1

Simuladors d’Incendis-Programa FDS

Ana Maria LacastaLaboratori del Foc de la EPSEBUniversitat Politècnica de Catalunyaanna@fa.upc.edu

UPC

CETIB - BARCELONA, 24 DE FEBRER 2009

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

COMBUSTIÓ es defineix com una reacció irreversible entre un combustible i un comburent (generalment l’oxigen de l’aire), iniciada per una energia d’activació, en què sempre s’allibera calor i, en alguns casos, llum foc

Perquè s’origini un foc cal que es donin quatre factors simultàniament: - un combustible - un comburent - una font de calor susceptible d’assolir la temperatura d’ignició del combustible- la reacció en cadena

Tetraedre del foc

2

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

La propagació de l’incendi ocorre en diferents fases diferenciades: - la ignició- el desenvolupament inicial- la combustió sobtada generalitzada (flashover) - el ple desenvolupament- el declivi

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

En la fase inicial, l’elevació de la temperatura és gradual en funció del temps.En l’escenari, la calor es propaga fonamentalment per radiació, excepte en el lloc on està generant-se l’incendi, on hi ha una petita transmissió de calor perconvecció.

Transcorregut un cert temps, l’incendiarriba al màxim desenvolupament,s’aconsegueixen les temperatures més altes i la calor es transmet tant perconvecció com per radiació.

3

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Exemple: filmació

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

A partir d’aquest moment, l’incendi entra en una fase de declivi en quèdisminueix la temperatura de l’escenari. Aquest declivi pot deure’s:

- al fet que s’ha consumit tota la matèria combustible- a la reducció dràstica de la presència del comburent ASFIXIA- ambdues coses alhora

Si durant aquesta la fase d’asfíxia es produeix una entrada sobtada d’oxigen es pot donat una “explosió de fums” o backdraft.

4

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

La dinàmica d’un foc en un edifici depèn de molts factors, com dimensions i distribució de l’escenari on te lloc el foc, dimensions i ubicacions dels elements combustibles, propietats dels materials, obertures, condicions de ventilació.

En un foc intervenen diferents processos físics i químics de gran complexitat (moviment turbulent de fluids, reaccions de combustió, transmissió de calor,...)

Per tant la modelització matemàtica és molt complicada

Per altra banda, tenim ordinadors cada cop mes potents

QÜESTIÓ:

Podem simular numèricament, utilitzant eines informàtiques, la propagació d’un foc?

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Models matemàtics per descriure el foc

• Models de foc simplificats:Consisteixen en fórmules que permeten determinar: longitud de flames, temperatures de gasos,...

Moltes d’aquestes fórmules s’han programat dins d’eines informàtiques i fulls de càlcul, per exemple: FPETool (NIST)

• Models de simulació

• Models de zonesSimulació en les quals els divideix el compartiment en zones en les quals s’assumeix que la temperatura és uniforme.

Exemples: CFAST (NIST), OZONE (Universitat de Liege)

• Models de campBasats en models de dinàmica de fluids (CFD). El recinte es divideix en un gran nombre d’elements.

5

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

• One zone models:- La temperatura és uniforme en tot el compartiment- Vàlids per un incendi plenament desenvolupat

• Two zones models:- Hi ha una capa més calenta (a prop del sostre) i una més freda (a prop del terra)- Vàlids per focs localitzats

Hipòtesi fonamental: el compartiment esta dividit en zones en les quals la temperatura és uniforme

Models de zones

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Two zones models:

• 11 variables físiques• 7 expressions de lligam entre variables• 4 equacions diferencials que descriuen les conservacions de massa i d’energia

La integració temporal de les equacions diferencials permeten calcular l’evolució de les variables que descriuen el gas en cada una de les zones.

