Wprowadzenie do ćwiczenia nr 4.

LABORATORIUM MODELOWANIA POŻARÓW
Ćwiczenie nr 5
Fire Dynamics Simulator - Wprowadzenie
Opracowali: M. Fliszkiewicz, A. Krauze
1. Wiadomości wstępne
FDS (Fire Dynamics Simulator) jest narzędziem, opracowanym przez amerykański instytut
naukowo-badawczy NIST (National Institute of Standards and Technology). Program jest
powszechnie znany oraz stosowanym w środowisku inżynierów, pracowników i studentów wyższych
uczelni technicznych na całym świecie, zajmujących się tematyką inżynierii bezpieczeństwa
pożarowego. Aplikacja w głównej mierze bazuje o metody obliczeniowe numerycznej mechaniki
płynów.
Program FDS po raz pierwszy został udostępniony użytkownikom w lutym 2000 r. na zasadach
open-source. Od tamtego czasu, aplikacja ewoluowała do wersji piątej, która ukazała się w
październiku 2007 r. Aktualnie NIST kontynuuje prace nad dalszym rozwojem programu, przede
wszystkim w zakresie ulepszenia zastosowanych modeli matematycznych. W niedalekiej przyszłości
planowane jest wydanie szóstej wersji programu. Wkład w tworzenie oraz ulepszanie
oprogramowania mają również inne instytucje, które razem z NIST współtworzą aplikację tj. fiński
instytut VTT Technical Research Centre of Finland, The Society of Fire Protection Engineers
(SFPE), firmy z branży przeciwpożarowej, które wykorzystują program do analiz pożarowych oraz
wiele uczelni wyższych posiadających kierunki związane z bezpieczeństwem pożarowym. Obecnie
największym problemem do dalszego rozwoju programu jest niewystarczająca ilość danych
eksperymentalnych, które posłużyłyby, jako walidacja poszczególnych modeli matematycznych.
FDS jest narzędziem przeznaczonym do szczegółowej analizy zagrożeń pożarowych
i rozwiązywania problemów związanych inżynierią bezpieczeństwa pożarowego. Zapewnia tym
samym możliwość poznania dynamiki zjawiska pożaru oraz towarzyszących mu procesów
fizycznych. Program ten, w zakresie zagadnień związanych z bezpieczeństwem pożarowym, można
stosować do modelowania następujących zjawisk fizycznych:
- transportu ciepła i produktów spalania powstałych na skutek pożaru,
- wymiany ciepła poprzez promieniowanie i konwekcję,
- pirolizy,
- rozprzestrzeniania się płomieni oraz rozwoju pożaru,
- aktywacji tryskaczy oraz czujek dymu i ciepła,
- działania tryskaczy oraz gaszenia wodą.
Pomimo, że FDS w zamyśle projektowany był do modelowania zjawiska pożaru, może być
również wykorzystywany do innych symulacji dla wolnych przepływów cieczy i gazów, które nie
zawierają zjawiska rozwoju pożaru lub wymiany ciepła.
Wykonanie poprawnych analizy dla wymienionych powyżej zjawisk wymaga od użytkownika
posiadania podstawowej wiedzy z zakresu mechaniki płynów, termodynamiki, transportu ciepła,
fizykochemii spalania oraz inżynierii bezpieczeństwa pożarowego. Znajomość tych dziedzin jest
niezbędna, zarówno na etapie przygotowywania warunków brzegowych symulacji komputerowej, jak
również na etapie odczytywania i analizy wyników końcowych.
Główne trudności, jakie pojawiają się podczas komputerowego modelowania pożarów przy
wykorzystaniu programu FDS lub innych obecnie dostępnych narzędzi, koncentrują się wokół trzech
istotnych zagadnień:
1. istnieje ogromna liczba możliwych scenariuszy rozwoju pożaru, ze względu na przypadkową
naturę tego zjawiska,
2. zjawisko pożaru jest procesem bardzo złożonym i zależnym od wielu czynników
towarzyszących,
3. moc obliczeniowa obecnych komputerów jest niewystarczająca by dokonać analizy
wszystkich możliwych przypadków rozwoju pożaru.
