Fire-Simulation.at - Simulation von Brandszenarien mit Feld- und Zonenmodellen

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Lagerhalle Fa. Voith | Bahnhof St. Pölten
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Feldmodelle

Feldmodell

Grundlagen

Der Berechnungsansatz der Feldmodelle besteht darin das dass zu betrachtende Volumen in einzelne Kontrollvolumina (Gitternetz) unterteilt wird. In weiterer Folge werden bei der Simulation die Interaktionen (Masse, Impuls und Energie) zwischen diesen einzelnen Kontrollvolumina berechnet. Aufgrund der hohen Rechenintensität welche die Lösung dieser Modelle erfordern, werden Feldmodelle auch "Computational Fluid Dynamics" (CFD) genannt. Auf der folgenden Seite finden sie Informationen über die Modellgrundlagen und das von uns verwendete Modell "Fire Dynamics Simulator" (FDS) vom National Institute of Standards and Technology (NIST). Es wird aber auch auf die Eigenschaften, Möglichkeiten und Grenzen von FDS eingegangen. Die Beschreibung ist relativ einfach gehalten und verzichtet auf die Darstellung von Formeln, da diese in zahlreichen Fachliteraturen nachgeschlagen werden können und diesen Rahmen sprengen würden.


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Physikalische Grundlagen

Physikalische Grundlage von CFD Modellen sind die Erhaltungsgleichungen für die Masse, Energie und Impuls, auch besser bekannt als Navier-Stokes Gleichungen. Mit Hilfe dieser Differentialgleichungssysteme lassen sich dreidimensionale Strömungen und Flüssigkeiten beschreiben, wobei grundsätzlich drei Lösungsansätze unterschieden werden:

Direct Numerical Simulation (DNS):
Eine Möglichkeit der Lösung wäre die direkte numerische Simulation (DNS), dabei werden die Navier-Stokes Gleichungen auf einem extrem feinen Gitter diskretisiert und numerisch gelöst. Weiters müssen bei diesen Verfahren die numerischen Zeitschritte sehr klein gewählt werden. Der Vorteil ist, dass z.B. auch sehr kleine Verwirbelungen genau beschrieben werden können. Aufgrund der Vorgaben (kleines Gitternetz und kleines Zeitinkrement) scheidet diese Variante für den Bereich der Brandsimulation jedoch aus, da die heutigen Rechenkapazitäten schlichtweg nicht ausreichen. Das von uns verwendete FDS wäre jedoch bei entsprechender Gitterkonfiguration auch in der Lage DNS zu berechnen.

Large Eddy Simulation (LES):
Um diese Problem zu umgehen arbeiten viele CFD Modelle mit der LES. Dazu werden die Navier-Stokes-Gleichungen örtlich und zeitlich mit einem Tiefpassfilter gefiltert. So lassen sich die großen Wirbelstrukturen (d.h. die large eddies) direkt berechnen und die kleinen Strukturen werden über ein Turbulenzmodell abgebildet, wobei der LES zu Grunde liegt, dass die kleinen turbulenten Strukturen (Wirbel) isotrop sind, also keine bevorzugte Richtung haben. Diese Vorgehensweise erlaubt es, die LES mit weit weniger Gitterpunkten als die DNS durchzuführen. Das von uns verwendete Programm FDS löst die Gleichungen mittels LES, wobei das Modell allerdings nur für geringe Geschwindigkeiten (Mach Zahl), wie sie bei Bränden vorkommen, gültig ist. Durch die Wegfilterung der kleinen Verwirbelungen werden jedoch auch gewisse Einschränkungen in Kauf genommen, so werden z.B. die Strömungsverhältnisse im Bereich der Grenze zu festen Körpern nicht aufgelöst. In FDS kann für Oberflächen jedoch ein Korrekturwert ("VBC") definiert werden, welcher je nach Oberflächenbeschaffenheit und Gittergröße diesen Effekt berücksichtigt.

Reynolds Averaged by Navier-Stokes (RANS):
Dieses Verfahren basiert auf der Reynolds-Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen. Dabei werden die Variablen in ihren Mittelwert und Fluktuation zerlegt und anschließend zeitliche und (oder) räumlich gemittelt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der gröberen Gitterweite des Modells (und somit geringeren Rechenaufwandes), sein Nachteil besteht in der geringen Auflösung der Strömungsstrukturen.

Zusammenfassend wird festgehalten, dass LES den goldenen Mittelweg zwischen Rechenaufwand und Modellierungsgrad darstellt, und wird somit auch bei allen derzeit am Markt befindlichen Brandsimulations CFD Modellen angewendet.

