Simulatie van rookafvoer bij brand in grote overdekte parkeergarages

Transcriptie

1 Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Vakgroepvoorzitter: Prof. dr. ir. R. Sierens Simulatie van rookafvoer bij brand in grote overdekte parkeergarages Xavier Deckers Promotor: Prof. dr. ir. B. Merci Scriptie voorgedragen tot het behalen van de graad van Burgerlijk Werktuigkundig-Elektrotechnisch Ingenieur Academiejaar

2 Voorwoord Deze scriptie was nooit tot stand gekomen zonder de medewerking van een aantal mensen. Ik wil allen die me steunden, hielpen en met raad en daad bijstonden hartelijk danken. Ik zou dan ook graag in de eerste plaats mijn promotor, Prof. dr. ir. Bart Merci willen bedanken voor zijn constante begeleiding en opvolging. Tevens wens ik ook ir. Jan De Saedeleer te bedanken voor zijn deskundige hulp. Verder wil ik nog mijn begeleider ir. Karim Van Maele bedanken voor zijn hulp bij praktische problemen. Mijn dank gaat hierbij ook uit naar ir. Yves Maenhout om mij uit de nood te helpen bij praktische problemen met de computers. Voor de plannen van de parkeergarage wens ik ook de heer Tom de Roos van Parkeerbedrijf Gent en de heer Dominique Galle van Somati te bedanken. Ook wijlen de heer Georges Dons van Intimoda Engineering wens ik te bedanken voor de nuttige informatie. Tot slot kan ik mijn ouders niet genoeg bedanken, die me steeds steunden in deze thesis zoals ze dit al mijn hele studieloopbaan doen. Mijn zus Bénédicte Deckers en broer ir. Patrick Deckers wil ik hartelijk bedanken voor het nalezen van deze scriptie. De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. Gent, juni 2007 Xavier Deckers i

3 Simulatie van rookafvoer bij brand in grote overdekte parkeergarages door Xavier Deckers Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Scriptie voorgedragen tot het behalen van de graad van Burgerlijk Werktuigkundig-Elektrotechnisch Ingenieur Academiejaar Promotor: Prof. dr. ir. B. Merci Scriptiebegeleiders: Ir. J. De Saedeleer, Ir. K. Van Maele Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter: Prof. dr. ir. R. Sierens Samenvatting In dit werk bekijken we de type-oplossing van de norm NBN S die betrekking heeft op de rook- en warmteafvoer van grote ondergrondse parkeergarages. Op dit moment is niet onomstotelijk wetenschappelijk bewezen dat deze type-oplossing onvoorwaardelijk effectief werkt. In de inleiding bespreken we de noodzaak tot effectieve rook- en warmteafvoer en de parkeergarageventilatie in de praktijk. Hoofdstuk 2 geeft een korte beschrijving van verbranding en turbulentiemodellen aan de hand van het gebruikte softwareprogramma FDS. Hoofdstuk 3 gaat dieper in op de norm zelf. Om de type-oplossing te onderzoeken simuleren we de typevoorbeelden van de norm met behulp van het softwarepakket FDS. In hoofdstuk 4 gaan we nog een stap verder en passen we de type-oplossing toe op een reële configuratie van een parkeergarage. Ook wordt er in dit hoofdstuk aandacht besteed aan het effect van de aanwezige wagens in geval van brand en worden de stuwkrachtventilatoren van wat dichterbij bekeken. Hoofdstuk 5 vormt het besluit. Trefwoorden simulatie, impulsventilatie, ondergrondse parkeergarage, rook- en warmteafvoer, brand, FDS ii

4 Simulation of Smoke and Heat Exhaust Ventilation Systems (SHEVS) in large enclosed car parks Xavier Deckers Supervisor(s): Bart Merci Abstract This article tries to discuss the corectness of the type solution of a standard (NBN ) involving SHEVS in enclosed car parks. This type solution has been tested by simulating various scenarios in FDS (Fire Dynamic Simulation). Keywords SHEVS, simulation, FDS, car parks, fire I. INTRODUCTION AF ire occuring in an enclosed car park will cause a flame and smoke plume to rise. This plume will reach the roof and, and spread radially throughout the car park. Here is where the SHEVS (Smoke and Heat Exhaust Ventilation System) comes into place. In enclosed car parks, where natural ventilation is not possible, a mechanical extract system like impulse ventilation has to be used. The system of impulse ventilation uses the principle of adding momentum to the air (by jet fans) to encourage air movement throughout the car park and towards the extract fan intake points. The main extract fans are sized to provide the required flow rates, the jet fans provide the high speed (impulse = flow rate x speed). The primary role of such an impulse system is to provide clear access from one side of the fire for firefighters, so that they can control the fire. For the case of fire in large enclosed car parks, with a surface of at least 2500 m 2 there is a Belgian standard (NBN ), which presents on the one hand a type solution and allows on the other side the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) to prove that an equivalent level of safety is obtained. In the type solution the entire surface is devided in zones of 1000 m 2 where a minimum air speed is imposed on the edges. There are doubts regarding the correctness of the type solution. The primary goal of this paper is to examine this by numerical simulations. II. FDS SIMULATION MODEL All the numerical simulations are carried out in FDS (Fire Dynamics Simulator). FDS is a computational fluid dynamics (CFD) model of fire-driven fluid flow. Smokeview is a visualization program that is used to display the results of an FDS simulation. The software numerically solves the transient conservation equations of mass, momentum, energy and species for lowspeed, thermally-driven flow with an emphasis on smoke and heat transport from fires. It divides the three-dimensional space into small rectangular volumes. Within each volume the gas variables are assumed to be uniform but changing with time. For momentum conservation, FDS solves the Navier-Stokes equations using large eddy simulations (LES) to account for sub-grid turbulence and for the combustion reactions it uses the mixture fraction model. Heat transfer to the solid surfaces and convection within the fluid can be taken into account. In addition, the radiative transport equation for an absorbing/emitting and scattering medium can also be solved. We work with adiabatic walls and no radiative but only convective heat flux. One important step when setting up the model is the size of the volumes composing the grid. The accuracy of field models could be potentially increased using smaller volumes, which increases the computer time as well. III. STANDARD NBN S The aim of this standard is to stipulate the conditions to wich SHEVS in enclosed car parks must satisfy, to limit the distribution of smoke and heat in case of fire. The basic principle is that the parking must be ventilated in order to have a smokefree path up to 15 m towards the fire so that firemen can easily localise and approach it. The type-solution of this standard divides the car park in zones of maximum 1000 m 2 and at the edge of the zone where the fire is simulated a speed of 1,1 m/s is imposed toward the extraction point and from this the required extraction flow rate for the fans is calculated without consideration of the flow pattern or the geometry. We simulated the type-example inserted in the standard, wich describes a simple car park with a section in the middle with a total surface of 1800 m 2 (thus 2 zones). As seen on figure 1, the 3 cases have different smokecontrol surfaces where the velocity of 1.1 m/s must be atteigned. Because of this, different extraction flow rates are required, with a minimum flow rate of m 3. Fig. 1. The different cases: respectively with opened openings (case 1), with restricted openings (case 2), and with movable fences (case 3). The extract fan is on top of the picture, fresh air enters bottom right. Figure 2 shows the smoke development in the car park from a 6MW fire (2 cars in red) after 10 minutes, each with the necessary flow rate to obtain a good SHEVS according to the typesolution from the standard. The simulation results show the differences for each case. In case 1 the fresh air goes right to the extract fan while bypassing the fire area. None of the smoke is evacuated, such a bypass must be avoided at all times. In case 2 the entire car park gets filled with smoke because of the smaller extraction flow rate. We can see in both cases that the