2. Parametry wejściowe
Wszystkie parametry wejściowe wymagane przez program FDS do opisania konkretnego
scenariusza przekazywane są za pośrednictwem pojedynczego pliku tekstowego utworzonego przez
użytkownika. Plik ten zawiera informacje na temat siatki obliczeniowej, warunków brzegowych,
geometrii budynku, właściwości materiałów, kinetyki spalania oraz pożądanych danych
wyjściowych.
Domena obliczeniowa składa się z jednej lub więcej prostoliniowych siatek obliczeniowych,
które wypełnione są (zazwyczaj) identycznymi komórkami. Wszystkie elementy tworzące geometrię
budynku muszą być dopasowane do rozdzielczości siatek obliczeniowych. Elementy mniejsze niż
rozmiar jednej komórki obliczeniowej są odrzucane lub przybliżane do wymiarów tej komórki.
Podsumowując, geometria budynku reprezentowana jest za pomocą serii prostopadłościanów, które
wypełniają poszczególne komórki siatki obliczeniowej.
Warunki brzegowe ciał stałych określane są, jako prostokątne obszary. Definiowane tych
obszarów polega na wprowadzeniu poprawnych właściwości fizycznych, takich jak przewodnictwo
cieplne, ciepło właściwe, gęstość, grubość czy palności. W zależności od wymaganej dokładności
analizowanego scenariusza istnieje wiele możliwości uszczegółowienia lub też uproszczenia danych
wejściowych. Trzeba pamiętać jednak, że każda analiza uwzględniająca scenariusz pożarowy
powinna zawierać informacje na temat właściwości fizycznych wykorzystanych przegród
budowlanych oraz elementów wyposażenia. FDS traktuje wszystkie te obiekty, jako
wielopłaszczyznowe ciał stałe. W wielu przypadkach takie podejście powoduje, że parametry
fizyczne dla tych obiektów mogą być rozważane, jako przybliżenie prawdziwych właściwości.
Poprawne zdefiniowanie właściwości materiałów jest jednym z bardziej wymagających
zadań, z którymi musi zmierzyć się użytkownik programu. O ile odnalezienie odpowiednich
informacji na temat właściwości fizycznych, takich jak przewodnictwo cieplne, ciepło właściwe, czy
też gęstość jest zadaniem relatywnie prostym, o tyle uzyskanie informacji o zachowaniu się materiału
podczas oddziaływania różnych strumieni ciepła jest zadaniem trudnym i wymaga szczegółowej
analizy znalezionych danych.
Istotną częścią pliku wejściowego programu FDS są parametry odpowiedzialne za uzyskanie
odpowiednich danych wyjściowych. Trzeba pamiętać, że użytkownik musi zdecydować przed
rozpoczęciem obliczeń, jakie informacje chce uzyskać z analizowanego scenariusza. Jeżeli
informacje takie nie znajdą się w pliku wejściowym, to program wykona obliczenia bez zapisywania
odpowiednich plików z wyliczonymi wartościami. Pełny opis parametrów wejściowych znajduje się
w instrukcji obsługi programu FDS.
3. Wartości wyjściowe
Program FDS jest wstanie obliczyć temperaturę, gęstość, ciśnienie, prędkość, skład
chemiczny w każdej komórce obliczeniowej w określonym dyskretnym kroku czasowym. Zazwyczaj
program oblicza te wartości dla kilu lub kilkunastu milionów komórek i tysięcy kroków czasowych.
Dodatkowo dla stałych powierzchni program FDS jest w stanie określić temperaturę, strumień
oddziaływującego ciepła, współczynnik uwolnienia masy i wiele innych wartości. Użytkownik musi
dokładnie wyselekcjonować, które informacje chce zapisać, ponieważ bardzo często generowane
przez program pliki wyjściowe zawierają bardzo duże ilości danych, co przy dużych analizach może
spowodować powstanie plików o objętości rzędu kilkunastu gigabajtów.
W przypadku fazy gazowej program umożliwia uzyskanie następujących danych
wyjściowych:
- temperatury gazu,
- prędkości gazu,
- stężenia poszczególnych gazów (para wodna, CO2, CO, N2),
- stężenia dymu oraz szacunkowy zasięg widzialności,
- ciśnienia
- szybkości wydzielania ciepła na jednostkę objętości,
- mieszanina frakcji (lub współczynnik ilości powietrza do ilości spalanego paliwa),
- gęstości gazu,
- masy kropli wody na jednostkę objętości.
