concentrazione dei prodotti di combustione• visibilità e pressione• tempo di attivazione di erogatori sprinkler e di rivelatori di calore o di fumo• flussi di massa e di energia.Questi valori vengono valutati in ogni cella: tipicamente un modello FDS è costituitoda centinaia di migliaia di celle e migliaia di intervalli temporali.Gli andamenti nel tempo di alcune grandezze in singoli punti dello spazio o quantitàcome la potenza termica rilasciata sono salvati in file di estensione .csv utilizzabili inprogrammi di elaborazione dati.
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File di inputLe operazioni svolte dal programma FDS sono basate su un file di testo di input la cuiestensione è .fds: il nome del file sarà del tipo quindi job_name.fds. Nel file di inputsono contenute tutte le informazioni necessarie per la descrizione dello scenario diincendio.Queste riguardano:• le dimensioni della griglia, la quale consiste in una o più mesh di celle uniformi.Tutti gli elementi devono avere dimensioni conformi alla griglia: oggetti più piccolidella singola cella possono essere approssimati con la cella minima o ignorati• la geometria dell’edificio: è rappresentata da una serie di blocchi rettangolari• l’ambiente circostante: le condizioni al contorno sono applicate sulle superfici deiblocchi;• le proprietà dei materiali: la conducibilità termica, il calore specifico, la densità, lospessore;• le caratteristiche della combustione;• le quantità di output richieste.Una certa disponibilità di questi file di dati è direttamente offerta dal NIST, all’internodella cartella denominata Examples che viene installata durante la procedura disettaggio automatico.
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Struttura del file
Nel file di input i parametri delle analisi sono organizzati in gruppi dettinamelist group che rappresentano classi di parametri.I namelist sono stringhe di comando in linguaggio FORTRAN.
Costituiscono le parole chiave per la comprensione del file di dati: si tratta diuna trentina di istruzioni, tutte individuate per mezzo di una stringacomposta da quattro caratteri alfabetici, come riportato in Tabella.Ogni stringa del namelist inizia con il carattere & e finisce con lo slash (/).
Ciò che viene eventualmente scritto dopo lo slash non viene letto dalprogramma: è solo un commento utile all’utente per descrivere l’istruzioneche lo precede.
I singoli comandi sono separati dalla virgola, dallo spazio o daun’interruzione di linea.
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IL GRUPPO &HEAD
ESEMPI:
&HEAD CHID='wood', TITLE='Test' /
&HEAD CHID='INCENDIO', TITLE='RIS' /
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PARAMETRI DEL GRUPPO &HEAD
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IL GRUPPO &HEAD IN UN LISTATO
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IL GRUPPO &MESH
Tutti i calcoli in FDS devono essere condotti all’interno di un dominio che ècostituito da volumi discretizzati.Ogni volume è composto da celle parallelepipede, il numero delle quali dipendedalla risoluzione voluta della dinamica del flusso. MESH è il namelist che definisce ildominio computazionale.Il sistema di coordinate necessario per la definizione della mesh è conforme allaregola della mano destra. Il punto di origine è definito attraverso il primo, il terzo eil quinto valore di una sestina di numeri reali XB e il punto finale attraverso ilsecondo, il quarto ed il sesto valore.Per esempio:
&MESH, IJK=10,20,30. XB=0.0,1.0,0.0,2.0,0.0,3.0 /
definisce una mesh il cui volume si estende dall’origine per 1 metro in direzione x,2 m in direzione y e 3 metri in direzione z. La mesh è suddivisa in celle attraverso ilparametro IJK. Nell’esempio di cui sopra il dominio è diviso in cubi di 10 cm.&MESH IJK=50,150,60, XB=0.0,5.0,0.0,15.0,0.0,6.0 / 778545 NUMERO DI CELLE
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IL GRUPPO &MESH IN UN LISTATO
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IL GRUPPO &TIME
Le condizioni riguardanti la durata della simulazione e il tempo dello step inizialevengono attribuite attraverso il namelist TIME.Il parametro che permette di indicare la durata è T_END che di default è impostatopari ad 1s. Per esempio, la seguente riga di comando fornisce l’istruzione che lasimulazione duri 5400 secondi.