6

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Exemple: Programa Ozone, University of Liege, Belgium,http://www.ulg.ac.be/matstruc/Download.html

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

7

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Exemple:-tipus “oficina”- 5x8x3 m3

-Finestra oberta de 1m2

-Porta de 1.4m2: s’obre als 40 min

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Els models de zones permeten, amb un cost computacional baix, predir cóm evolucionaran la temperatura de cada zona i la posició de lainterfície, però no poden donar detalls sobre les distribucions espacials de temperatures ó d’altres propietats físiques.

Per obtenir major detall cal anar a un altre tipus de model:

els models de camp

8

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

MODELS DE CAMP: Basats en Models CFD (Computational Fluid Dynamics)

Tipus de codi:

CFD generals de dinàmica de fluids:

Fluent, CFX, PHOENIX…

Models especific pel foc:

- FDS (Fire Dynamics Simulator, NIST, USA)

- SOFIE (Simulator of Fires in Enclosures, Univ. de Granfield, UK)

- JASMINE (Analysis of Smoke Movement, FRS, UK)

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Es divideix el recinte en un gran nombre de petits elements o cel·les.

Per cada cel·la es van calculant, en cada interval de temps, elsvalors de temperatura, velocitat i concentració de gasos, mitjançant la resolució de les equacions que governen el sistema.

9

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

En cada cel·la, per cada instant de temps s’ha de integrar numèricament:

-Equacions de Navier-Stokes (sota certes aproximacions)-Equacions de transferència de calor -Equacions que conformen el procés de combustió.

Aquest tipus de software permeten tractar una determinada situació d’incendi amb molt més detall que els models per zones, i se’n pot extreure molta més informació

PERÒ

són més complicats d’us

consumeixen un temps de càlcul computacional considerable.

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Programa FDS (Fire Dynamics Simulators)National Institute of Standards and Technology (NIST)http://www.fire.nist.gov/fds

• Software de càlcul: FDS• Software de visualització de resultats: Smokeview

Algunes característiques del FDS:

- Programa de lliure us- Programa en Fortran 90- Versions per MS Windows, Linux, Mac.

Darrera versió: 5

10

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Com utilitzar el FDS:

• Cal crear un fitxer (input file) on s’especifiquen tots els paràmetres que descriuen l’escenari del foc que es vol simular.

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Al input file també cal especificar les dades de sortida que es volen

Slices:

Thermocouples:

SMOKEVIEW visualitzador del FDS

11

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

EXEMPLE 1

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

12

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

EXEMPLE 2

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

13

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

14

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Flame propagation:

Temperature distribution:

CO2 concentration:

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

15

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Relación entre el consumo de oxígeno y la temperatura

Relación entre el consumo de oxígeno y la los valores de CO2 y H2O

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

EXEMPLE 3 – Incendi real

16

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

17

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

ALTRES EXEMPLES D’US DEL FDS ARREU DEL MON (Es poden trobar a la pròpia pàgina web del NIST)

18

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

19

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

20

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

21

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Conclusions

Existeixen diferents aproximacions a la descripció de la propagació del foc en un incendi.

Els models de camps, com el FDS, són els que donen un major detall, però també són més complicat d’us i requereixen més temps de computació.

Les simulacions poden permetre:- Verificar hipòtesis sobre l’evolució d’incendis reals. - Analitzar la influència de diferents factors (com materials, dimensions o sistemes de ventilació) en la propagació-Analitzar la viabilitat de mesures correctores substitutòries i complementaries

22

SIMULACIÓ DE LA PROPAGACIÓ D’INCENDIS ALS EDIFICIS

SIMULADORS D’INCENDIS – PROGRAMA FDS

Altres tipus de programes relacionat amb propagació del foc i els seus efectes

- Avaluació de l’efecte del foc als elements estructurals:

elefir: càlcul de resistències d’elements d’acer simplessafir: programa d’elements finits per l’anàlisi estructural en cas

d’incendiUniversity of Liege: www.argenco.ulg.ac.be/logiciels.html

- Sobre evacuació:

Exodus, University of Greenwich:http://fseg.gre.ac.uk/exodus/(Versió Demo gratuita)