W przypadku powierzchni stałych FDS przewiduje dodatkowo wartości związane z bilansem
energetycznym pomiędzy fazą gazową, a fazą stałą, tj.:
- temperaturę wewnątrz i na powierzchni obiektu,
- strumień ciepła, zarówno promieniowania i konwekcji,
- współczynnik spalania,
- masę kropli wody na jednostkę powierzchni.
Globalne wartości rejestrowane przez program to:
- całkowity współczynnik uwalniania ciepła,
- czasy aktywacji tryskaczy i czujek pożarowych,
- strumienie masy i energii przepływające przez otwory lub obiekty.
Program umożliwia również zdefiniowanie prostych pojedynczych punktów pomiarowych,
które zapisują dane wyjściowe w plikach *.csv. Dane w takim pliku reprezentowane są przez ciąg
wektorów opisujących poszczególne kroki czasowe. Pliki te można w łatwy sposób zaimportować do
dowolnego arkusza kalkulacyjnego, a następnie wygenerować pożądaną formę prezentacji danych.
Najczęściej jednak do wizualizacji wyników wykorzystywany jest program Smokeview,
narzędzie specjalnie zaprojektowane w celu prezentacji danych wygenerowanych przez aplikację
FDS. Program Smokeview może prezentować wyniki za pomocą płaszczyzny przekroju, pola
wektorowego, czy też trójwymiarowej izopowierzchni.
4. Możliwości wykorzystania oprogramowania
Program FDS ze względu na swoje szerokie możliwości stosowany jest podczas
wykonywania ekspertyz, czy też analiz bezpieczeństwa pożarowego. Wykorzystywany jest do
rozpatrywania skutków rozprzestrzeniania się dymu, takich jak zmniejszenie zasięgu widzialności,
czy też wzrostu stężenia niebezpiecznych dla życia gazów pożarowych. Ważnym elementem
odczytywanym podczas numerycznych obliczeń jest temperatura w obszarze przebywania osób tzn.
poprzez sprawdzenie rozkładu temperatury w zadanych przekrojach istnieje możliwość ustalenia
czasu, po którym wystąpi temperatura graniczna zagrażająca życiu ludzi. Bezpośrednie wyznaczenie
temperatury przegród lub sprawdzenie rozkładu temperatury pod stropem i jej zmian w trakcie
pożaru umożliwia określenie bezpieczeństwa konstrukcji danego budynku. Dodatkowo FDS daje
możliwość modelowania, dla stanów ustalonych i nieustalonych, bardzo skomplikowanych procesów
wentylacyjnych.
Powyżej wymienione zostały najczęściej wykorzystywane i analizowane następstwa pożaru,
należy jednak pamiętać, że FDS pozwala także wyznaczać dla danego układu przestrzeni i każdego
wybranego jej przekroju, w konkretnych przedziałach czasowych, min. takie parametry jak: ciśnienie
panujące w domenie obliczeniowej, gęstość gazów pożarowych, przepływ ciepła, moc pożaru,
szybkość spalania, strumienia ciepła i wiele innych. Co więcej, FDS w pewnym stopniu umożliwia
badanie oraz analizowanie rozwoju pożaru. Niestety zastosowany model tego zjawiska jest bardzo
uproszczony, z dwóch podstawowych powodów:
1. istnieje duże ograniczenie związane z poprawnym definiowaniem właściwości pożarowych
wszystkich powierzchni palnych,
2. pożar jest bardzo złożonym procesem fizykochemicznym, który ciężko jest opisać wzorami
matematycznymi.
4. Wykorzystanie oprogramowania z punktu widzenia obowiązujących przepisów prawa
Z praktycznego punktu widzenia komputerowe modele symulacyjne (np. program FDS oparty
o numeryczną mechanikę płynów), jako narzędzia inżynierii bezpieczeństwa pożarowego mogą być
wykorzystywane w szczególności do:
1. analizy rozwiązań niestandardowych w fazie projektowania nowych obiektów, jako
uzasadnienie przyjętych rozwiązań we wniosku o odstępstwo od przepisów technicznobudowlanych w trybie art. 9 ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz. U. z 2006 r.
