Przegląd hybrydowych modeli pożaru

• Autorzy: Gałaj J. , Oleksy M.

Warianty tytułu

EN

Review of Hybrid Fire Models

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Celem niniejszego artykułu jest omówienie oraz ocena hybrydowych modeli pożaru, które zostały opracowane na świecie w ostatnich kilkudziesięciu latach. Wprowadzenie: Modelowanie pożarów przy użyciu komputera miało swój początek w latach 80-tych. Od tej pory aż do dzisiaj powstało kilkaset różnych modeli, poczynając od najprostszych integralnych poprzez strefowe do najbardziej złożonych polowych wykorzystujących technikę CFD (Computational Fluid Dynamics). Ze względu na bardzo długi czas obliczeń, jaki jest wymagany w przypadku modeli polowych (przy prostszych obiektach jest to średnio kilkadziesiąt godzin dla jednego scenariusza, przy bardziej złożonych nawet kilkaset), w końcu lat 90-tych zaczęto opracowywać koncepcję modeli, których dokładność byłaby znacznie większa niż modeli strefowych, natomiast czas obliczeń byłby istotnie krótszy. Takim przykładem mogą być hybrydowe modele pożaru. Metodologia: Artykuł zawiera podstawowe informacje na temat aktualnie dostępnych na świecie modeli hybrydowych. Omówiono w nim: model komórkowy Chowa wykorzystujący rozpowszechniony model strefowy CFAST, modele FASIT i FAS3D, które uwzględniają dodatkową warstwę mieszania, model wielowarstwowy Suzuki, w którym zastosowano podział pomieszczenia na n poziomych warstw o tej samej wysokości, model mieszany Hua wykorzystujący kombinację modeli strefowych i polowych. Biorąc pod uwagę ogólne wymagania, jakie powinny spełniać modele pożarów, w pracy zamieszczono ocenę poszczególnych modeli hybrydowych, a także próbę ich porównania ze sobą. Na końcu zamieszczono podsumowanie rozważań i kilka ogólnych wniosków z nich wynikających. Wnioski: Na podstawie przeprowadzonej oceny można stwierdzić, że obecnie istniejące modele hybrydowe nie są w stanie w pełni zastąpić modeli polowych opartych na technice CFD. Aby było to możliwe, należy jeszcze włożyć wiele pracy w ich rozwój, a w szczególności uwzględnić m.in. następujące zagadnienia: zmianę parametrów pożaru w każdej komórce, uniwersalny model gaszenia przy pomocy tryskaczy, dysz mgłowych lub prądownic, wpływ pożaru na konstrukcję budynku, możliwość wpływania użytkownika na dokładność otrzymanych wyników, a tym samym czas obliczeń, określenie bieżącego zapotrzebowania na tlen i wpływu jego stężenia na proces spalania oraz zastosowanie odpowiedniego modelu turbulencji.