5 imposed velocities are not achieved because the flow pattern is not like the arrows on the figure. In case 3 the flow rate from the type-solution is not high enough, but if we enlarge this minimal velocity we get good results at a minimal imposed speed of 1.7 m/s on the edges. Here we have a good visibility thanks to the smokefree path till 15 m from the fire. Fig. 4. Required extraction flow rates following the type-solution to obtain a good visibility. Fig. 2. Smoke distribution after 10 minutes with an extraction flow rate of respectively: m 3 /h, m 3 /h and m 3 /h. We can conclude that it is not possible to predict the good visibility in the car park by imposing just one velocity on the edges and hereby defining the necessary extraction flow rate. The influence of the flow pattern or geometry from the car park has to be involved somehow. IV. UNDERGROUND CAR PARK We chose an underground car park (128 m x48 m x 2.5 m) to compare the type-solution with the as-build SHEVS. The car park has 4 detection zones and for each one another scenario. The test scenario with a fire of 6 MW with 2 burning cars in the middle is supposed to be the worst case, because the furthest of any extract fans. A. As build When a fire is detected in one of the four detection zones, smokegasses are extracted at a flow rate of m 3 /h by the nearest extract fan. Both fans on the opposite end blow fresh air into the car park with a flow rate of m 3 /h a piece. The 6 jet fans that are located on the roof give an extra thrust to the flow. On figure 3 we see the smoke development after 15 minutes wich is almost limited to the half of the car park as wanted. The velocity in the longitudinal direction at a height of 1.75 m shows the recirculation in the middle against the walls and you can clearly see the position of the jet fans due to the local higher velocities. Figure 5 shows the smoke distribution after 20 minutes of both solutions. The fresh air comes in due to natural ventilation. We clearly see the good results for the first solution but due to the higher costs of the fans the second solution will be applied more often. We clearly see that the required velocities are not achieved on the upper wall side. It shows that applying an extraction flow rate out of a required velocity doesn t garantee that required velocity. Fig. 5. Smoke distribution and U-velocity at a height of 1.75 m after 15 minutes with an extraction flow rate of m 3 /h and two air inlet flow rates of each m 3 /h. C. Comparison full or empty car park In this test scenario we compare a full and an empty car park to determine wich one is worst case. The simulation results clearly show that having cars in the car park, especially in the regions where you have large recirculations, have a positive effect on the smoke evolution. Figure 6 shows that even a half full car park gives better results as the parked cars serve as resistance and break the recirculations. Fig. 6. Smoke distribution and U-velocity at a height of 1.75 m after 15 minutes in a half full car park Fig. 3. Smoke distribution and U-velocity at a height of 1.75 m after 15 minutes with an extraction flow rate of m 3 /h and two air inlet flow rates of each m 3 /h. B. Type-solution application Following the instructions from the type-solution we devide the car park in 8 zones wich all have their own scenario. For the same position of the fire the type solution gives the choice between 2 solutions. There are no jet fans, only extraction fans. V. CONCLUSION The simulation results show that the type-solution of the standard NBN S does not appear to be able to obtain a truthful and correct smoke evacuation. It is not possible to specify a single imposed speed to obtain good results for the visibility without a parameter about the flow pattern or the geometry. This shows the importance of the CFD-calculations who, unlike the type-solution of the standard, are able to allow with large exactitude whethet a SHEVS meet the requirements. In the future standards will probably become less prescriptive and more performance minded.

6 Inhoudsopgave Voorwoord Overzicht Extended abstract Gebruikte afkortingen en symbolen i ii iii vii 1 Inleiding Probleemstelling Noodzaak tot effectieve rook- en warmteafvoer Ontwikkeling van brand Parkeergarageventilatie in de praktijk Verschil grote en kleine parkeergarages Wetgeving: norm NBN S Doelstellingen Fire Dynamics Simulator Numerieke simulatie van brand FDS als CFD-tool Rekenrooster Gebruikte modellen Hydrodynamisch model Verbrandingsmodel Randvoorwaarden NBN S : Ontwerp RWA parkeergebouwen Doel van de norm Wat staat er in deze norm Type-oplossing: aanpak Type-oplossing: Toepassingsvoorbeeld v

7 Inhoudsopgave Geval 1: Geopende openingen Geval 2: Beperkte openingen Geval 3: Beweegbare schermen Besluit Ondergrondse parkeergarage Doel Beschrijving parkeergarage Concept Ventilatiesysteem Brand-scenario Gebruikt grid Specificaties in FDS Resultaten Toepassing Type-oplossing Gekozen onderverdeling Resultaten Vergelijking volle-lege parkeergarage Discussie Resultaten Invloed stuwkrachtventilatoren Algemene analyse Mogelijke verbeteringen aan het ontwerp Resultaten Besluit Conclusies en perspectieven 67 A Extra figuren type-oplossing 69 B Programma type-oplossing geval 1 74 C Programma ondergrondse parkeergarage 76 vi