Nr 156, poz. 1118, z późn. zm.),
2. opracowania i uzasadnienia rozwiązań niestandardowych w obiektach istniejących w
związku z koniecznością uzasadnienia proponowanych w ramach ekspertyz technicznych
uzgadnianych przez Komendy Wojewódzkie PSP:
- warunków zamiennych w trybie § 1 ust. 2 rozporządzenia Ministra Spraw
Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony
przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr
109, poz. 719) czy też § 8 ust. 3 i § 12 ust. 4 rozporządzenia Ministra Spraw
Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego
zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych (Dz.U. Nr 121, poz. 1139),
- warunków zastępczych w trybie § 2 ust. 2 rozporządzenia Ministra Infrastruktury z
dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny
odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690, z późn. zm.),
3. teoretycznego sprawdzania skuteczności przyjętych rozwiązań w ramach koncepcji
zabezpieczenia obiektu.
Ponadto w październiku 2008 r. Biuro Rozpoznawania Zagrożeń w Komendzie Głównej
Państwowej Straży Pożarnej opracowało „Procedury organizacyjno-techniczne w sprawie spełnienia
wymagań w zakresie bezpieczeństwa pożarowego w inny sposób niż to określono w przepisach
techniczno-budowlanych, w przypadkach wskazanych w tych przepisach, oraz stosowania rozwiązań
zamiennych, zapewniających niepogorszenie warunków ochrony przeciwpożarowej, w przypadkach
wskazanych w przepisach przeciwpożarowych”.
Zgodnie z powyższym opracowaniem część analityczno-ocenna powinna zawierać
uzasadnienie zastosowania proponowanego rozwiązania, w celu wykazania niepogorszenia
warunków ochrony przeciwpożarowej. W uzasadnionych przypadkach, w szczególności w
budynkach, w których wymagane jest opracowanie scenariusza pożarowego - ze względu na
obowiązek wyposażenia takich budynków w system sygnalizacji pożarowej, bądź stałe urządzenia
gaśnicze oraz innych przypadkach, w których niemożliwe jest wykazanie w sposób niebudzący
wątpliwości niepogorszenia warunków ochrony przeciwpożarowej bez przeprowadzenia dokładnej
analizy i oceny warunków powstania i rozprzestrzeniania się pożaru z uwzględnieniem wpływu
zastosowanych zabezpieczeń technicznych i organizacyjnych, należy stosować narzędzia inżynierii
bezpieczeństwa pożarowego.
5. Podsumowanie
Obecnie program FDS dostępny jest dla wszystkich użytkowników na zasadach wolnego
oprogramowania. Można go pobrać z oficjalnej strony ośrodka badawczego NIST. Na stronie
znajdują się materiały dotyczące obsługi programu, jego weryfikacji oraz walidacji. Bardzo pomocną
częścią tego serwisu internetowego jest grupa dyskusyjna, na której społeczność korzystająca
z programu FDS omawia różnego rodzaju problemy. Istnieje również możliwość wglądu w kod
źródłowy oraz dowolnego modyfikowania go na swoje potrzeby.
W Polsce obecnie istnieją dwa niezależne ośrodki, które wykorzystują najnowsze techniki
komputerowe (m.in. program FDS) przy wykonywaniu opracowań z zakresu ochrony
przeciwpożarowej. Tymi ośrodkami są Instytut Techniki Budowlanej, który jest jednostką badawczorozwojową nadzorowaną przez Ministerstwo Infrastruktury oraz Stowarzyszenie Inżynierów
i Techników Pożarnictwa, które jest organizacją naukowo-techniczną będącą członkiem Federacji
Stowarzyszeń Naukowo-Technicznych Naczelnej Organizacji Technicznej (NOT). Ponadto istnieje
wiele firm oraz osób prywatnych, które świadczą swoje usługi w oparciu o symulacje komputerowe
rozwoju pożaru i rozprzestrzeniania dymu. Niestety w Polsce obecnie nie powstały wytyczne
dotyczące prawidłowych założeń wykonywanej symulacji, nie powołano również ośrodków
certyfikujących tego typu ekspertyzy. Zgodnie z obowiązującym w Polsce prawem, nadzór nad
prawidłowością sporządzania specjalistycznych opracowań z wykorzystaniem najnowocześniejszych
narzędzi inżynierii bezpieczeństwa pożarowego, spoczywa na Państwowej Straży Pożarnej.