ماخذ: ماهنامه تهویه و تبرید – شماره 1 – خرداد 1383
……………………………………………………………
اشاره:
مدل سازی دقیق محاسبه حرکات دود حین آتش سوزی، مزایای مهمی برای مهندسان ساختمان دارد. مدلی که بتواند اثرات عمومی آتش و دود را روی محیط پیش بینی کند موضوع این مقاله است.
هدف این است که اثرات آتش روی جریان هوای اتاق، توزیع دما و عوامل ایمنی مثل گازهای Co و Co2 و سایر بخارات مضر و نیز قابلیت دید از میان دود تحت شرایط و محدوده های واقع گرایانه، از جمله وجود اشیاء مثل مبلمان و سیستم تهویه بررسی شود.
یک تجربه حریق در اتاق خواب هتل که توسط انستیتوی ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) انجام شد برای تایید نتایج شبیه سازی به کار می رود.
معرفی مطالب
از آنجا که یک مدل دقیق آتش و دود برای مهندسان ساختمانی که مایل به پیش بینی امور ایمنی در ساختمان ها هستند بسیار مطلوب می باشد، این گونه مدل ها از دهه شصت پدیدار شدند.
قوانین اساسی فیزیک مثل تبدیل جرم، اندازه حرکت و انرژی، مبنای این مدل هاست. مدل های آتش سوزی با پیچیدگی های متفاوت در دست است و میزان جزییات آن ها با تعداد حجم های کنترلی آن ها سنجیده می شود.
هر حجم کنترل دارای یک دما، سرعت، تراکم دود و غیره است. مدل های ناحیه ای (ZONE) از دو حجم کنترل استفاده می کنند: لایه فوقانی و لایه تحتانی که مشابه لایه بندی واقعی هوا در هنگام حریق است.
مدل های میدانی (FIELD) اتاق یا چند اتاق را به هزاران حجم کنترل تقسیم می کنند. این روش را دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می نامند.
هرچند مدل های CFD گران بوده و کاربردشان دشوار است، با افزایش دقت و کاهش هزینه محاسبات، نقش مهمتری در طراحی ساختمان یافته اند.
فرآیندهای پیچیده فیزیکی و شیمیایی مثل تلاطم، احتراق، تشعشع و غیره در هنگام حریق رخ می دهد. مقادیر زیاد گرما و محصولات احتراق مثل دوده، Co2، Co و تعداد زیادی گازهای مضر تولید می شود.
سطوح پیچیدگی مدل ها اختلاف زیادی دارد حتی میان مدل های میدانی تفاوت زیادی هست.
هدف از مدل آتش و دود فعلی بررسی اثرات حریق به طور کلی با استفاده از امکانات محاسباتی قابل قبول می باشد. از آنجا که در حریق، استشمام دود فوری ترین خطر جانی را در بر دارد.
هدف نهایی، درک و تشریح حرکات دود در محل می باشد. سپس برای داشتن اینکه آیا محل یا اتاق هنوز ایمن است یا نه، پارامترهایی مثل تراکم گاز، دما و قابلیت دید در دود که می تواند مانع تخلیه محل یا تلاش های نجات باشد تحلیل خواهد شد.
دورنمای این مطالعات، کاربرد مدل فوق در موردی است که داده های تجربی وجود دارد، تا بتوان اثرات حریق بر جریان هوای اتاق و توزیع دما را درک کرد و نتایج شبیه سازی را با استفاده از داده های تجربی تایید نمود.
روش کار
تشکیلات آزمایشی
داده های تجربی برای تایید شبیه سازی از یک آزمایش حریق در اتاق خواب که توسط انستیتوی ملی استاندارد و فناوری آمریکا انجام شد به دست آمد.
اتاق مورد بحث دارای یک تختخواب دو نفره، یک پیش دستی، یک درب باز و یک سطل زباله بود که منبع حریق بوده است. وزن کل مبلمان قابل سوخت 53.7 کیلوگرم است. دیوارها از جنس تخته چندلا و سقف از پانل گچ ضد حریق و کف از بتون می باشد.
درگاه (2.03 متر * 0.76) اتاق دچار حریق را به یک اتاق ثانوی وصل می کند، که هوای تازه از آن وارد شده و یک هود هوای خروجی را گردآوری می نماید. 265S flashover پس از احتراق انجام شد و کل طول آزمایش 550S بود.
کد CFD
شبیه سازی با کمک کد CFD تجارتی موسوم به FLOVENT 3.2 (2001) انجام شد. این کد از روش احجام محدود استاندارد، یک شبکه مستطیلی استاندارد، روش upwind discretization مدل تلاطم با توابع دیواری لگاریتمی و نوعی از الگوریتم محاسباتی SIMPLE استفاده می کند.
مدل سازی آتش و دود
نرخ کل ایجاد حرارت آتش Qtot شامل اتلاف تشعشعی گرما Qrad به علاوه اتلاف گرمای همرفتی Qcon است. کل گرمای ایجاد شده را می توان بدین شکل تفکیک کرد:
در حالت حریق اتاق خواب، ایجاد گرمای همرفتی به صورت منبع حجمی گذرای گرما بالای تختخواب مدل سازی می شود. ایجاد گرمای تشعشعی به صورت منبع محوطه گرمایی گذرا روی سطوح مجاور (دیوار و سقف) مدل سازی می شود.