EN

Purpose: The main purpose of this article is to describe and evaluate of hybrid fire models which have been developed all over the world in the last several decades. Introduction: Computer modeling of fires was introduced in the early eighties. Several hundred fire models have been created till now from the simplest integral to the most complex field one, using CFD (Computational Fluid Dynamics) technique. Field models require very long time for single simulation (the simpler objects need often about several dozen hours for simple scenario and even hundred hours for more complex scenarios). That was the main reason for appearance of a new idea in modeling of fires. Several hybrid models have been carried out in the end of nineties and in the beginning of this century. Its accuracy was comparable with field models, but time needed for single fire scenario was significantly shorter. Methodology: This article contains basic information on hybrid models and includes their evaluation. One of the first models was a result of work made by Charters and McIntosh on Leeds University (England), which effected in FASIT program created for studying of fires in tunnels and FAS 3D being a three-dimensional version of the first one (fires in compartments). CFD modeling elements were used in this program and each gas layer was divided into the grid of control volumes. For the first time, the mixing zone was separated into upper and lower zone. Obtained model has both main features of the field and zone models, what enables to simulate the gas fire environment in compartments more precisely than with the typical zone model without the need of performing long and expensive calculations. In turn, Chow proposed a method of using the existing CFAST tool for larger compartments. He divided the analyzed volume into several smaller cells (he examined cases with 3, 9 and 15 cells), and then, for each one of them he used the same approach as for single compartment. In 2002, Suzuki et al. proposed a modified multilayer model. He divided single compartments into horizontal layers with equal heights and determined the same parameters for each one of them using the equations following from mass and energy conservation laws. Another approach to the hybrid model was proposed by Hua et al. They used a combination of field and zone models to simulate and analyze the fire smoke propagation in multistorey building. It was assumed that in compartments with more complex fire dynamics, that is, i.e. with a fire source, the calculation mechanism would be consistent with the field model, while in compartments where the hot and cold zones are determined more clearly (i.e. corridors, compartments located farther from the fire source), the zone model should be used. Conclusions: Article presents several characteristics which show time curves of under-ceiling layer thickness achieved for the proposed model and for the typical zone and field models. Last of the mentioned solutions seems to be very interesting, but even in compartments with simpler fire dynamics where the zone model was used, unpredictable processes can occur (i.e. unsteady flows, local whirls). They can result in considerable spatial differences of calculated parameters, such as: temperatures, pressures, gas concentrations, etc. Based on the evaluation and comparison of discussed hybrid models one can claim, that neither of them doesn’t meet all requirements. There is still a lot of work that should be done on these models to improve them by consideration of the following aspects: changes of fire parameters in every cell, turbulence model, application of universal model of extinguishing systems including sprinklers, mist heads and nozzles, affecting of fire on building construction, possibility for user to influence on the calculation accuracy, determining of actual oxygen consumption and influence of different factors on combustion and pyrolysis process.

Słowa kluczowe

PL

modelowanie pożaru; polowy model pożaru; strefowy model pożaru; hybrydowe modele pożaru; technika CFD

EN

fire modelling; field fire model; zone fire model; hybrid fire model; CFD technique

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2013
• Tom: Nr 4
• Strony: 79--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., il.

Twórcy

autor

Gałaj J.

• Szkoła Główna Służby Pożarniczej; ul. Słowackiego 52/54 01-629 Warszawa

autor

Oleksy M.