8 Gebruikte afkortingen en symbolen CF D DN S F DS LES N BN N IST RAN S RW A Computational Fluid Dynamics Direct Numerical Simulation Fire Dynamics Simulator Large Eddy Simulation Normes Belges - Belgische Normen National Institute of Standards and Technology Random Averaged Navier Stokes Rook- en Warmte Afvoer ε k ρ l S D i p q Re S ij S T τ ij Y i W i Z turbulente dissipatie turbulente kinetische energie densiteit Smagorinsky lengteschaal diffusie van de i de component druk warmtevrijstelling (Heat Release Rate) per oppervlakte eenheid Reynoldsgetal gefilterde reksnelheid karakteristieke gefilterde reksnelheid temperatuur residuële spanningstensor massafractie van de i de component snelheid van productie van component i mengfractie vii

9 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Probleemstelling Noodzaak tot effectieve rook- en warmteafvoer In het geval van brand komen onvermijdelijk rook en warmte vrij. Het is van belang om deze rook en warmte op effectieve wijze af te voeren om de veiligheid van personen zo goed mogelijk te garanderen. Bij ondergrondse parkeergarages in het bijzonder vult de ruimte zich snel met rook hetgeen een efficiënte evacuatie bemoeilijkt. Daarenboven dient men maatregelen te treffen voor de warmteafvoer in een ondergrondse parking, opdat er geen te hoge temperaturen ontstaan. Daarnaast is er in een ondergrondse ruimte een ventilatiesysteem nodig dat zorgt voor een continue luchtverversing om de uitlaatgassen van de rijdende wagens af te voeren. Ondergrondse parkeergarages worden dus mechanisch geventileerd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een of meerdere afzuigsystemen, al dan niet aangevuld met een mechanisch toevoersysteem. Meestal worden bij grote ondergrondse parkeergarages de in- en uitritten voor de luchttoetrede gebruikt. Actieve brandbeveiliging bestaat zowel uit detectie, automatische blussing als rook en warmte afvoer (RWA). Het hoofddoel van automatische detectie van brand is het redden van mensenlevens, en pas als bijkomend doel het beperken van de schade. Detectie wordt gevolgd door alarmering en ontruimingssignalering, waarna de (automatische) ventilatiebesturing in gang treedt. Bij automatische blussing door middel van sprinklerinstallaties is het de bedoeling om de brand onder controle te houden tot de brandweer ter plaatse is. In 25 à 30 % van de gevallen wordt de brand ook effectief door deze sprinklers geblust. Het hoofddoel is hier dus schadebeperking. Vaak opteert men ervoor om zonder sprinklerinstallaties te werken. Het kostenaspect is de belangrijkste reden om sprinklerinstallaties niet toe te passen. 1

10 Hoofdstuk 1. Inleiding Een van de belangrijkste aspecten van brandveiligheid bestaat erin de rookontwikkeling te beperken en te controleren. De rook- en warmteafvoer installatie wordt zodanig ontwikkeld om de verspreiding van rook in geval van calamiteiten te beperken. Hierbij zijn een aantal principes belangrijk: ˆ Eerst en vooral moet deze installatie de evacuatie van personen vergemakkelijken. Rook ontneemt mensen het zicht, hindert de ademhaling en bemoeilijkt daardoor het vluchten voor de slachtoffers. De RWA-installatie in een ondergrondse ruimte zorgt voor meerdere rookvrije en goed begaanbare vluchtwegen. ˆ Ten tweede is het van cruciaal belang dat de brandweer een zichtbare weg heeft naar de brandhaard toe, zodat ze tijdens de interventie zo snel mogelijk de brand kan localiseren. Op die manier werkt de brandweer efficiënter en blijft de schade dus beperkt. In het ontwerp van een RWA-installatie wordt ernaar gestreefd in geval van brand altijd een deel van de parkeergarage rookvrij te houden. Hierlangs moet de brandweer een vrije aanvalsweg tot op 15 m van de brandhaard bekomen. ˆ Bijkomend voordeel van RWA is de mogelijkheid om na het blussen van de brand door middel van smoke clearance na te gaan of er geen secundaire brandhaarden zijn. Hierbij worden na het blussen van de brand de resterende rookgassen in de parkeergarage afgevoerd door een optimale keuze van ventilatiesturing. Op die manier wordt de parkeergarage weer gebruiksklaar gemaakt Ontwikkeling van brand Er is een fundamenteel verschil tussen vuur en brand. Vuur is een verbranding. In het geval van een ongecontroleerde verbranding spreekt men van een brand. Brandweerlui moeten een ongecontroleerde verbranding, die gedeeltelijk een onvoorzien verloop kent, bestrijden en proberen meester te worden. Een brand kan pas ontstaan indien drie elementen gelijktijdig aanwezig zijn : zuurstof (21 % van het luchtvolume), brandbare materialen en een warmtebron. Zij vormen samen de vuurdriehoek. De eerste twee elementen treden in verbranding van zodra de ontvlammingstemperatuur bereikt is. De ideale verbranding van koolstof produceert koolstofdioxide (CO 2 ), maar indien zuurstof ontbreekt wordt het gekende koolstofmonoxide (CO) gevormd dat dodelijk is voor de mens (omdat dit vermijdt dat O 2 met de rode bloedcellen worden meegevoerd en een gebrek aan zuurstof in de hersenen onherstelbare schade en zelfs de dood tot gevolg hebben). Een brand bestaat uit een ontwikkelingsfase waarbij de temperatuur oploopt, gevolgd door een afkoelingsfase waarbij de temperatuur afneemt. Een ontstekingsvlam zet een hoeveelheid materiaal in vuur, waardoor een brand ontstaat. De eerste gassen en rook komen vrij. In een gesloten omgeving stijgen rookpluimen op en botsen tegen het plafond, terwijl de temperatuur oploopt. De rook verspreidt zich vervolgens radiaal langsheen het plafond tot ze 2