Wärmestrahlung, Konvenktion und Konduktion:
Das von uns verwendete FDS ist in der Lage den Wärmetransfer durch Strahlung und Konduktion auf Bauteile zu ermitteln. Aber auch der Wärmetransfer auf die Brandlast selbst wird simuliert. D.h. brennbare Flüssigkeiten werden z.B. durch den Brand erhitzt, womit auch die Brandleistung durch die erhöhte Verdampfung zunimmt.
Strahlung, Konvektion und Konduktion werden durch eine Vielzahl von Gleichungen und Gleichungssystemen beschrieben, welche je nach Anwendbarkeit vom Modell ausgewählt werden. Parameter sind z.B. Oberfläche, Materialien, Strahlung der Flammen, Strahlung von Rauchgasen, Strahlungsverminderung durch Rauch, Winkel zur Strahlenquelle,...

HRR_small
Typische Wärmeleistungsbilanz eines ca. 12 MW Brandes in einer Lagerhalle (ca. 3.000 m²)

Die obige Wärmeleistungsbilanz ist das Ergebnis eines konstanten 12 MW Brandes in einer ca. 3.000 m² großen Lagerhalle. Sehr gut ist erkennbar dass zu Beginn der Simulation in der gesamten Simulationsdomäne einheitliche Ausgangsbedingungen herrschen (20 °C). Der Brand selbst (blauer Graph) erreicht bereits in den ersten 2 bis 4 Sekunden die definierte Brandleistung. Die Konvektion und Strahlung ins Freie (gelber Graph) steigt relativ langsam an und repräsentiert den Wärmeverlust durch das Abströmen (bzw. zum geringen Teil auch Abstrahlen) der heißen Rauchgase durch die Rauch- und Wärmeabzugsöffnungen. D.h. erst wenn sich eine stabile Rauchschicht ausgebildet hat, geht diese Verlustleistung in einen quasi stationären Zustand über.
Die Gesamtstrahlung (magenta Graph) repräsentiert die Wärmeleistung, welche durch den Brand, bzw. durch die heißen Rauchgase insgesamt abgestrahlt wird. Der Hauptanteil wird dabei durch den Brand selbst erzeugt, zu einem geringen Anteil strahlen aber auch die Brandgase Wärme ab.
Bemerkenswert ist die sehr hohe Konduktion in die Bauteile (oranger Graph). Dieser Wert repräsentiert den Wärmeübergang in die Bauteile, d.h. das Erhitzen der Decke bzw. Mauern durch die heißen Rauchgase. Bei gegenständlicher Simulation wurde als Wand und Deckenmaterial Ziegel verwendet, welcher imstande ist sehr große Wärmemengen aufzunehmen. Aus diesem Grund sinkt der Konduktionsgraph auch sehr langsam ab (proportional zur Erwärmung der Bauteile). Wird z.B. als Wand- und Deckenmaterial dünnes Stahlblech definiert, so würde dieser Graph beiweiten schneller wieder absinken, da die Bauteile sich sehr schnell auf die Rauchgastemperatur erhitzen und somit nur noch in geringen Maße Wärme aufnehmen können. D.h. die Auswertung zeigt sehr gut wie sehr bei einer CFD Simulation die Randparameter wie z.B. Decken- und Wandmaterialien ausschlaggebend sind. Wobei hier natürlich je nach Anwendungsfall konservative Annahmen getroffen werden können.
Anm.: Die Auswertung ist keine Wärmeleistungsbilanz in dem Sinne Wärmezufuhr=Wärmeabfuhr, sondern der magenta Graph beinhaltet z.B. auch Anteile vom gelben Graph, daher ist die Summe der drei Wärmeverlustgraphen größer als der Wärmefreisetzungsgraph.


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Chemische Grundlagen - Brandmodell

Brandmodelle wie das von uns verwendete FDS beinhalten neben der physikalischen Modellierung (siehe oben) auch die Modellierung des Brandes selbst. Wobei die Simulation eines so komplizierten Vorganges wie ein Brand äußerst schwierig ist. D.h. vor allem Parameter wie z.B. die Brandausbreitung sind bei einem "natürlichen" Schadensfeuer mit hohen Unsicherheitsfaktoren belastet. Demgegenüber können definierte Brände wie z.B. von Flüssigkeiten oder Gasfackeln relativ genau modelliert werden.
FDS arbeitet überwiegend mit einem "Mixture Fraction" Modell. Die mixture fraction ist die Gasmenge an einem definierten Punkt im Strömungsfeld des Brandes. Das Modell setzt voraus, dass die Verbrennung vom Gemisch abhängig ist, und die Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff unendlich schnell ist. Die Massenanteile aller Reaktionsedukte und Reaktionsprodukte werden beim mixture fraction Modell mittels empirisch ermittelter Beziehungen, welche auf Analysen und Messungen beruhen, hergeleitet.
Das in FDS integrierte Verbrennungsmodell ist somit in der Lage Verbrennungsprodukte wie z.B. CO und CO2 zu berechnen, aber auch der Einfluss von Sauerstoffanteil, Brandlast usw. werden berücksichtigt. [3]

