Моделирование распространения пожара на примере автостоянки

[Дмитрий]

Я обратил снимание на то, что толщина слоя материала составляет 0,1 м, то есть больше чем размер ячейки. При изменении толщины многослойной поверхности (свойства поверхности) до 0,0625 м, то есть до размера ячейки сетки, распространения горения на доску, однако, также не произошло, хотя поверхность доски прогревалась до 670 С.



Некоторые соображения.

Наверное, логично задавать толщину сосновой поверхности, равной половине толщины объекта. В этом случае весь объект будет состоять из сосны. То есть с фронтальной стороны объекта половина толщины его поверхности будет сосной, и с задней стороны объекта половина толщины его поверхности будет сосной. В результате весь объект будет состоять из сосны.

Но что происходит, когда мы задаем толщину слоя сосны больше, чем половина толщины объекта? Слои сосны будут перекрывать друг друга? Если так, то это не соответствует реальности. Может быть, программа в этом случае сама выставляет параметры так, чтобы избежать перекрывания? То есть, если наблюдается перекрывание слоев, то программа уменьшает толщину слоя материала, чтобы убрать перекрывание?

А если толщина слоя сосны будет меньше, чем половина размера объекта, то тогда что за материал будет находиться в сердцевине доски? Он будет выгорать?

Или самое главное заключается в том, чтобы толщина слоя сосны была примерно равна размеру сетки? В этом случае происходит выгорание наружных кубиков, а оголившиеся кубики выгорают по той же схеме, что и наружные?

[Дмитрий]

Прикрепляю файл расчета.

[FireCat]

Дмитрий, для горения моделирования горения исходя из свойств материала недостаточно задать только теплоту сгорания. Посмотрите на вкладку "Пиролиз", к примеру, для поролона из примера Евгения:

пиролиз.png (44.56 КБ) 23953 просмотра

Необходимо задать параметры химической реакции: выделяемые вещества и интенсивность горения. Как раз от параметров скорости реакции и будет зависеть воспламенение материала и распространение пламени по нему.

К вопросу о реалистичности горения. Реалистичность зависит не столько от метода моделирования, сколько от заданных исходных данных. Допустим, вы провели эксперимент, измерили в ходе него скорость выгорания материала (или мощность горения) и задали эту мощность для моделирования горелки в программе. Разве модель будет не реалистичной? Конечно, реалистичной. При этом вы использовали самый простой инструмент - предопределенную скорость тепловыделения.
FDS предоставляет для моделирования различные инструменты, и вопрос тут не в реалистичности, а в детализированности известных исходных данных.
Есть простой инструмент - горелка с заданной скоростью тепловыделения. Есть чуть более расширенный - заданная скорость тепловыделения, а также температура воспламенения и количество материала для расчета выгорания. Есть еще более подробный и углубленный способ - задание химической реакции в свойствах материалов.
Теперь - какие исходные данные у нас обычно есть для расчета пожарного риска? Обычно - то, что мы берем из справочника Кошмарова или пособия к методике. Пожарная нагрузка при этом обычно считается равномерно распределенной по всей поверхности помещения. Какой инструмент задания мощности горения тут имеет смысл выбрать? Самый простой, потому что с такими грубыми исходными данными не имеет смысла выбирать более тонкий.
Если мы хотим, чтобы программа сама высчитывала время выгорания нагрузки, то нужно и задавать нагрузку более детально, а не просто по всей поверхности пола (иначе проще самому поделить количество нагрузки на скорость выгорания). Есть дополнительные данные - можно использовать более тонкий инструмент.
Если вы хотите использовать реакции в материале, то нужно еще больше данных. Какая влажность у моделируемой сосны? Вода будет испаряться при нагреве - это тоже нужно учесть в реакции. Материал может участвовать в нескольких реакциях при разных температурах, или участвовать в цепочке последовательных реакций: древесина при горении преобразуется в уголь, который также горит. Если всего этого нет, если все примерно и условно, то нет смысла обращаться к этому инструменту и ждать от него каких-то необыкновенно реалистичных результатов. Я не говорю, что нельзя использовать реакции в материале - но нужно понимать, зачем, и запасаться точными исходными данными.

Но что происходит, когда мы задаем толщину слоя сосны больше, чем половина толщины объекта?

Толщина, задаваемая в свойствах поверхности, и размеры объекта - это отдельные, разные величины, не связанные между собой.
Размеры объектов (препятствий) используются при моделировании потока, в качестве препятствий.
Толщина материалов в свойствах поверхности используется для теплофизических расчетов (прогрев материала, возгорание и т.д.).
Они задаются не зависимо друг от друга. Это позволяет задать тонкий слой материала даже при грубой сетке, и теплофизический расчет будет выполняться адекватно.
То, что находится "позади" слоя материала, задается в свойстве "Задняя поверхность" на вкладке "Свойства поверхности". Если выбрано значение "Воздушный зазор", то позади материала считается воздушная среда заданной температуры. Если "Изолированный" - то от задней поверхности материала не происходит теплопотерь. Если "Открытый", то через такой материал выполняется теплопередача от передней поверхности к задней, и поверхность с таким свойством должна применяться к препятствию толщиной не более одной ячейки сетки.

[FireCat]

Температура воспламенения стоит 300 град., а при расчёте соседние автомобили загораются примерно через 2 минуты при температуре около 500 град. (см.скриншот).
Почему так? Это как-то связано с параметрами многослойного материала, толщиной слоя?

Тут просто недоразумение вышло - я для примера задала изменение мощности до полной за 200 секунд, поэтому сначала горения не видно, мощность маленькая.