11 Hoofdstuk 1. Inleiding tegen een scheidingswand botst en naar beneden zakt, waarna de rooklaag tegen het plafond stagneert. Indien er voldoende zuurstof aanwezig is voor de verbranding wordt het vuur gecontroleerd door de brandstof. Het wordt gecontroleerd door de ventilatie indien er niet voldoende zuurstof beschikbaar is Parkeergarageventilatie in de praktijk In dit punt worden de algemene principes van parkeergarageventilatie voor grote ondergrondse parkeergarages behandeld. In een later punt vergelijken we dit met kleine ondergrondse parkeergarages. De ontwikkeling van ventilatie Om een goede luchtverversing van de parkeergarage in normale werking (dus zonder brand) te bekomen werd vroeger gebruik gemaakt van dwarsventilatie, wat een uitgebreid kanalenstelsel vereist. Dwarsventilatie is het systeem waarbij zowel de toegevoerde als de afgevoerde lucht dwars op de lengteas van de parkeergarage beweegt. Door luchtkanalen wordt de ventilatielucht toe- en afgevoerd (snelheden in de luchtkanalen van 10 à 15 m/s zijn gebruikelijk). Luchtkanalen vertonen echter een aantal nadelen. Zo komt onder meer de doorrijhoogte in het gedrang. Ook kunnen bepaalde gedeelten van de garage onvoldoende geventileerd worden. Om dit nadeel te vermijden moet men de parkeerruimten hoger bouwen, wat bij ondergrondse parkeergarages resulteert in een opmerkelijke meerkost voor de graafwerken. Daarnaast is er met de klassieke ventilatie, zijnde uitsluitend mechanische afzuiging, geen goede gelijkmatige verdeling van de luchtkwaliteit in stand te houden. Vooral in de dode hoeken kan de verversing van de dwarsdoorsnede niet gegarandeerd worden. Vandaar dat er werd gezocht naar andere oplossingen. De belangrijkste verbetering is de invoering van impulsventilatie geweest. Dit wordt in volgend punt besproken. De grote oppervlakte van de parkeergarages moet, uit brandveiligheidsoverwegingen, in compartimenten worden onderverdeeld. Brandwerende wanden of rookgordijnen zijn een voor de hand liggende oplossing, maar worden vaak als niet wenselijk ervaren. Niet alleen bemoeilijken dergelijke vaste of beweegbare schermen de evacuatie van slachtoffers, ook kunnen ze in het geval van een valse melding voorbijrijdende auto s zwaar beschadigen bij het sluiten. Een open ruimte creëert daarenboven een veiliger gevoel. Uit onderzoek [1] is duidelijk gebleken dat in een parkeergarage de brandcompartimentering op zich niet van belang is. Wat belangrijk is, is het beheersen van de rookverspreiding. Hiervoor is er echter geen harde scheiding als een wand nodig. Met een goed ontworpen ventilatiesysteem kan de rookverspreiding voldoende beperkt worden en bijgevolg de zichtbaarheid in de parkeergarages verbeteren. Hierbij wordt onder meer gebruik gemaakt van stuwdrukventi- 3

12 Hoofdstuk 1. Inleiding latoren (ook stuwkrachtventilatoren genoemd). Door deze fictieve rookcompartimentering worden de nadelen van harde compartimentering vermeden. Impulsventilatie Het principe van impulsventilatie is afkomstig uit de tunnelbouw. Daar merkte men op dat in het geval van brand in een verkeerstunnel, het systeem van dwarsventilatie waarop het klassieke ventilatieconcept gebaseerd is, geheel niet in staat was om een adequate RWA tot stand te brengen. Bij dwarsventilatie wordt via ventilatiekanalen over de volle lengte van de tunnel aan één zijde van het dwarsprofiel verse lucht toegevoerd, terwijl aan de andere zijde van het dwarsprofiel verontreinigde lucht wordt afgezogen. De rookverspreiding in de tunnel was in geval van brand, ondanks een forse afzuiging, van een zodanige omvang en snelheid gebleken dat de tunnel zich snel met rook vulde en dat in heel wat gevallen de brandweer niet in staat was om de brand te benaderen. Hier is het idee ontstaan om een groot debiet ventilatielucht via één opening van de tunnel te laten binnenkomen, waarbij deze lucht de rook meevoert naar de andere opening door middel van stuwkrachtventilatoren. Met deze langsventilatie wordt bereikt dat de rookuitbreiding stroomopwaarts van de brand wordt tegengewerkt door het groot debiet verse ventilatielucht aan een grote snelheid. Dit heet impulsventilatie (impuls = massadebiet x snelheid). Ter hoogte van de brandhaard ontstaat een menging en deze verse ventilatielucht begeleidt de rookgassen als het ware tot de andere uitgang van de tunnel waarlangs de rookgassen worden afgezogen. Voor het berekenen van de benodigde hoeveelheid lucht (luchtsnelheid) bij toepassing van langsventilatie is in het algemeen de brandsituatie bepalend. Maatgevend hierbij is het voorkomen van back-layering (het terugstromen van rook en gassen tegen de ventilatiestroom in). De plaatsing van stuwkrachtventilatoren op de juiste plaats is hierbij cruciaal. Zo kan de brandweer met de verse lucht mee, en dus met goede zichtbaarheid, de brandhaard bereiken. Dit principe kan nu worden gebruikt in ondergrondse parkeergarages of gedeelten ervan. Bij een systeem met impulsventilatie wordt de parkeergarage in geval van brand mechanisch geventileerd met een grote hoeveelheid verse buitenlucht. Via stuwdrukventilatoren wordt de ventilatielucht door de brandzone geleid. Vaak wordt de garage hierbij in meerdere rookcompartimenten verdeeld. Afhankelijk van de plaats van de brand moeten dan verschillende ventilatoren worden ingeschakeld of de draairichting ervan worden aangepast. Als bijkomend effect merken we dat door de opname van de hete rook in een grote, koude luchtstroom, de rookgastemperatuur opmerkelijk wordt verlaagd. Om de installatie goed aan te sturen, wordt gebruik gemaakt van een plaatsafhankelijke branddetectie. In tegenstelling tot de klassieke ventilatie, met alleen maar afzuiging, is een stuurbare RWA dus voorzien van stuwkrachteenheden, verdeeld over het plafondoppervlak. Hoofddoel van 4

13 Hoofdstuk 1. Inleiding deze stuwkrachtventilatoren is de uitbreidende rookwolk om te buigen en in de richting van het afzuigpunt te leiden. Men merkt hierbij op dat de ombuiging en stuurbaarheid van de rookkolom alleen tot stand kan komen indien een grote hoeveelheid lucht over de brand gestuurd wordt. Figuur 1.1: Impulsventilatie in een ondergrondse parkeergarage. Op figuur 1.1 ziet men de werking van impulsventilatie in een ondergrondse parking in het geval van een brand. Verse lucht wordt aan de linkerkant binnengeblazen. Via de stuwkrachtventilatoren die aan het plafond hangen wordt de verse buitenlucht naar de brandhaard geleid, waar het na menging met de rookgassen naar een schacht in de muur geleidt wordt. De extractieventilatoren bovenaan de schacht zuigen deze rookgassen naar buiten. Men kan duidelijk de invloed van de stuwkrachtventilatoren zien: de stroomopwaartse - dit is de richting waaruit de massa verse lucht komt - rookontwikkeling wordt omgebogen en naar de schacht toe geleid. Bij een goed ontwerp, waar de stuwdrukventilatoren, de toe- en afvoer van ventilatielucht (dus plaats en afmetingen van de schachten) en de wijze van branddetectie goed op elkaar zijn ingesteld, kan de harde rookcompartimentering dus vervangen worden door een fictieve rookcompartimentering. Op figuur 1.2 ziet men een bovenaanzicht van een parkeergarage waarbij stuwkrachteenheden aan het plafond zijn opgehangen. De rookontwikkeling wordt beperkt in de zin stroomopwaarts van de brand. Er bestaat een aerodynamische interactie tussen het voortbewegend 5