Grundsätzlich können Brände auf drei Arten simuliert werden:
  1. Es wird ein zeitlich konstanter Bemessungsbrand mit fixer Wärmefreisetzungsrate definiert.
  2. Es wird ein Bemessungsbrand mit zeitlich variabler Wärmefreisetzungsrate definiert. D.h. die Brandleistung kann entsprechend einer Realbrandkurve oder eines Design Fires (Brandleistungskurven) vordefiniert werden.
  3. Im Brandraum befinden sich brennbare Materialien, und es wird lediglich ein Initialfeuer definiert. Die gesamte Brandausbreitung und Wärmefreisetzung wird von FDS simuliert. Diese Variante erfordert eine sehr konkrete Kenntnis der lagernden Stoffe und ist mit einem relativ hohen Unsicherheitsfaktor behaftet. Im unmittelbaren Brandbereich ist weiters ein möglichst engmaschiges Gitternetz erforderlich, was den Simulationsaufwand zusätzlich erhöht. Der Vorteil ist, dass auch der Einfluss von Sauerstoffmangel berücksichtigt wird (ventilationsgesteuerter Brand).

Aber auch eine Kombination aus diesen Varianten ist möglich, z.B. dass der Initialbrand ein definiertes Design Fire ist, sich aber zusätzlich Brandlasten im Brandraum befinden.

Die Auswahl des Bemessungsbrandes hängt stark vom Einsatzzweck der Simulation ab.
Variante 1 (konstanter Bemessungsbrand) wird z.B. angewendet bei der Bemessung von Rauch- und Wärmeabzugsanlagen. Hier spielt der zeitliche Faktor eine untergeordnete Rolle. In diesem Fall stellt sich nach ca. 10 Simulationsminuten ein quasi-statischer Zustand ein und es kann die Rauchschichthöhe und die Rauchschichttemperatur beurteilt werden.
Soll zusätzlich zur RWA z.B. auch die Wärmebelastung von Bauteilen oder die Beeinträchtigung von Fluchtwegen beurteilt werden, so bietet sich Variante 2 (Design Fire) an. Hier spielt dann auch der Zeitfaktor eine wesentliche Rolle.
Soll z.B. auch die Wirkung von Löschanlagen beurteilt werden, so bietet sich Variante 3 an. Wobei hier auch trotz genauer Kenntnis der brennbaren Stoffe der Unsicherheitsfaktor relativ hoch bleibt.

Innerhalb einer FDS Simulation kann grundsätzlich eine bestimmte Verbrennungsreaktion definiert werden, entsprechend dieser Reaktion laufen alle Verbrennungen innerhalb der Simulation ab (sowohl definierte Bemessungsbrände (statisch oder nach Brandleistungskurven), aber auch der Abbrand brennbarer Stoffe).

Die wesentlichen  Parameter dieser Verbrennungsreaktion sind:
Die stöchiometrischen Koeffizienten für eine ideale Verbrennung (O2, H2O, CO2). Diese Koeffizienten beschreiben die Menge an Verbrennungsprodukten welche bei einer idealen Verbrennung entstehen würden. Diese Koeffizienten können mittels der Verbrennungsreaktion und des Molekulargewichts des Brennstoffes berechnet werden.
Um die Entstehungsprodukte der unvollständigen Verbrennung zu berücksichtigen können in FDS zusätzlich Faktoren für die Ruß- und CO Entwicklung definiert werden. Da diese beiden Faktoren korrelieren (nach Köylü und Faeth) braucht üblicherweise lediglich die Rußentwicklung (SOOT_YIELD) definiert werden.

Für übliche gemischte Lagerungen werden z.B. folgende Werte verwendet:
      SOOT_YIELD = 0.07     (Holz: 0.01, PU: 0.1,        Polystyrol: 0.164)
      MW_FUEL    = 100.      (Holz: 87,     PU: 130.3,    Polystyrol: 104)
      NU_CO2     = 5.             (Holz: 3.4,    PU: 6.3,        Polystyrol: 8)
      NU_H2O     = 3.3           (Holz: 3.1,    PU: 3.55,      Polystyrol: 4)
      NU_O2      = 6.              (Holz: 3.7,    PU: 7.025,    Polystyrol: 10)

Der obige Vergleich zu den Referenzwerten (Holz, PU und Polystyrol) zeigt, dass diese Verbrennungsreaktion zwischen Holz und Kunststoffen liegt. Dies entspricht z.B. einer gemischten Lagerungen (Holzpaletten, Karton, Kunststoffe). Einen wesentlichen Faktor stellt die Rußentwicklung (SOOT_YIELD) dar, da diese direkt die Menge des Rauches bzw. der Sichtbehinderung beeinflusst. Der gemittelte Wert von 0,07 entspricht auch den Werten laut A. Tewarson (“Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires,” in The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, P.J. DiNenno et al. Eds., 3rd ed., Quincy, MA: National Fire Protection Association, 2002, sec. 3, chap.).