• Komenda Powiatowa PSP w Pruszkowie; ul. Staszica 4, 05-800 Pruszków

Bibliografia

• 1. Beard A. N., Limitations of Fire Models, Journal of Applied Fire Science, vol. 5(3), 1995-96, pp. 233-243;
• 2. Beard A. N., Requirements for acceptable model use. Fire Safety Journal, vol. 40, 2005, pp. 477-484;
• 3. Burton D.J., Grandison A.J., Patel M.K., Galea E.R., Ewer J.A.C., Introducing a Hybrid Field/Zone Modelling Approach for Fire Simulation, Proceedings of INTERFLAM 2007, London 2007, pp. 1491-1497;
• 4. Chow W.K., Wong W.K., Application of the Zone Model FIRST on the Development of Smoke Layer and Evaluation of Smoke Extraction Design for Atria in Hong Kong. Journal of Fire Sciences, vol. 11, 1993, s. 329-347;
• 5. Chow W.K., A Short Note on the Simulation of the Atrium Smoke Filling Process Using Fire Zone Models. Journal of Fire Sciences, vol. 12, 1994, s. 516-528;
• 6. Chow W.K., Cheung Y.L., Simulation of Sprinkler-Hot Layer Interaction Using a Field Model. Fire and Materials, vol. 18, 1994, s. 359-379;
• 7. Chow W.K., Multi-cell Concept for Simulating Fires in Big Enclosures Using with a Zone Model. Journal of Fire Sciences, vol. 14, 1996, s. 186-198;
• 8. Chow W.K., Performance of Sprinkler in Atria. Journal of Fire Sciences, vol. 14, 1996, s. 466-489;
• 9. Chow W.K., Fire Hazard Assessment in a Big Hall with Multi-cell Zone Modelling Concept. Journal of Fire Sciences, vol. 15, 1997, pp. 14-28.
• 10. Chow W.K., Cui E.: Plume Equations for Studying Smokefilling Process in Atria with a Zone Model. Fire and Materials, vol. 21, 1997, s. 235-245;
• 11. Chow M.K., On the Use of Time Constants for Specifying the Smoke Filling Process in Atrium Halls. Fire Safety Journal, vol. 28, 1997, s. 165-177;
• 12. Chow W.K., An Approach for Evaluating Fire Zone Models. Journal of Fire Sciences, vol. 16, 1998, s. 25-31;
• 13. Chow W.K., Predictability of Flashover by Zone Models. Journal of Fire Sciences, vol. 16, 1998, s. 335-350;
• 14. Christian, N., An analysis of pre-flashover fire experiments with field modeling comparisons. Master thesis, Canterbury: University of Canterbury, 2000;
• 15. Cooper L. Y., Fire-Plume-Generated Ceiling Jet Characteristics and Convective Heat Transfer to Ceiling and Wall Surfaces in a Two-Layer Zone-Type Fire Environment. Natl. Inst. Stand. Technol., NISTIR 4705, 1991, s. 57;
• 16. Cooper L.Y., The Interaction o fan Isolated Sprinkler Spray and a Two-layer Compartment Fire Environment. Phenomena and Model Simulations. Fire Safety Journal, vol. 2, 1995, s. 89-92;
• 17. Cooper L.Y., Simulating Smoke Movement through Long Vertical Shafts in Zone-type Compartment Fire Models. Fire Safety Journal, vol. 31, 1998, s. 85-99;
• 18. Cox G.: Compartment Fire Modelling. Combustion Fundamentals of Fire, Academic Press, 1995, p. 334.
• 19. Davis W. D., The Zone Fire Model JET: A Model for the Prediction of Detector Activation and Gas Temperature in the Presence of a Smoke Layer. NISTIR 6324, National Institute of Standards and Technology, 1999;
• 20. Ewer J., Galea E.R., Patel M.K., Taylor S., Knight B., Petridis M., SMARTFIRE: An Intelligent CFD Based Fire Model. Journal of Fire Protection Engineering, vol. 10(1), 1999, s. 13-27;
• 21. Friedman R., An International Survey of Computer Models for Fire and Smoke. Journal of Fire Protection Engineering, Vol. 4, No. 3, 1992, s. 81–92;
• 22. Galea E.: On the Field Modeling Approach to the Simulation of Enclosure Fires. Journal of Fire Protection Engineering, vol. 1(1), 1989, s. 11-22;
• 23. Gałaj, J., Komputerowa symulacja rozwoju pożaru w obiektach wielokondygnacyjnych. Materiały VII Warsztatów Naukowych PTSK. Zakopane-Kościelisko 14-16 wrzesień 2000;
• 24. Gałaj, J., Computer simulation of fire development in multi-storey building. The 7th International Conference „Modern Building Materials, Structureand Techniques. Vilnius May 16-18, 2001;
• 25. Gałaj, J., Modelowanie cyfrowe rozwoju pożaru w budynkach wysokich. „Ochrona Mienia” (6) 2001. Warszawa 2001;
