Nowatorski model rozprzestrzeniania ognia równoważy szybkość i dokładność
Pożary od zawsze stanowią poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa w Europie. Chociaż tendencja jest zasadniczo spadkowa, w Europie nadal odnotowuje się około 4 000 ofiar śmiertelnych rocznie w wyniku dziesiątek tysięcy pożarów budynków. Kosztują one Europę ponad 100 miliardów euro rocznie. Dlatego inżynierowie zajmujący się bezpieczeństwem pożarowym muszą regularnie modelować zachowania pożarów, co jest tańsze i prostsze niż prowadzenie eksperymentów, jednak wiąże się z szeregiem wyzwań dotyczących obliczeń. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu RAD-FIRE, realizowanego przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, opracowano dokładne i skuteczne modele zachowań pożarów do celów inżynieryjnych. Innowacja ta rozwiązuje problemy dotykające wcześniejszych form modelowania pożarów. Modelowanie zachowania pożarów związane jest z dziedziną informatyki zwaną obliczeniową dynamiką płynów, która pozwala na symulację całości danego zjawiska, uwzględniając interakcję wielu złożonych zmiennych. Najważniejsze w przypadku pożarów jest promieniowanie cieplne, oznaczające ciepło przemieszczające się bezpośrednio ze źródła, a nie w wyniku działania prądów powietrznych czy zjawiska przewodzenia. Wyzwanie związane z modelowaniem „Modelowanie promieniowania cieplnego za pomocą obliczeniowej dynamiki płynów w symulacji pożarów zawsze było prawdziwym wyzwaniem dla naukowców i specjalistów zajmujących się modelowaniem”, mówi profesor nadzwyczajny Siaka Dembele, koordynator projektu. „Proste modele, które opierają się na szacowaniu frakcji wypromieniowywanego ciepła, mogą być łatwo wykonywane na komputerach, ale przez pewne uproszczenia dają niedokładne wyniki”. Przewidywania na podstawie tych prostych modeli nie są zbyt wiarygodne. Z drugiej strony techniki obliczeniowe, takie jak model rzędnych dyskretnych czy metoda objętości skończonych, są znacznie bardziej zaawansowane i dokładne, ale również niezwykle wymagające pod względem obliczeniowym. Obliczenia przy pomocy tych metod są czasochłonne, co wiąże się z wysokimi kosztami, a zarazem oznacza, że są one niepraktyczne dla inżynierów, którzy muszą mieć możliwość szybkiego przeprowadzania wielu symulacji. Proste ale dokładne „Tym, czego brakuje w obecnych programach obliczeniowej dynamiki płynów dotyczących bezpieczeństwa pożarowego”, dodaje prof. Dembele, „jest skuteczne rozwiązanie pośrednie”. Właśnie takie rozwiązanie powstało w ramach projektu RAD-FIRE. „Opracowany przez nas nowy model zachowuje rygor i dokładność zaawansowanych modeli, oferując jednocześnie krótszy czas obliczeń”. Efektem jest wygodne rozwiązanie dla inżynierów, które jest niezawodne i zapewnia odpowiednio wysoką dokładność. Kluczem do poprawy jest sposób obliczania właściwości promieniowania gazów spalinowych (głównie pary wodnej, dwutlenku węgla i tlenku węgla). Energia cieplna jest przekazywana głównie w postaci promieniowania podczerwonego; podobnie jak światło, fale podczerwieni mają różne długości, analogicznie do kolorów, które rozprzestrzeniają się jak tęcza w widmie widzialnym. Gorące gazy emitują energię w formie linii widma emisji, a także pochłaniają energię w tej formie. Podczas spalania powstają tysiące linii spektralnych emisji i absorpcji. Obecne zaawansowane podejścia dotyczące promieniowania gazów modelują każdą linię oddzielnie, co wydłuża czas obliczeń. Badacze z projektu RAD-FIRE uprościli obliczenia spektralne, ograniczając je z tysięcy linii do kilku dużych pasm złożonych z podobnych do siebie linii. Drugim elementem ulepszonego modelowania jest uproszczenie kluczowych obliczeń. Zespół opracował metodę obejmującą dwa przybliżenia do obliczania promieniowania cieplnego podczas pożaru. Podział obliczeń pozwala uzyskać znacznie prostszy algorytm w porównaniu z wcześniejszymi metodami. Naukowcy uznali, że jest on wystarczający do określenia charakterystyki płomienia. Nowe modele RAD-FIRE skracają w niektórych przypadkach obliczenia przeszło stukrotnie, przy czym dokładność nowej metody jest porównywalna do dotychczas wykorzystywanych modeli. Długi czas i wysokie koszty finansowe stosowania obecnych metod symulacji pożarów zniechęcają inżynierów do ich stosowania. Teraz, dzięki nowemu algorytmowi RAD-FIRE inżynierowie będą mogli modelować pożary przy mniejszych kosztach i wysokiej dokładności, czego efektem będą lepsze prognozy i bezpieczniejsze budynki.
Słowa kluczowe
RAD-FIRE, pożar, modelowanie, CFD, bezpieczeństwo pożarowe, promieniowanie cieplne, spalanie, inżynieria, obliczeniowa dynamika płynów, transfer ciepła