&TIME, T_END=5400. /
Impostando T_END pari a zero, si può effettuare un rapido controllo della geometriadel problema in Smokeview. È possibile specificare anche il tempo di inizio dellasimulazione tramite il comando T_BEGIN.Questa è un’opzione utile per realizzare un filmato volendo mostrare le condizioniiniziali.Il passo temporale di integrazione numerica iniziale può essere specificatoattraverso il comando DT. Questo parametro è normalmente calcolato dividendo ladimensione del volume discretizzato per la velocità del flusso di calore. Il valore didefault di DT è dove δx, δy, δz sono le dimensioni della cella minore, H è l’altezzamassima del dominio e g l’accelerazione di gravità.
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IL GRUPPO &TIME
Durante la simulazione non è permesso aumentare il suo valore iniziale a meno chenon si specifichi altrimenti attraverso la seguente stringa di testo:
&TIME, RESTRICT_TIME_STEP=.FALSE. /
Un altro parametro interessante che può essere utilizzato quando si ha un dominiodiviso in più griglie è SYNCHRONIZE, un indicatore logico che permette di farcoincidere i DT di tutte le mesh.Di default è .TRUE.
&TIME, SYNCHRONIZE =.true. /
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PARAMETRI DEL GRUPPO &TIME
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IL GRUPPO &TIME IN UN LISTATO
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IL GRUPPO &INIT
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PARAMETRI DEL GRUPPO &INIT
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IL GRUPPO &OBST
Il namelist OBST contiene tutti i parametri necessari a definire le ostruzioni.Ciascuna riga di comando contiene le coordinate del rettangolo solido all’internodel dominio.
Il solido è definito da due punti (x1, y1, z1) e (x2,y2, z2) espressi all’interno di unvettore da 6 elementi XB=X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2.
In aggiunta alle coordinate, le condizioni al contorno per gli oggetti sono specificateattraverso i parametri SURF_ID, che assegna la tipologia di superficie considerata.
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IL GRUPPO &OBST
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PARAMETRI DEL GRUPPO &OBST
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IL GRUPPO &OBST IN UN LISTATO
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IL GRUPPO &HOLE
Attraverso il namelist HOLE è possibile realizzare un’apertura in un oggetto esistente.Per fare questo è sufficiente scrivere
&HOLE XB=2.0,4.5,1.9,4.8,0.0,9.2 /
e si toglie materiale nel solido tra 2.0<x<4.5; 1.9<y<4.8; 0.0<z<9.2.
Se l’apertura rappresenta una porta o una finestra, è una regola generale assicurarsiche il programma riesca a vedere l’apertura attraverso l’intera ostruzione.
Per esempio, se OBST denota un muro di spessore 0.1 m parallelo al piano yz eavente spessore in direzione x.
&OBST XB=1.0,1.1,0.0,5.0,0.0,3.0 /e si vuole creare una porta, allora si aggiunge la riga:
&HOLE XB=0.99,1.11,2.0,3.0,0.0,2.0 /
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IL GRUPPO &MULT
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IL GRUPPO &MULT
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PARAMETRI DEL GRUPPO &MULT
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IL GRUPPO &VENT
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PARAMETRI DEL GRUPPO &VENT
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IL GRUPPO &VENT
&VENT XB=0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.5, 1.0 SURF_ID='INFLOW_AND_TRACERS' /&VENT XB=2.0, 2.0, 0.0, 1.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /&VENT XB=0.0, 2.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /&VENT XB=2.0, 2.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /&VENT XB=0.0, 2.0, 0.0, 1.0, 2.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
ESEMPI DI LISTATO DEL GRUPPO &VENT
&VENT MB='XMIN' SURF_ID='OPEN'/ &VENT MB='XMAX' SURF_ID='OPEN'/ &VENT MB='YMIN' SURF_ID='OPEN'/ &VENT MB='YMAX' SURF_ID='OPEN'/ &VENT MB='ZMAX' SURF_ID='OPEN'/
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IL GRUPPO &MATL
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IL GRUPPO &MATL
L’assegnazione delle condizioni al contorno è un aspettofondamentale del problema preso in considerazione, perchéinfluenzano pesantemente la crescita e lo sviluppo dell’incendio.Per specificare le proprietà dei solidi, si usa il namelist SURF.I solidi sono costituiti da una serie di strati che possono essere dimateriali diversi.