14 Hoofdstuk 1. Inleiding volume van warme rookgassen en de lucht in de parkeergarage. De rook moet de lucht voor zich wegduwen, wat resulteert in een weerstand. Deze weerstand hangt af van het verschil in snelheid tussen de warme rook en de lucht. Zorgen we er dus voor dat de snelheid van de massa verse lucht even groot maar tegengesteld is aan de snelheid waarmee de warme laag zich kan voortbewegen, dan zal de gemiddelde resulterende voortbewegingssnelheid van de warme rook nul zijn. Figuur 1.2: Bovenaanzicht rookbeheersing met stuwkrachtventilatoren. Op figuur 1.3 ziet men duidelijk het verschil qua rookontwikkeling in een parkeergarage zonder en met stuwkrachtventilatoren. Door een grote snelheid mee te geven aan de massa verse lucht zal men voorkomen dat de warme rookgassen zich stroomopwaarts vanaf de brand verspreiden. De te verwachten turbulentie aan de voorkant (of neus indien we de nomenclatuur van Hinkley [2] volgen) van de warme rook zal een grote menging van rook en lucht veroorzaken, wat leidt tot een rookvulling aan de stroomafwaartse kant van de brand. Figuur 1.3: Zijaanzicht rookbeheersing zonder en met stuwkrachtventilatoren Het gebruik van stuwdrukventilatie heeft als bijkomend voordeel perfect geschikt te zijn voor de luchtverversing in een parkeergarage. Rijdende, startende en stilstaande auto s produceren schadelijke, hinderlijke uitlaatgassen voor de gezondheid (CO, NO X, roetdeeltjes,...). Een goede luchtverversing van de ruimte belet plaatselijk hoog oplopende concentraties. Dankzij impulsventilatie (op lagere snelheden dan in geval van brand) wordt deze verontreinigde lucht efficiënt met ventilatielucht gemengd en naar de afzuigpunten gedirigeerd. 6

15 Hoofdstuk 1. Inleiding Koude rookproef Doorgaans wordt de werking van een ventilatiesysteem beoordeeld met een koude rookproef waarbij gebruik gemaakt wordt van een rookgenerator. Vooral in de buurt van de brand wijkt het resultaat van een dergelijke proef sterk af van de realiteit omdat er sprake is van opmerkelijk lagere temperaturen. De densiteit is een stuk hoger dan bij een werkelijke brand en de buoyancy kracht wordt hierbij niet in rekening gebracht. Het globale beeld van de rookverspreiding kan wel in zekere mate op deze wijze worden beoordeeld. Zo n rookproef wordt pas gehouden eens het ontwerp van de parkeergarage is uitgevoerd. Om op voorhand te kunnen beoordelen of het ontwerp tot de gewenste resultaten zal leiden bestaan er verschillende methodes. Men heeft de keuze om ofwel via handmatige berekeningen ofwel via CFD berekeningen ( Computational Fluid Dynamics ) simulaties uit te voeren Verschil grote en kleine parkeergarages Na in het vorig punt de beschrijving van grote ondergrondse parkeergarages te hebben behandeld, zullen we hier kort de belangrijke verschillen voor kleine ondergrondse parkeergarages bekijken. Een typisch voorbeeld is een garage voor ongeveer 10 personenwagens onder een appartementsgebouw. Wanneer brand uitbreekt, bijvoorbeeld in een personenwagen, wordt een kleine parkeergarage typisch heel snel gevuld met rook. Er is ook een sterke warmteontwikkeling in de kleine ruimte wat de brandweerinterventie sterk bemoeilijkt. We bekijken hier kort de belangrijkste verschilpunten in geval van brand. Probleem bij kleine parkeergarages Het fundamentele verschil tussen een brand in een grote en een brand in een kleine parkeergarage zit hem in de fysica waardoor de brand gecontroleerd wordt. In een grote parkeergarage is de brand steeds brandstofgestuurd, maar bij een kleine parkeergarage is de brand vaak ventilatiegestuurd. Dit maakt elke interventie zeer gevaarlijk, want bij het openen van de deur is er explosiegevaar doordat de ventilatiegestuurde brand plots gevoed wordt door de nieuwe zuurstof. De overmaat aan brandstof wordt ineens blootgesteld aan zuurstof waardoor de brand met grote reactiesnelheid verder evolueert. Figuur 1.4 toont de evolutie van de temperatuur in een compartiment in functie van de tijd. Het verloop wordt duidelijk gekenmerkt door een groeifase, een fase met brand in volle intensiteit en een fase van afname. Bij kleine parkeergarages vult de ruimte zich uiterst snel en volledig met rook. Over het algemeen bevat de ruimte een koude onderste laag bestaande uit de omgevingslucht en gassen, en een warme bovenste laag (twee zones model). Bij een temperatuur van ongeveer 200 C springen de ramen stuk, waardoor plots verse zuurstof aangevoerd wordt en de brand terug aanwakkert. De bovenste laag neemt steeds in volume toe en nadert het vloeroppervlak. In de loop van de ontwikkeling van de brand wordt de temperatuur van 7