Ein weiterer Faktor welcher die Rauchentwicklung beeinflusst ist das Massenabsorptionsmaß (MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT), dieser liegt standardmäßig bei 7600 m²/kg und entspricht der Verbrennung von Holz bzw. Plastik (lt. FDS User Guide) und wird üblicherweise nicht anders definiert.
Vor allem die Entwicklung von CO und CO2 spielen aufgrund ihrer narkotisierenden bzw. erstickenden Wirkung bei der Beeinflussung von Fluchtwegen durch Rauchgase eine wesentliche Rolle. Die Flucht wird aber auch durch die im Brandrauch enthaltenen Reizgase wie z.B. Blausäure, Cyanide, Schwefeldioxid, Salzsäure, usw. beeinträchtigt (Atemwegs- und Augenreizungen).

Löschwirkung von Wasser:
Mit FDS kann auch die Löschwirkung von Wasser simuliert werden, wobei neben der Wassermenge auch Tropfengröße und Geschwindigkeit bestimmt werde können. Neben der kühlenden Wirkung und dem Einfluss von Wasserdampf wird teilweise auch der Einfluss auf die Brandlast selbst simuliert (z.B. Änderung des Pyrolyseprozesses), wobei vor allem dieser Faktor sehr schwer zu simulieren ist da dies sehr stark von der Stoffkonfiguration abhängt (d.h. Lagerung, Oberfläche, usw.).
Mit FDS kann z.B. die Wirkung einer Sprinkleranlage simuliert werden, wobei die einzelnen Sprinklerköpfe temperaturgesteuert ausgelöst werden können. Wassermenge, Austrittsgeschwindigkeit, Tropfengröße, RTI Faktor usw. können dabei frei definiert werden und somit dem jeweiligen Sprinklertyp angepasst werden. Ausgewertet wird in weiterer Folge z.B. auch der Einfluss der Sprinkler auf die Rauchschicht.


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Gitternetz (Raster, Grid, Mesh)

Um eine CFD Simulation durchzuführen muss das 3D Modell zuerst diskretisiert werden. D.h. das gesamte zu untersuchende Volumen (Domäne) muss in finite kleine Elemente (Kontrollvolumina bzw. Gitternetz) unterteilt werden. Bei dem von uns verwendeten FDS sind diese Zellen optimalerweise Hexaeder (= Würfel bei gleicher Seitenlänge), aber auch quaderförmige Zellen sind möglich. Es gibt aber auch CFD Modelle wo die Zellen Tetraeder, Polyeder, oder eine Mischung verschiedener Typen sind. Der Vorteil der Hexaeder ist die günstige Auswirkung auf die Rechenzeit. Nachteilig ist, dass durch die kartesische Anordnung der Hexaeder Schrägen oder Rundungen nur schwer dargestellt werden können, diese können bei der Verwendung von Tetraedern oder Polyeder besser nachgebildet werden.

Zur Veranschaulichung ein Beispiel:

Das Logo "Fire-Simulation.at" wurde in FDS simuliert. Bei größerer Betrachtung ist gut die Diskretisierung im Bereich der Rundungen erkennbar:

In der folgenden Abbildung sind zusätzlich noch die Gitternetzlinien eingeblendet:

Das gegenständliche Beispiel besteht aus ca. 135.000 Zellen, wobei jede Zelle 5x5x5 cm groß ist. Solche kleinen Gittergrößen sind jedoch nur bei kleinen Kubaturen möglich - In diesem Fall ca. 10 x 0,5 x 3 Meter = 15 m³

Folgend ein kleines Rechenbeispiel:
Betriebshalle mit 1.000 m² und 10 m Hallenhöhe
=> Volumen = 10.000 m³
Zellengröße = 20 cm ...... 125 Zellen/m³ => 1.250.000 Zellen
Zellengröße = 15 cm ..... ~ 296 Zellen/m³ => 2.960.000 Zellen
Zellengröße = 10 cm ..... 1.000 Zellen/m³ => 10.000.000 Zellen
Zellengröße = 5 cm ..... 8.000 Zellen/m³ => 80.000.000 Zellen

Das heißt eine Halbierung der Zellenseitenlänge bedeutet eine 8-fache Anzahl an Zellen. Als Faustregel gilt bei FDS dass pro 1.000.000 Zellen rund 1 GB an Arbeitsspeicher benötigt wird.