Le proprietà di ogni materiale sono indicate attraverso il namelistMATL.Queste proprietà riguardano la rapidità di riscaldamento e le modalitàcon cui brucia il materiale.
Ogni materiale è contraddistinto da un ID a cui è associato unasuperficie attraverso il parametro MATL_ID.
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IL GRUPPO &MATL
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IL GRUPPO &MATL
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IL GRUPPO &MATL
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IL GRUPPO &MATL
WATER EVAPORATION FROM ORIGINAL WOOD&MATL ID = 'WATER'
EMISSIVITY = 1.0DENSITY = 1000.CONDUCTIVITY = 0.6SPECIFIC_HEAT = 4.19N_REACTIONS = 1A = 1E20E = 1.62E+05NU_WATER = 1.0HEAT_OF_REACTION = 2260. /
&MATL ID = 'LIGNIN'EMISSIVITY = 1.0DENSITY = 550.CONDUCTIVITY = 0.1SPECIFIC_HEAT = 1.1 /
THE PRODUCT OF REACTION 2&MATL ID = 'CHAR'
EMISSIVITY = 1.0DENSITY = 140.CONDUCTIVITY_RAMP = 'K_CHAR'SPECIFIC_HEAT = 1.1 /
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PARAMETRI DEL GRUPPO &MATL
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IL GRUPPO &SURF
SURF è il namelist che definisce la struttura delle superfici di tutti i solidi e delleaperture interne al dominio o al bordo.
Le condizioni al contorno per le aperture e per le ostruzioni sono assegnate proprionella riga di comando delle SURF.
Di default per tutte le superficie è assegnata la temperatura ambiente e il materialeinerte.
Per determinare le caratteristiche dell’incendio è sufficiente assegnare il valore delHRR, senza esser costretti al dover indicare il tipo di materiale. La sorgente diincendio può essere modellata quindi solo il valore del HRRPUA, cioè delcoefficiente di rilascio termico per unità di area espresso in kW/m2.
Esempio:
&SURF ID=’FIRE’,HRRPUA=500. /
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IL GRUPPO &SURF
&SURF ID='INFLOW_AND_TRACERS',VEL=‐0.25,PART_ID='inflow_blue' /
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IL GRUPPO &SURF
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IL GRUPPO &SURF
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IL GRUPPO &SURF
È possibile anche assegnare tipologie di superficie diverse per i vari stratidell’oggetto (superiore laterale ed inferiore) attraverso il comando SURF_IDS checostituisce una matrice con le proprietà del lato superiore, laterale ed inferiore.
Per esempio con i comandi
&SURF ID=’FIRE’,HRRPUA=1000.0 /&OBST XB=2.3,4.5,1.3,4.8,0.0,9.2, SURF_IDS=’FIRE’,’INERT’,’INERT’ /
si vuole indicare che si infiamma solo la superficie superiore dell’oggetto.Attraverso il parametro ID6, è possibile specificare le caratteristiche di ogni pianoesterno dell’oggetto:&OBST XB=2.3,4.5,1.3,4.8,0.0,9.2, SURF_ID6=’FIRE’,’INERT’,’HOT’,’COLD’,’BLOW’,’INERT’ /
dove le sei superfici descritte si riferiscono ai piani x=2.3m, x=4.5m, y=1.3m,y=4.8m , z=0.0m, z=9.2m.