16 Hoofdstuk 1. Inleiding het gasmengsel van de bovenste laag zodanig hoog dat door straling alle brandbare elementen in het compartiment worden ontstoken. Dit fenomeen heet flashover (vlamoverslag) en treedt meestal op bij een temperatuur van 500 tot 600 C zoals we op figuur 1.4 zien. De snelle toename van de temperatuur en de aangroei van warmtevrijstelling zorgt voor een intense menging van rookgassen waardoor ook de lagen zich vermengen (één zonemodel). Men zegt dat de brand volledig ontwikkeld is. Bij brand in grote parkeergarages bereiken de rookgassen gemiddeld over het hele oppervlak geen dergelijke hoge temperaturen, waardoor flashover niet mogelijk is. Ook worden de rookgastemeraturen van grote ondergrondse parkeergarages sterk gedrukt door de grote spoeldebieten koude buitenlucht. Figuur 1.4: Ontwikkelingsfasen van een brand. 1.2 Wetgeving: norm NBN S Traditioneel is in de regelgeving de behandeling van de brandveiligheid gebaseerd op prescriptieve regels. Dit geldt in het bijzonder voor de veiligheid van personen in het geval van brand. De verbeterde inzichten in het verschijnsel brand, de verhoogde vraag naar een flexibele indeling bij de conceptie van een gebouw, kosten/batenanalyses en de implementatie van nieuwe technologieën hebben geleid tot een evolutie in de richting van performantiële reglementen. Een performantiële reglementering legt de na te streven objectieven vast zonder te bepalen op welke manier deze objectieven concreet gerealiseerd moeten worden. Voor het geval van brand in grote overdekte parkeergarages, met een oppervlakte van minstens 2500 m 2, bestaat een Belgische norm (NBN S ) omtrent het ontwerp van de rook- en warmteafvoersystemen. Deze norm stelt enerzijds een type-oplossing voor en laat anderzijds het gebruik van CFD ( Computational Fluid Dynamics ) toe om de effectiviteit van een rook- 8

17 Hoofdstuk 1. Inleiding en warmteafvoersysteem aan te tonen. Bij de type-oplossing wordt de volledige oppervlakte onderverdeeld in fictieve compartimenten van 1000 m 2 en wordt een minimale vereiste luchtsnelheid op de randen van elk van de compartimenten opgelegd. Het is op dit moment niet onomstotelijk wetenschappelijk gegarandeerd dat deze type-oplossing onvoorwaardelijk effectief werkt. 1.3 Doelstellingen De primaire doelstelling van dit eindwerk is om aan de hand van CFD-berekeningen te onderzoeken of de type-oplossing een effectieve rookafvoer garandeert. Hiertoe zullen we eerst de toepassingsvoorbeelden uit Bijlage A van de ontwerpsnorm NBN S simuleren met behulp van het software pakket FDS (Fire Dynamics Simulator). Daarna zullen we een reële configuratie van een parkeergarage bekijken en er een typeoplossing op uitwerken. Deze type-oplossing zal dan worden vergeleken met de bestaande RWA-installatie, eveneens in FDS. Er wordt geprobeerd distributies van zichtbaarheid, snelheid, druk en temperatuur te simuleren en een globaal beeld van de impact van een brand op de rook-en warmteafvoer te voorspellen. Er worden tijdsafhankelijke simulaties uitgevoerd (tot 30 minuten na de detectie van de brand) met als doel een beeld te creëren van hoe de situatie evolueert voordat de brandweer ter plaatse komt (gemiddeld 15 minuten na de melding). Ook wordt aandacht besteed aan enkele knelpunten en beperkingen van het softwarepakket. Bijkomend doel van dit eindwerk is te onderzoeken in welke mate de aanwezigheid van wagens in de garage de rookbeweging kan beïnvloeden. 9

18 Hoofdstuk 2 Fire Dynamics Simulator Aangezien alle CFD-berekeningen werden uitgevoerd met FDS (Fire Dynamics Simulator) wordt dit softwarepakket hier wat meer in detail besproken en wordt een korte beschrijving van verbranding en turbulentiemodellen gegeven. 2.1 Numerieke simulatie van brand De dynamica van een brand kan numeriek bestudeerd worden aan de hand van de fundamentele vergelijkingen van behoud van massa, impuls, energie en chemische componenten die de stromingsdynamica, warmteoverdracht en verbranding beschrijven. Nochtans zijn praktische wiskundige modellen van brand (in tegenstelling tot gecontroleerde verbranding) vrij recent door de inherente complexiteit van het probleem. In de beginperiode van brandonderzoek stelde Hoyt Hottel A case can be made for fire being, next to the life processes, the most complex of phenomena to understand [3]. De moeilijkheden situeren zich op drie vlakken: ten eerste bestaat er een enorm aantal mogelijke brandscenario s door hun toevallige aard. Ten tweede is het fysische inzicht en de nodige computerkracht voor al die berekeningen beperkt. Ten derde was de brandstof in de meeste branden oorspronkelijk nooit als brandstof bedoeld, wat de simulatie van de brandhaard bemoeilijkt. Tot op heden, zijn er drie verschillende benaderingen voor de simulatie van brand ontwikkeld. ˆ zone-model: 2-zone model ˆ veld-model: RANS, LES, DNS ˆ handmatige berekening We bespreken hier kort enkele modellen. Elk van deze behandelt brand als een inherent driedimensionaal proces dat in de tijd evolueert. 10

19 Hoofdstuk 2. Fire Dynamics Simulator ˆ Zone model Het eerste model dat ontwikkeld werd was het zone model dat brand in compartimenten beschrijft. Hierbij wordt elk compartiment in twee ruimtelijk homogene volumes verdeeld: een hete hogere laag en een koelere lagere laag. Hierbij worden in beide delen de massa en de energievergelijkingen beschreven, samen met extra modellen die andere fysische processen toevoegen. De modelontwikkeling is sindsdien sterk gevorderd en toch wordt dit zone model nog vaak gebruikt bij de analyse van brandscenario s door zijn conceptuele en rekenkundige eenvoud. Voor zover men geen gedetailleerde distributies van fysische eigenschappen in de ruimte vereist en voor zover de tweelagen-beschrijving de werkelijkheid redelijk benadert, is dit een betrouwbaar model. Een negatief punt is dat dit model, door zijn opbouw, niet systematisch verbeterd kan worden. ˆ Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS model) De snelle groei van rekencapaciteit en het overeenkomstige uitbreiden van Computational Fluid Dynamics (CFD) heeft geleid tot de ontwikkeling van zogenaamde veld modellen die toegepast worden op problemen uit brandonderzoek. Veld- of CFDmodellen bieden de meeste mogelijkheden voor de beschrijving van het gedrag van branden. Evenals bij zonemodellen wordt bij CFD modellen de brandruimte verdeeld in volume-elementen. Het aantal elementen (bij zonemodellen twee a drie) kan bij CFD modellen wel honderd-duizenden zijn. Met behulp van CFD modellen worden, voor ieder volume-element, de zogenaamde Navier-Stokes vergelijking opgelost. Deze gedetailleerde benaderingen maken de oplossingen veel gecompliceerder en tijdrovender. Daar staat tegenover dat minder (arbitraire) aannamen nodig zijn en dat ook een meer complexe geometrie kan worden beoordeeld. Vrijwel al dit werk is conceptueel gebaseerd op de Reynolds-gemiddelde vorm van de Navier-Stokes vergelijkingen (RANS), in het bijzonder het k ε turbulentiemodel dat door Patankar en Spalding [4] werd opgesteld. Volgens Reynolds kan men een turbulente stroming (vereenvoudigd) voorstellen door scalaire grootheden te ontbinden in hun (tijd)gemiddelde waarde en hun afwijking hiervan: Q = Q + Q (2.1) Q = 1 T T 0 Q dt (2.2) Met Q de afwijking ten opzichte van de gemiddelde waarde ten gevolge van de turbulentie. Substitueert men deze uitdrukking nu in de Navier-Stokes vergelijkingen, dan verkrijgt men een uitgemiddeld deel en een deel die de invloed van turbulentie weergeeft. Deze RANS vergelijkingen hebben dezelfde vorm als de Navier-Stokes vergelijkingen, maar de variabelen in de vergelijkingen (snelheid, druk,...) stellen nu een 11