Die Wahl der Zellengröße ist neben den vorhandenen Ressourcen auch stark abhängig von dem zu untersuchenden Szenario. Vergleiche mit realen Szenarien haben gezeigt, dass z.B. bei Großfeuern im Freibereich (z.B. Öltanks) durchaus auch Zellengrößen im Meterbereich zu einem realistischen Ergebnis führen. Die Praxis hat gezeigt, dass bei klassischen Anwendungsfällen (Atrien, Mall, Hallen) üblicherweise die besten Ergebnisse mit Zellengrößen zwischen 0,1 bis 0,2 m erreicht werden. In kleineren Szenarien (z.B. Wohnungsbrand) sind aber durchaus auch Zellengrößen von 8 cm sinnvoll. [6][8][10]

Ein weiterer Faktor der die Rechenzeit beeinfluss ist die Anzahl der Zellen in X,Y und Z Richtung. Ist es möglich die Zellenanzahl für die Lösung der Poisson'schen Gleichungen zu optimieren, so ist eine Geschwindigkeitsgewinn von bis 10% erreichbar.
Die Zellenanzahl sollte der Form 2^l 3^m 5^n entsprechen, wobei l, m und n ganzzahlig sind. Z.B. 64=2^, 72=2^3 x 3^2 und 108=2^2 x 3^3 sind optimale Werte. Zellenanzahlen von z.B. 37, 99 und 109 sollten vermieden werden.
Abzuwägen ist immer ob der erhöhte Setup Aufwand und die eventuell erhöhte Zellenanzahl den Geschwindigkeitsgewinn rechtfertigt.
Die selbst entwickelte Software "FDSDataCreator" ist imstande die Zellengröße automatisch für Poisson zu optimieren. [3]

Mehrere Gitternetze (Multigrid)

In FDS besteht die Möglichkeit mehrere Gitternetze zu definieren. Dies hat drei Vorteile:
1. Das Gitternetz und somit die Zellenanzahl kann optimal an die Geometrie angepasst werden. D.h. Leerräume, oder Bereiche welche für die Simulation nicht relevant sind brauchen nicht simuliert (Reduzierung des Rechenaufwandes).
2. Es besteht die Möglichkeit die einzelnen Gitternetze auf eigenen EDV Systemen (über LAN verbunden) zu simulieren. D.h. es können somit auch Simulationen mit sehr vielen Zellen (> 5.000.000) gehandhabt werden.
3. Es kann z.B. im Brandbereich ein feinmaschigeres Gitter definiert werden, was den Vorteil bietet, dass der Verbrennungsprozess genauer simuliert wird.

Multigrid
Bahnhofsmall mit dargestellten Gitternetzen (insgesamt 8 Gitter)

Obige Darstellung zeigt sehr gut die Anwendung von mehreren Gitternetzen. Wäre bei diesem Projekt nur ein Gitternetz verwendet worden, so wäre der Rechenaufwand um ein vielfaches höher gewesen.

Da ein Netz nur im Randbereich Daten von einem anderen Netz "aufnehmen" kann, muss beachtet werden dass die Netze geringfügig überlappen. So ist es z.B. grundsätzlich möglich ein Gitternetz vollständig in ein größeres Gitternetz einzubetten. In diesem Fall würde das kleinere (eingebettete) Gitternetz Informationen vom größeren Netz empfangen, umgekehrt könnte das größere Netz jedoch keine Informationen vom eingebetteten Netz empfangen.
Weiters sollte beachtet werden, dass Gitternetzgrenzen nicht direkt in Bereichen mit großen Turbulenzen liegen (Brandbereich). Aufgrund der hohen Dynamik kommt es ansonsten leicht zu numerischen Instabilitäten.[3]

Bei der Verwendung von FDS auf mehreren Systemen müssen die einzelnen Computer über eine möglichst leistungsfähige LAN Verbindung miteinander verbunden sein. Der Datenaustausch erfolgt dabei über MPI (Message Passing Interface), weiters muss eine eigene Multiprozessor Version von FDS verwendet werden.[3]


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Hardware - Rechenkapazität

Derzeit werden für FDS Simulationen folgende vier EDV Systeme verwendet:
A - Intel Pentium-4 630 S775 Prescott 3.0 GHz, (Single Core HT CPU) mit 2 GB DDR2 RAM
B - Athlon 64 X2 4400+ 2,2 GHz (Dualcore CPU) mit 2 GB DDR RAM
C - Pentium D 950 3,4 GHz, (Dualcore CPU) mit 4 GB DDR2 RAM
D - Pentium D 950 3,4 GHz, (Dualcore CPU) mit 4 GB DDR2 RAM

D.h. es sind Simulationen mit insgesamt 7 CPU-Cores und 12 GB RAM Arbeitsspeicher durchführbar, wobei aufgrund von Einschränkungen durch Windows XP nur ca. 10 GB RAM adressierbar sind. Die Systeme sind mittels Gigabit LAN miteinander verbunden, d.h. theoretisch sind Simulationen mit bis zu ca. 8.000.000 - 10.000.000 Zellen möglich.