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
CORRELAZIONE TRA GRUPPO &MATL E &SURF
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CORRELAZIONE TRA GRUPPO &MATL E &SURF
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IL GRUPPO &REAC
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IL GRUPPO &REAC
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IL GRUPPO &REAC
Per assegnare l’incendio si può specificare la HRRPUA nella riga della SURF oppurespecificare il calore di reazione (HEAT_OF_REACTION) attraverso i parametri termicinella riga del MATL. Le reazioni vengono indicate nella stringa REAC nella quale iparametri principali sono:• ID mostra il nome identificativo della reazione
• C, H, O, N OTHER sono i componenti chimici della formula
• SOOT_YIELD è la frazione di massa di comburente convertita inparticolato di fumo
• CO_YIELD è la frazione di massa di carburante convertita in monossido dicarbonio
• HEAT_OF_COMBUSTION è la quantità di energia rilasciata per unità dimassa di carburante consumato.
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IL GRUPPO &REAC
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ESEMPI DEL GRUPPO &REAC
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IL GRUPPO &REAC
&REAC FUEL='WOOD'FYI='Ritchie, et al., 5th IAFSS, C_3.4 H_6.2 O_2.5, dHc = 15MW/kg'SOOT_YIELD = 0.02O = 2.5C = 3.4H = 6.2HEAT_OF_COMBUSTION = 17700 /
ESEMPIO DI INNESCO BENZINA
&REAC FUEL = 'BENZENE'FYI = 'BENZENE, C_6 H_6'HEAT_OF_COMBUSTION = 39900.O = 0.C = 6.H = 6.CO_YIELD = 0.067SOOT_YIELD = 0.181 /
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IL GRUPPO &RAMP
Per ogni materiale solido si specificano le sue proprietà termiche: conduttività,densità, calore specifico, emissività. Sia la conduttività che il calore specificopossono essere essere funzione della temperatura.Questa dipendenza può essere assegnata attraverso il commando RAMP.Per esempio, considerando la marinite (un tipo di argillite petrolifera adatto adapplicazioni ad alte temperature), si indica&MATL ID = ‘MARINITE’EMISSIVITY = 0.8DENSITY = 737.SPECIFIC_HEAT_RAMP = ‘c_ramp’CONDUCTIVITY_RAMP = ‘k_ramp’ /&RAMP ID=’k_ramp’, T= 24., F=0.13 /&RAMP ID=’k_ramp’, T=149., F=0.12 /&RAMP ID=’k_ramp’, T=538., F=0.12 /&RAMP ID=’c_ramp’, T= 93., F=1.172 /&RAMP ID=’c_ramp’, T=205., F=1.255 /&RAMP ID=’c_ramp’, T=316., F=1.339 /&RAMP ID=’c_ramp’, T=425., F=1.423 /
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IL GRUPPO &RAMP
In questo caso, il parametro T nel comando RAMP si riferisce alla temperatura ed F è ilvalore specifico del parametro richiesto. Il parametro T del comando RAMP puòriferirsi anche al tempo come nel caso che si riporta di seguito&MATL ID = ‘stuff’CONDUCTIVITY = 0.1SPECIFIC_HEAT = 1.0DENSITY = 900.0 /&SURF ID = ‘my surface’COLOR = ‘GREEN’MATL_ID = ‘stuff’HRRPUA = 1000.IGNITION_TEMPERATURE = 500.RAMP_Q = ‘fire_ramp’THICKNESS = 0.01 /&RAMP ID=’fire_ramp’, T= 0.0, F=0.0 /&RAMP ID=’fire_ramp’, T= 10.0, F=1.0 /&RAMP ID=’fire_ramp’, T=310.0, F=1.0 /&RAMP ID=’fire_ramp’, T=320.0, F=0.0 /