20 Hoofdstuk 2. Fire Dynamics Simulator tijdsgemiddelde voor. Er treden ook extra termen op, waarin de turbulente effecten vervat zijn (de Reynoldsspanningen). Het doel is nu deze Reynoldsspanningen te modelleren om de turbulente stroming volledig te kunnen simuleren. Een probleem bij de Reynolds-uitmiddeling is dat ze bij stromingen met variabele densiteit aanleiding geeft tot moeilijk te modelleren termen. Om dit probleem op te lossen, wordt dan een Favreuitmiddeling toegepast waarbij men opnieuw vergelijkingen van dezelfde vorm krijgt maar waar de gemiddelde termen een massagemiddelde voorstellen in plaats van een tijdsgemiddelde. Het gebruik van CFD simulaties heeft de beschrijving van branden in complexere geometrieën toegelaten, alsook de integratie van een grote verscheidenheid van fysische fenomenen. ˆ Large Eddy Simulation (LES) De toepassing van Large Eddy Simulation technieken (LES) op brand heeft als bedoeling een grotere betrouwbaarheid te verkrijgen in de tijd en ruimte van simulaties van brand, uitgevoerd op een fijner grid, toegestaan door steeds snellere computers. In een dergelijke grote-wervel-simulatie worden de grootschalige driedimensionale, nietstationaire turbulente bewegingen direct uitgerekend terwijl de effecten van de bewegingen op kleinere schaal gemodelleerd worden. We mogen dus een grotere nauwkeurigheid en betrouwbaarheid verwachten, aangezien de grootschalige instationariteiten geresolveerd worden, in tegenstelling tot RANS waar alle turbulente wervels gemodelleerd worden. Hiermee gaat onvermijdelijk een grotere rekentijd gepaard. Het basisidee waarop de LES techniek gebaseerd is, is om de grootste wervels die voor het grootste deel van de menging zorgen, met redelijk hoge nauwkeurigheid te berekenen aan de hand van de vergelijkingen. De uiteindelijke bedoeling (die middels vergelijkingen met experimenten moet worden gerechtvaardigd) is dat de kleinschalige wervelbewegingen ofwel ruw in rekenschap kunnen worden genomen ofwel zelfs verwaarloosd. Bij een LES zijn er 4 conceptuele stappen. Eerst wordt een ruimtelijke filteroperatie uitgevoerd om het ogenblikkelijk snelheidsveld op te splitsen in 2 delen, een gefilterde (of geresolveerde) component en een residuele component. U(x, t) = Ū(x, t) + u(x, t) (2.3) Ū(x, t) = G(r, x) Ū(x-r, t) dr (2.4) Het gefilterde driedimensionale en tijdsafhankelijke snelheidsveld geeft de beweging van de grote eddies weer. Meer specifiek is de vereiste roostercelafmeting h evenredig met 12

21 Hoofdstuk 2. Fire Dynamics Simulator de filterbreedte. Deze opsplitsing lijkt analoog met de Reynoldsuitmiddeling, maar belangrijke verschillen zijn dat het gefilterde snelheidsveld willekeurig (dus niet deterministisch) blijft en dat over het algemeen het gefilterde residuele snelheidsveld niet nul is. De tweede stap is het afleiden van de transportvergelijkingen uit de Navier-Stokes vergelijkingen, die de standaardvorm behouden, maar met in de impulsvergelijking een toevoeging van de residuele spanningstensor. Aangezien er meer onbekenden zijn dan onafhankelijke vergelijkingen is er nood aan de sluiting van de vergelijkingen door de residuele spanningstensor te modelleren (derde stap). De vierde stap bestaat uit het numeriek oplossen van de gesloten gefilterde vergelijkingen. De algemene vergelijkingen van de stromingsmechanica beschrijven een groot gamma fysische processen, waarvan veel niets met branden te maken hebben (zoals supersone schokgolven). Het behouden van deze algemeenheid zou leiden tot een enorm complexe computertaak die weinig extra inzicht zou bijbrengen aan de brandstudie. De vereenvoudigde vergelijkingen, die door Rehm en Baum [5] werden ontwikkeld, worden laag Machgetal verbrandingsvergelijkingen genoemd. Zij beschrijven de lage snelheid, thermische gedreven stromingen. De lage Machgetal vergelijkingen worden numeriek opgelost door de fysieke ruimte waar de brand dient gesimuleerd te worden te verdelen in een groot aantal rechthoekige cellen. Binnen elke cel wordt verondersteld dat de verschillende parameters (gassnelheid, temperatuur,...) uniform zijn en enkel met de tijd veranderen. De nauwkeurigheid waarmee de branddynamica kan worden gesimuleerd hangt af van het aantal cellen dat in de simulatie kan worden opgenomen. Dit aantal is uiteindelijk beperkt door de beschikbare rekencapaciteit. De handleiding van FDS vermeldt dat de capaciteit van een hedendaagse bureaucomputer beperkt is tot hoogstens een paar miljoen cellen. Proefondervindelijk hebben wij gemerkt dat dit nogal optimistisch is. Voor onze simulaties was een paar honderdduizend cellen het maximum om de berekeningen in een paar dagen te verkrijgen. ˆ Directe Numerieke Simulatie (DNS) Bij een Directe Numerieke Simulatie worden, in tegenstelling tot LES, alle turbulente lengte- en tijdschalen geresolveerd. Conceptueel is dit de eenvoudigste aanpak aangezien er geen modellering aan te pas komt. Het vergt echter een veel grotere rekencapaciteit en blijkt dus enkel toepasbaar te zijn op heel kleine volumes (typisch 1 cm 3 ) bij heel lage Re en kleine tijden. 13