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Geometrie Setup

Einer der umfangreichsten Teile einer CFD Simulation ist das Setup der Geometriedaten. Da FDS nur ein kartesisches Koordinatensystem kennt müssen alle Mauern, Decken, Einbauten, Öffnungen usw. entsprechend diskretisiert werden.
Grundsätzlich wird in FDS jedes Objekt mit einem Satz von zwei 3D Koordinaten, welche zwei gegenüberliegende Eckpunkte darstellen, beschrieben. Bei rechtwinkeligen Gebäudestrukturen ist die Datenübernahme somit sehr einfach möglich. So kann eine einfache Halle z.B. mit 5 Zeilen beschrieben werden (4 x Wand + 1 x Decke).
Bei schrägen oder gar runden Flächen wird der Setup Aufwand entsprechend aufwändig, da diese in entsprechende Einzelblöcke mit der entsprechenden Abstufung umgewandelt werden müssen.

Anschaulich wird diese Problematik durch folgendes Beispiel:
1. Die Geometrie liegt als 3D CAD Projekt vor.
Setup1

2. Gerade Flächen, Rundungen und Flächen müssen durch kartesisch ausgerichtete Blöcke ersetzt werden (dargestellt durch die grünen Linien).
Setup2

3. Die einzelnen Blöcke (grün) müssen durch Linien (magenta) von einem Eckpunkt zum gegenüberliegenden Eckpunkt durchkreuzt werden. Die Endpunkte der Linien stellen die Eingangsparameter für die FDS Simulation dar.
Setup3

Mit einem selbst entwickelten Programm namens "FDS5DataCreator" kann im Anschluss daran direkt aus dem CAD File das FDS Data File generiert werden. Wobei auch Zusatzfunktionen wie Grid-Generierung (mit Poisson Optimizer) oder z.B. HOLE Definition zur Verfügung stehen.

Download von FDS5DataCreator (Demoversion)

 


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Definition der Materialien bzw. Oberflächen

ACHTUNG: Dieser Abschnitt bezieht sich noch auf die nicht mehr aktuelle Version FDS 4

In weiterer Folge muss den einzelnen Objekten Material- und Oberflächeneigenschaften bzw. auch physikalische Parameter wie z.B. Volumenstrom usw. zugeordnet werden, wobei die wichtigsten im Folgenden angeführt werden [3]:

Bezeichnung in FDS Eigenschaft
 ADIABATIC   Das Material ist adiabatisch, d.h. es wird keinerlei Wärme von der Umgebung aufgenommen
 BACKING   Gibt an ob ein Material auf der Hinterseite Wärme abgibt. Z.B. Aufgehitztes Blechdaches welches auf der Rückseite Wärme abstrahlt
 BURN AWAY   Definiert ob ein Material abbrennt - oder kontinuierlich weiterbrennt (ohne Abbrand)
 BURNING RATE MAX   Begrenzt die maximale Abbrandrate (falls dies z.B. bei Versuchen ermittelt wurde)
 C DELTA RHO   Bei thermisch dünnen Materialien oder Beschichtungen das Produkt aus spezifischer Wärmekapzität, Dichte und Dicke
 CHAR DENSITY   Bei verkohlenden Materialien - Dichte der Kohleschicht
 C P   Spezifische Wärmekapazität
 C P CHAR   Bei verkohlenden Materialien - Spezifische Wärmekapazität der Kohleschicht
 DELTA   Materialdicke
 DENSITY   Dichte des Materials
 E COEFFICIENT   Löschwirkung von Wasser
 EMISSIVITY   Wärmemissionsvermögen des Materials
 FUEL FRACTION   Massenanteil des brennbaren Stoffes
 HEAT FLUX   Fixer Wärmefluss in das Material
 HEAT OF COMBUSTION   Verbrennungsenergie (ist überlicherweise in der Verbrennungsreaktion definiert)
 HEAT OF VAPORIZATION   Jene Energie die notwendig ist um eine Flüssigkeit oder festen Stoff zu verdampfen
 HRRPUA   Der Oberfläche wird mit dieser Variablen eine fixe Wärmefreisetzungsrate zugewiesen, d.h. die Oberfläche brennt.
 HRRPUA MAX   Maximale Wärmefreisetzungsrate
 KS   Wärmeleitfähigkeit
 KS CHAR   Bei verkohlenden Materialien - Wärmeleitfähigkeit der Kohleschicht
 LEAKING   Variable um Oberfläche als Wärmeleckage definieren
 MASS FLUX(I)   Massenverlust (Massenstrom)
 MASS FLUX CRITICAL   Maximaler Massenverlust
 MASS FRACTION(I)   Massenanteil
 MOISTURE FRACTION   Massenanteil von Wasser im Material
 PHASE   Phase des Materials (Flüssig oder verkohlt)
 POROSITY   Porösität des Materials (wichtig bei Löschverhalten)
 PLE   Atmosphärisches Profil (bei Outdoor Bränden)
 PROFILE   Windprofil (bei Outdoor Bränden)
 RAMP C P   Rampenfunktion der Spezifischen Wärmekapazität
 RAMP C P CHAR   Rampenfunktion bei verkohlenden Materialien für spezifische Wärmekapazität der Kohleschicht
 RAMP KS   Rampenfunktion der Wärmeleitfähigkeit
 RAMP KS CHAR   Rampenfunktion bei verkohlenden Materialien für Wärmeleitfähigkeit der Kohleschicht
 RAMP MF(I)   Rampenfunktion des Massenverlustes
 RAMP Q   Rampenfunktion der Wärmefreisetzungsrate
 RAMP V   Rampenfunktion der Geschwindigkeit bzw. Volumenstroms
 RGB   Farbe der Oberfläche
SPREAD RATE Brandausbreitungsgeschwindgkeit
 SURFACE DENSITY   Produkt von Dichte x Dicke
 TAU MF(I)   Rampenfunktion für Massenanteil und Massenverlust
 TAU Q   Rampenfunktion der Wärmefreisetzungsrate
 TAU V   Rampenfunktion der Geschwindigkeit bzw. Volumenstroms
 TEXTURE HEIGHT   Höhe der Oberflächentextur
 TEXTURE MAP   Oberflächentextur
 TEXTURE WIDTH   Breite der Oberflächentextur
 TMPIGN   Zündtemperatur des Materials
 TMPWAL   Temperatur der Materialoberfläche
 TMPWAL0   Initialtemperatur der Materialoberfläche
 VBC   Oberflächenindex des Materials
 VEL   Geschwindigkeit (bei Be- und Entlüftungen)
 VEL T   Geschwindgkeit (Tangentialkomponenten) (bei Be- und Entlüftungen)
 VOLUME FLUX   Volumensstrom (bei Be- und Entlüftungen)
 WALL POINTS   Anzahl der Berechnungspunkte für die Wärmekonduktion innerhalb des Materials
 Z0   Nullpunkt des Atmosphärischen Profils (bei Outdoor Bränden)