تعداد محوطه های گرمایی منبع حرارت متناسب با نسبت میان مساحت دیوار و سقف کل مساحت های دیوارها و سقف انتخاب می شود.
دود را ترکیبی از جامدات، مایعات و گازهای معلق تعریف می کنند که هنگام سوختن مواد با هوا ترکیب می شود. روش تخمین مقدار Co ، Co2 آزاد شده به اختصار ذکر می شود. مصرف Co2 در حریق و سوختن سوخت های عادی آلی بدین صورت است:
و Co ، Co2 به شکل زیر آزاد می شوند:
و لذا رابطه نرخ کلی جریان Co ، Co2 و o2 عبارت است از:
برای تعیین کلیه نرخ های جریان به یک معادله اضافی نیاز است و لذا رابطه تجربی زیر را که بر اساس میانگین داده های تجربی حاصل شده را به کار می بریم:
در واقع، تولید Co به ماده سوخته و مقدار اکسیژن مصرفی بستگی دارد. بنابراین با استفاده از معادلات 3-7 آتش را به صورت یک منبع مصرفی کلی گذرای o2 و منبع کلی تولید گذرای Co ، Co2 مدل سازی می نماییم.
اگر اطلاعات بیشتری در مورد مواد سوخته و گازهای تولیدی توسط آتش در دست باشد، مدل سازی فعلی را بایست برای تطابق با آن اصلاح کرد.
در حرکات دود در ساختمان، قابلیت دید میان دود مهم است. در مرجع CIBSE 1997 لحاظ نمود. هرچند این مطلب را در تحقیق حریق اتاق فعلی دخالت نمی دهیم.
برای تشخیص هندسی منبع گرما، رابطه تجربی میان ابعاد سوخت D و طول شعله L به کار می رود (cox,1995). حجم منبع گرما باید طوری انتخاب شود که دمای واقع گرایانه شعله به دست آید.
مدل سازی حرارتی اتاق
تشعشع حرارتی میان سطوح اجزای جامد را می توان بر اساس فاکتورهای دید، دمای سطحی و قدرت تابندگی توسط کد CFD محاسبه کرد. کلیه اجسام جامد، خاکستری رنگ فرض شده و تابندگی معادل emissivity)?=0.9) دارند.
برای محاسبه اتلاف حرارت از طریق سطوح مجاور، خصوصیات گرمایی دیوار، کف و سقف، در راستای مواد به کار رفته در آزمایش انتخاب شده و معادله هدایت گرمای انتقالی برای کلیه اجزای جامد حل می شود.
دامنه پاسخ ها؛ شرایط اولیه و مرزی
دامنه کلی پاسخ ها را برای پرهیز از شرایط مرزی تحدیدکننده درگاه تا یک متری خارج از اتاق سوخته توسعه دادیم. شرایط اولیه و مرزی طوری برگزیده شد که تا جای ممکن به شرایط تشکیلات تجربی نزدیک باشد.
دمای 23 درجه، برای دمای محیط و شروع کار برگزیده شد. کلیه سطوح مرزی در معرض جریان گرما بوده و در صورتی که اجزای جامد مسیر را مسدود نکرده باشند در معرض جریان کلی (mass) بوده است.
ایجاد گرما طی رشد حریق را معمولا متناسب با T2 می دانند. هرچند در این حالت، داده های تجربی با استفاده از تابع خطی به خوبی مطابقت می نماید.
شبیه سازی
حدود 40000 الی 180000 سلول شبکه مورد استفاده قرار گرفت. اما نتایج خیلی تغییر نشان نمی دهد. عملیات نهایی با 115000 سلول و گام زمانی 5S انجام شد. شبیه سازی روی رایانه دستی IBM Thinkpad با پردازنده 700 MHZ و MB 256 RAM انجام شد. شبیه سازی به یک دوره عملیاتی 8 ساعته از احتراق تا (flashover (t=265 s نیاز داشت.
نتایج
دمای هوای mm 0.1 زیر سقف در مرکز اتاق از زمان احتراق t=o s تا پایان آزمایش t=200 s و flashover که احتمالا به علت یک نوع اثر موضعی در آتش بوده است انطباق نزدیکی وجود دارد. نوسانات دما را می توان در داده های تجربی ملاحظه کرد.
هرچند که دماهای محاسباتی این نوسانات را نمایش نمی دهد لایه بندی دمایی به خوبی ب ا داده های تجربی درون اتاق هماهنگی دارد (شکل 4) و با داده های درگاه نیز منطبق است.
یک رابطه تجربی برای محاسبه جریان کلی (mass) خارج از اتاق با وجود آتش در اتاق به این حالت اطلاق شد و به خوبی با جریان کلی محاسبه شده توسط کد CFD مطابقت نمود.
در معادله (8) ، h و w عرض و ارتفاع درب بوده در حالی که Qcon برای گرمای آزاد شده همرفتی می باشد. محاسبات سطوح ISO Surface دارای 15000ppm گاز Co2 در t=150s را می توان مشاهده کرد.