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IL GRUPPO &RAMP
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IL GRUPPO &PART
&PART ID='inflow_blue',MASSLESS=.TRUE.,QUANTITIES(1)='PARTICLE
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IL GRUPPO &DEVC
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IL GRUPPO &DEVC
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IL GRUPPO &DEVC
&OBST XB= 1.40 2.00 2.00 2.20 1.20 3.00SURF_ID='FINESTRA' DEVC_ID='TEMPERATURA1'/
&DEVC XYZ= 1.60 2.20 2.00 ID='TEMPERATURA1' SETPOINT= 250.00QUANTITY='TEMPERATURE' INITIAL_STATE=.TRUE. /
&OBST XB= 3.20 3.80 2.00 2.20 2.10 3.00SURF_ID='FINESTRA'/
&OBST XB= 0.80 1.00 3.90 5.20 1.20 3.00SURF_ID='FINESTRA'/
&OBST XB= 1.30 2.20 12.80 13.00 2.20 3.00SURF_ID='FINESTRA' DEVC_ID='TIMER1'/
&OBST XB= 2.20 3.80 12.80 13.00 0.20 3.00SURF_ID='FINESTRA' DEVC_ID='TIMER1'/
&DEVC XYZ=3.0,3.0,3.0, ID='TIMER1', SETPOINT= 120., QUANTITY='TIME',INITIAL_STATE=.TRUE. /SENSORE PORTONE INGRESSO&OBST XB= 2.20 2.30 12.80 13.00 0.20 2.20
SURF_ID='PORTA'/&OBST XB= 1.30 3.80 12.80 13.00 2.20 2.30
SURF_ID='PORTA'/
Prof. Ing. Franco BontempiIng. Marcello Mangione
)
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
IL GRUPPO &PROP
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)
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
IL GRUPPO &PROP
Prof. Ing. Franco BontempiIng. Marcello Mangione
)
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
IL GRUPPO &BNDF
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
PARAMETRI DEL GRUPPO &BNDF
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
IL GRUPPO &DUMP
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
IL GRUPPO &SLCF
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PARAMETRI DEL GRUPPO &SLCF
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Progettazione Strutturale Antincendio – Costruzione del listato
ESEMPI GRUPPO &SLCF
&SLCF PBY=0.5, QUANTITY='TEMPERATURE',VECTOR=.TRUE. /&SLCF PBZ=0.5, QUANTITY='TEMPERATURE',VECTOR=.TRUE. /
&TAIL /
&SLCF PBX=1.50 QUANTITY='TEMPERATURE' / &SLCF PBX=1.50 QUANTITY='VELOCITY' VECTOR=.TRUE. / &SLCF PBX=1.50 QUANTITY='VISIBILITY' / &SLCF PBX=1.50 QUANTITY='CARBON MONOXIDE' / &SLCF PBX=1.50 QUANTITY='CARBON DIOXIDE' /
&SLCF PBY=2.60 QUANTITY='TEMPERATURE' / &SLCF PBY=2.60 QUANTITY='VELOCITY' VECTOR=.TRUE. / &SLCF PBY=2.60 QUANTITY='VISIBILITY' / &SLCF PBY=2.60 QUANTITY='CARBON MONOXIDE' / &SLCF PBY=2.60 QUANTITY='CARBON DIOXIDE/
Prof. Ing. Franco BontempiIng. Marcello Mangione
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STRUTTURA DEL LISTATO COMPLETO
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STRUTTURA DEL LISTATO COMPLETO
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VISUALIZZAZI0NE DEI RISULTATI CON SMOKEVIEW
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VISUALIZZAZI0NE DEI RISULTATI CON SMOKEVIEW
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VISUALIZZAZI0NE DEI RISULTATI CON SMOKEVIEW
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VISUALIZZAZI0NE DEI RISULTATI CON SMOKEVIEW