Diese Zusammenstellung zeigt wie umfangreich die Parameter sind, welche einer Oberfläche zugeordnet werden können. Natürlich sind nicht alle Eigenschaften untereinander kombinierbar sondern schließen sich teilweise aus, bzw. ist es nicht sinnvoll gleichzeitig zu definieren.

FDS verfügt über eine Datenbank in welcher die wichtigsten Stoffe bereits definiert sind, darüber hinaus besteht die Möglichkeit diese Materialien je nach Anforderung bzw. aufgrund von Brandversuchen entsprechend zu adaptieren.


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Weitere Setup Parameter

Neben der Definition der Bauteile müssen weiters die Umgebungsbedingungen definiert werden, dies sind:
- Die Umgebungstemperatur, wobei z.B. auch definiert werden kann, dass die Außentemperatur z.B. 32 °C beträgt und die Rauminnentemperatur 20 °C. Dies ist vor allem sinnvoll falls WorstCase Szenarien in Bezug auf Rauch- und Wärmeabzug angenommen werden sollen.

- Rauch- und Wärmeabzugsanlagen: Es können z.B. RWA's temperaturgesteuert ausgelöst werden, darüber hinaus ist auch die Simulation einer Rauchabsauganlage möglich.

- Windgeschwindigkeiten: D.h. es kann der Einfluss von atmosphärischen Winden auf die RWA simuliert werden

- Erzeugen oder Entfernen von Bauteilen: Bauteile können zeit- und temperaturgesteuert entfernt oder erzeugt werden. So kann z.B. das Schließen einer Brandschutztüre oder die thermische Zerstörung einer Glasfassade simuliert werden.

- Simulation von Sprinkleranlage, wobei die Auslösung und die Sprinklerart genau auf das jeweilige Produkt abgestimmt werden. Die Auslösung der einzelnen Sprinklerköpfe kann wiederum temperaturgesteuert erfolgen.