горелка.png (39.24 КБ) 23943 просмотра

Если сделать мощность постоянной, то горение становится видно через несколько секунд после достижения 300 градусов.

И о горении поролона. В FDS реакция горения идет исключительно в газовой фазе. Пиролиз в твердой фазе - это только выделение горючего газа, который затем вступает в реакцию.
На картинке ниже - как были заданы параметры и как их нужно задать, чтобы материал горел самостоятельно.

реакция.png (40.67 КБ) 23943 просмотра

1. Необходимо добавить выделяющиеся продукты реакции, по крайней мере - горючий газ (по умолчанию в материал он не добавлен, так как неизвестно, какой горючий газ будет использоваться пользователем).
В таком случае при наличии источника возгорания материал будет выгорать.
2. Теплота реакции. Задана эндотермическая реакция - то есть для ее протекания необходимо подведение тепла. Поэтому если она будет задана таким образом, пиролиз будет происходить только в присутствии источника зажигания. Если ее отключить, то нагретый материал будет поддерживать горение самостоятельно.
В приложенном файле материал горит самостоятельно.

[Евгений]

Температура воспламенения стоит 300 град., а при расчёте соседние автомобили загораются примерно через 2 минуты при температуре около 500 град. (см.скриншот).
Почему так? Это как-то связано с параметрами многослойного материала, толщиной слоя?

Тут просто недоразумение вышло - я для примера задала изменение мощности до полной за 200 секунд, поэтому сначала горения не видно, мощность маленькая.

Каким образом правильно высчитать изменение мощности до полной? Тут с одной стороны получается, можно задать "по умолчанию" - это 1с, а с другой стороны, есть данные из справочника, где указана скорость распространения пламени. Поскольку принимать весь автомобиль поролоном - слишком грубо, разумнее брать скорость распространения пламени уже известную.
Т.е. как я сейчас задачу понял - надо получить возгорание соседнего автомобиля при заданной нами температуре (например, 300 град.) при заданной нами скорости распространения пламени.
Скорость распространения пламени можно задать только для горелки, для многослойной поверхности надо как-то преобразовать её в функцию от времени, получается.
Каким образом корректно это сделать? Можно исходя из габаритов автомобиля, но тут возникает вопрос, габариты же могут быть разными, а функция тепловыделения от времени у них будет одинаковой.

[FireCat]

Упрощенно можно взять площадь поверхности автомобиля и посчитать, за сколько времени такая площадь будет охвачена пламенем, если представить ее кругом.
Например, пусть мы моделируем автомобиль параллелепипедом 2*4*1,5. Площадь его поверхности (не считая нижней, которая стоит на земле) = 2*4 + (2*4 + 2*2)*1,5 = 26 м2. Скорость распространения пламени для автомобиля примерно 0,007 м/с. При радиальном распространении площадь 26 м2 будет охвачена пламенем через t = (26 / 0,007^2 * 3.14 )^0.5 = 411 секунд.
Если габариты автомобиля принять больше - время нарастания будет немного больше, если меньше - меньше.

[Евгений]

Просчитал полную модель, возникли какие-то сомнения по поводу результатов.
С настройками источника разобрался - многослойная поверхность с заданной функцией от времени (411 с), моментальное возгорание. Полностью разгорается к этому времени.
Для остальных автомобилей настройки те же, но возгорание при 350 град. Я предполагал, что как только один из соседних автомобилей нагреется до такой температуры, начнётся горение и он будет полностью охвачен через 411 с, но процесс идёт иначе, вот картинки:

Загораются соседние автомобили (170 с):


Максимальная мощность горения первого (411 с):


825 с, а рядом стоящие автомобили горят ещё не полностью (должно же быть 170+411 ?)


1200с:


Видимо, я неправильно понимаю , что этот параметр (функция от времени) делает.
Файл тоже прикладываю.

Как сделать так, чтобы при заданной температуре возгорания была стабильная скорость распространения пламени по автомобилю (411с)?

[FireCat]

Я предполагал, что как только один из соседних автомобилей нагреется до такой температуры, начнётся горение и он будет полностью охвачен через 411 с, но процесс идёт иначе

При задании многослойной поверхности возгорание объекта происходит по ячейкам, по мере нагрева до заданной температуры. Ячейка нагрелась - начала выделять тепло с заданной скоростью.

Как сделать так, чтобы при заданной температуре возгорания была стабильная скорость распространения пламени по автомобилю (411с)?

Могу предложить такой вариант - возле каждого автомобиля устанавливаете датчик температуры/теплового потока, задаете ему нужное значение, создаете устройство управления, которое активирует горение по срабатыванию датчика. Поверхность для автомобиля в таком случае не обязательно должна быть многослойной, можно использовать просто горелку.

[Евгений]

При задании многослойной поверхности возгорание объекта происходит по ячейкам, по мере нагрева до заданной температуры. Ячейка нагрелась - начала выделять тепло с заданной скоростью.

Т.е. если установлена температура возгорания и функция от времени, то оно идёт по ячейкам (каждая отдельно да 411 с, например, набирает мощность), а если возгорание моментальное, то объект разгорается равномерно изнутри (из центра)?

[FireCat]

Т.е. если установлена температура возгорания и функция от времени, то оно идёт по ячейкам (каждая отдельно да 411 с, например, набирает мощность), а если возгорание моментальное, то объект разгорается равномерно изнутри (из центра)?

Если установлена температура возгорания, то по ячейкам (независимо от того, есть функция от времени или нет), если возгорание моментальное то все ячейки начинают гореть одновременно, и объект горит полностью (постепенно увеличивая мощность, если задана функция от времени).