22 Hoofdstuk 2. Fire Dynamics Simulator 2.2 FDS als CFD-tool Fire Dynamics Simulator (FDS) is een Computational Fluid Dynamic (CFD) of veldmodel, ontwikkeld door het National Institute of Standards and Technology (NIST). FDS is een software pakket om stroming en warmtetransport in eenvoudige geometrieën te modelleren. Met behulp van de software wordt numeriek een vorm van de Navier-Stokes uitdrukkingen opgelost, geschikt voor temperatuurbeheerste, lage-snelheid stromingen en warmtetransport. De berekening kan op twee manieren worden uitgevoerd: hetzij als een Direct Numerical Simulation (DNS), waarbij de dissipatie-termen direct worden berekend, hetzij als een Large Eddy Simulation (LES), waarbij de grootschalige wervelingen direct worden berekend en de secundaire dissipatieprocessen worden gemodelleerd. De keuze tussen DNS en LES hangt af van het doel van de berekening en van de fijnheid van het rekenrooster. De lage Mach-waarde uitdrukkingen worden numeriek opgelost door de brandruimte op te delen in een groot aantal rechthoekige cellen. Binnen iedere cel worden de verschillende parameters gelijkmatig verondersteld, waarbij slechts veranderingen met de tijd optreden. De nauwkeurigheid waarmee het brandproces kan worden gesimuleerd hangt af van het aantal cellen dat in de berekening wordt ingevoerd. FDS heeft geen pre-processor (een aparte generator voor invoergegevens) wat vaak als niet gebruiksvriendelijk wordt beschouwd. Zowel de opbouw van de geometrie en het rekengrid als alle waarden van de stromings- en fluïdumeigenschappen en de grafisch weer te geven plots, dienen op voorhand te worden gespecifieerd in een tekstfile. Een nadeel is dat de berekeningen dagen lang kunnen duren doordat er voor veel variabelen berekeningen gemaakt moeten worden in elk van de honderdduizenden cellen. Wegens de enorme omvang van de output (meer dan 1 Gbyte per simulatie) is een visualisatietool noodzakelijk om het inzichtelijk te maken. Smokeview is het visualisatieprogramma dat gebruikt wordt om de oplossingen van de FDS berekening grafisch weer te geven, en dit onder meer door de stroming van deeltjes af te beelden, contourplots te maken van gasstromen, en vectorvelden voor te stellen (snelheidsvectoren zowel 2D als 3D). Smokeview geeft dynamische beelden en laat dus toe om de ontwikkeling van rook en temperatuur in een ruimte te tonen. Handig aan dit programma is dat men niet moet wachten tot de berekening is afgelopen zoals bij andere dergelijke programma s (fluent, CFX,...). Men kan tijdens de berekeningen de voorlopige resultaten al bekijken in dit visualisatie programma. 2.3 Rekenrooster Rechthoekig grid Alle FDS berekeningen moeten worden uitgevoerd binnen een domein dat is opgebouwd uit enkel rechthoekige blokken, elk met zijn eigen rechthoekig rooster. Alle fysische obstructies 14

23 Hoofdstuk 2. Fire Dynamics Simulator moeten overeenkomen met het numerieke grid. Niet rechthoekige domeinen kunnen niet worden gemodelleerd. Bij FDS wordt een ruimte in vele rekencellen (grid) opgedeeld waarna de dichtheid, snelheid, temperatuur, druk en concentratie in elke cel berekend wordt op basis van de wetten van behoud van massa, impuls en energie en chemische componenten. Het aantal rekencellen waarin een ruimte wordt opgedeeld is bepalend voor de kwaliteit van de simulatie. Zo is er een minimum aantal cellen nodig in elke richting om een degelijk resultaat te bekomen. Anderzijds neemt de rekentijd exponentieel toe bij een toenemend aantal cellen. Bijkomende voorwaarde in FDS is dat niet om het even welk aantal cellen kan worden gekozen. Het grid bestaat uit een aantal cellen in x,y en z-richting die elk van de vorm 2 l 3 m 5 n moeten zijn (met l,m,n natuurlijke getallen), aangezien een groot deel van de berekeningen gebruik maakt van een Poisson oplosser gebaseerd op een Fast Fourier Transformatie (FFT). Een krachtige PC kan een paar honderdduizend cellen aan. Het grid en de stroomsnelheid bepalen de tijdstappen. Deze worden door FDS zo gekozen dat een stroming, binnen de tijdstap, niet meer dan een cel passeert. Simulaties kunnen daarom weken duren. 2.4 Gebruikte modellen Er bestaat een heel gamma aan CFD-paketten, elk met hun voor- en nadelen wat maakt dat het van uiterst groot belang is om bij elke simulatie het gebruikte grid te vermelden en duidelijk aan te geven met welke modellen werd gerekend. FDS is uit meerdere submodellen opgebouwd, namelijk [8]: ˆ Hydrodynamisch model: de subgridscale turbulentie wordt volgens de Smagorinsky methode berekend, die gebruik maakt van een turbulente-viscositeit-model. ˆ Verbrandingsmodel: voor de meeste toepassingen wordt het mengfractiemodel (mixture fraction combustion model) gebruikt. De mengfractie is een dimensieloze variabele die een maat is voor de menging tussen brandstof en oxidans. Met de mengfractie als variabele worden de behoudswetten voor brandstof en zuurstof in één enkele vergelijking gecombineerd. ˆ Warmtetransport door straling: het warmtetransport wordt berekend voor een grijs, niet verstrooiend gas. De vergelijking wordt opgelost volgens de eindige-volume-methode (Finite Volume Model). ˆ Geometrie: het programma is gebaseerd op een rechtlijnig grid. ˆ Randvoorwaarden: aan alle wanden worden zowel thermische grenscondities toegekend als brandgedrag van het materiaal. Er is een databank met materiaaleigenschappen beschikbaar; indien bij een toepassing een ander materiaal voorkomt dan in de databank aanwezig is, moet de gebruiker de eigenschappen alsnog door experimenten vaststellen. 15