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Auswertungen

Nach Abschluss einer FDS Simulation stehen umfangreiche Auswertemöglichkeiten zur Verfügung, welche die Analyse bzw. Darstellung des Ergebnisses wesentlich erleichtern. Grundsätzlich muss jedoch jede Auswertung bereits beim Setup definiert werden, d.h. nach einem Simulationslauf können keine weiteren Auswertungen mehr hinzugefügt werden.
Die Darstellung erfolgt im Wesentlichen grafisch durch Auswertung mit dem Programm SmokeView, es können jedoch auch Temperaturverläufe, Sichtweiten, Gaskonzentrationen usw. in Form von Tabellen und Diagrammen dargestellt werden. Der Vorteil der grafischen Auswertung liegt eindeutig in der Übersichtlichkeit und Flexibilität. Der wesentliche Nachteil ist jedoch der Aufwand für die Dokumentation, d.h. für Behördenverfahren muss die Dokumentation entsprechend umfangreich und natürlich färbig ausgeführt werden. Trotzdem können jedoch nie alle Auswertungsparameter in allen Bereichen zu jeder Simulationszeit dargestellt werden. Demgegenüber muss man sich bei der Simulationsauswertung jedoch von dem Gedanken lösen, dass z.B. die Rauchschichthöhe auf Zentimeter genau bestimmt werden kann, oder eine Rauchgastemperatur auf °C genau bestimmt werden kann. Wie bei einem realen Brandereigniss sind diese Werte stets einer gewissen Streuung unterworfen bzw. lassen sich nicht genau definieren, und weichen weiters auch bei 100% identen Eingangsparametern bei jedem Simulationsdurchgang geringfügig voneinander ab. D.h. eine ausführliche grafische Dokumentation mittels Screenshots in Verbindung mit erläuterten Diagrammen, sowie der Auswertung und Beschreibung von Rauchschichthöhen, Temperaturverteilungen, Luftturbulenzen, Rauchgaskonzentrationen usw. sollten für eine einreichfähiges Projekt ausreichen. Selbstverständlich muss diese Dokumentation auch alle Eingangsparameter, sowie eine Modellbeschreibung enthalten. Optimalerweise wird die Dokumentation auch in digitaler Form als pdf Datei eingereicht um die farbechte Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.
Eine weitere Möglichkeit wäre eine Auswertung mittels Videosequenzen, wobei hierbei wiederrum nur bestimmte Blickwinkel und Parameter ausgewertet werden können.
Die universellste Möglichkeit ist im Falle von FDS sicherlich die Weitergabe der Auswertungsdaten auf Datenträgern, wobei je nach Projektumfang mehrere DVD's oder eine Festplatte erforderlich sein können. Weiters muss der zuständige Sachverständige oder Prüfingenieur mit dem Programm vertraut sein, was sicherlich den größten Hinderungsgrund darstellt.

Darstellung des Rauches:
Diese Auswertung dient mehr zur Illustration als zur wissenschaftlichen Auswertung, sehr gut kann durch die Rauchdarstellung jedoch die Ausbreitung und die Dynamik des Brandes visualisiert werden.
Smoke

Darstellung der Flammen:
Dient hauptsächlich zur Darstellung welche Stoffe brennen, bzw. zur Abschätzung wie groß der Brand ist.
Flammen_small

Darstellung von 2D Schnitten (Slice File):
Die Schnittdarstellung bietet die umfangreichste Auswertemöglichkeit, es muss jedoch bereits im Setupfile definiert werden wo sich die Schnitte befinden bzw. was die Schnitte darstellen soll. Die Unterscheidung der Werte erfolgt durch Farbskalen, es kann jedoch auch der jeweilige Wert punktuell ausgewertet werden.
Velo_small
Die Grafik zeigt z.B. die Luftgeschwindigkeit in einer Halle, wobei im rechten Bereich sehr gut die Einströmung der Zuluft erkennbar ist.

Mittels Schnittdarstellung können folgende Daten ausgewertet werden:
Dichte, Temperatur, Geschwindigkeit gesamt, Geschwindigkeitsrichtungsvektoren, Druck, Wärmefreisetzung, Viskosität, Wasserdampf, Strahlungsdichte, Absorptionskoeffizient, O2, CO, CO2, H2O, N2, Rauchdichte, Rauch-Volumensanteil, Licht Absorptionskoeffizient, Sichtweite,....

Oberflächenzustände:
Von sämtlichen Materialoberflächen können die Daten vergleichbar der 2D Schnittdarstellung dargestellt werden.
Boundary
Diese Auswertung ist z.B. für die Analyse der Bauteiltemperatur sehr wichtig da z.B. auch die Temperatur 5 cm unter der Oberfläche ermittelt werden kann.

csv Auswertungen:
Als csv Datei können die Wärmebilanzen, Massenbilanzen und Verbrennungsreaktionsprodukte ausgewertet werden. Weiters kann der Temperaturverlauf an einzelnen definierten Punkten, bzw. der Temperaturverlauf an Sprinklerköpfen ausgewertet werden. Aber auch die Rauchdichte bei einzelnen Rauchmeldern kann ausgewertet werden.

Lagrange Partikel:
Innerhalb einer Simulation können auch Lagrange Partikel freigesetzt werden (mit oder ohne Masse). Als massenlose Partikel können sie z.B. zur Nachverfolgung von Strömungen dienen. Als massenbehaftete Partikel können sie z.B. als Wassertropfen definiert werden (z.B. Strahlrohr), aber auch z.B. als eine brennbare Flüssigkeit welche aus einer Düse versprüht wird und sich entzündet.

Vektor 2D Schnitt (Vector Slice File):
Vergleichbar dem herkömmlichen 2D Schnitt, allerdings wird ein Array von Gitternetzpunkten dargestellt, welche gleichzeitig auch die Bewegung in Form einer „Spur“ bzw. Vektors darstellen.

Iso Oberflächen (Isosurface):
Alle Bereiche mit einem definierten Wert werden eingefärbt. Z.B. innerhalb einer Rauchschicht alle Bereiche mit 50 °C.

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