• 26. Gałaj J., Computer Tests of Fire in Multi-storey Building for Different Configuration of Vents. Proceedings of 8-th International Conference „Modern Building Materials, Structures and Techniques. Vilnius May 19-21, 2004;
• 27. Gałaj J., Konecki M., Zasady hybrydowego modelowania pożaru w układzie pomieszczeń, Referat Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa 2008;
• 28. Gałaj J., A general concept of fire hybrid modelling in compartments, Journal of Civil Engineering and Management, vol. 15(3) ,Vilnius, 2009, s. 237-245;
• 29. Gałaj J., A new version of hybrid model of fire in compartments. Proceedings of 10-th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”, Vilnius May 19-21, 2010;
• 30. Gałaj J, Tuśnio, N., Validation of popular zone and field models using the results of full-scale fire tests with polyurethane foam. Proceedings of the 10-th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”, Vilnius May 19-21, 2010.
• 31. Gandhi, P.D., Validation of a Zone Model for Predicting Smoke Filing Process in Atrium Halls. Fire Safety Sciences, vol. 12, 1994, s. 313-325;
• 32. Gottuk D.I., Roby R.J., Beyler C.L., The Role of Temperature on Carbon Monoxide Production in Compartment Fires. Fire Safety Journal, vol. 24, 1995, pp. 315-331;
• 33. Gupta A. K., Kumar R., Compartments Fires. A Simple Mathematical Model. J. Applied Fire Science, 11 (1), s. 53-74, 2002 – 2003;
• 34. Hadjisophocleous G. V., Yakan A., Computer Modeling of Compartment Fires. Internal Report No. 613, Institute for Research in Construction, National Research Council of Canada, Ottawa, ON, 1991;
• 35. He Y., Beck V., Smoke Spread Experiment in a Multi-storey Building and Computer Modelling. Fire Safety Journal, vol. 28, 1997, s. 139-164;
• 36. Hua J., Wang J., Kumar K.: Development of a Hybrid Fields and Zone Model for Fire Smoke Propagation Simulation in Buildings, Fire Safety Journal, vol. 40, 2005, s. 99-119;
• 37. Kim, E., Woycheese, J., Dembsey, N., A study of fire dynamics simulator version 4.0 for tunnel fire scenarios with forced longitudinal ventilation. Proceedings of 11th International Conference INTERFLAM 2007, London 2007, s. 503-515.
• 38. Konecki M., Tuśnio N., Rozszerzenie komputerowego modelu pożaru ASET-B o wybrane mechanizmy wymiany ciepła i masy. Zeszyty Naukowe SGSP, vol. 26, 2001, s. 33-56;
• 39. Konecki M., Tuśnio N., The Multi-zone Model for Predicting the Compartment Fire Environment. 17-th International Symposium on Combustion Processes, 24-27 September 2001, Poznań, pp. 148-153;
• 40. Konecki M., Zastosowanie modelu strefowego do badań różnych scenariuszy pożaru w pomieszczeniu. Archiwum Spalania, vol. 2 (1), 2002;
• 41. Konecki M., Problemy modelowania rozwoju pożaru w pomieszczeniach, Archiwum Spalania, Vol. 2, nr 1, Warszawa 2002, s. 69-91;
• 42. Konecki M., Modelowanie strefowo – przestrzenne pożaru w pomieszczeniach. Modele FASIT i FAS3D, Warszawa 2007;
• 43. Luo M., One Zone or Two Zones in the Room of Fire Origin During Fires? The Effects of the Air-handling System. Journal of Fire Sciences, vol. 15, 1997, s. 240-260;
• 44. Luo, M., He, Y., Beck, V., Application of field model and two-zone model to flashover fires in a full-scale multi-room single level building. Fire Safety Journal, vol. 29, 1997, s. 1-25;
• 45. McGrattan K. B., Forney G. P., Fire Dynamics Simulator - User’s Manual. NISTIR 6469, National Instituteof Standards and Technology, 2000;
• 46. Oleksy M., Ocena hybrydowych modeli pożarów, Praca dyplomowa, SGSP 2009;
• 47. Piórczyński, W, Gałaj, J. Matematyczny model rozprzestrzeniania się pożaru w budynkach wielokondygnacyjnych, Zeszyty Naukowe SGSP, nr 21, Warszawa 1998, s. 5-50;
• 48. Rockett, J., A., Morita, M., Cooper, L., Y., Comparisons of NBS/Harvard VI Simulations and Data from all Runs of a Full-scale Multi-room Fire Test Program. Fire Safety J. 1989, 15, 115-169;
• 49. Steckler K.D., Quintiere J.G., Rinkinen W.J., Flow Induced by Fire in a Compartment. NBSIR 822520, NBS, Washington, DC, 1982;
• 50. Suzuki K., Harada K.; Tanaka T., A multi-layer zone model for predicting fire behaviour in a single room, Proceedings of the 7th international symposium on Fire Safety Science, 2002.