Czym są symulacje CFD w inżynierii pożarowej?

Czym są symulacje CFD w inżynierii pożarowej?

Symulacje CFD (Computational Fluid Dynamics) stały się w ostatnich latach jednym z kluczowych narzędzi stosowanych w inżynierii pożarowej. Pozwalają one na numeryczne odwzorowanie zjawisk towarzyszących rozwojowi pożaru, takich jak rozprzestrzenianie się dymu, przepływ gorących gazów, wzrost temperatury czy oddziaływanie ognia na konstrukcję. Dzięki obliczeniom CFD możliwe jest analizowanie sytuacji pożarowych w sposób znacznie bardziej szczegółowy i realistyczny niż przy zastosowaniu tradycyjnych metod obliczeniowych.

Działanie symulacji CFD oparte jest na równaniach opisujących dynamikę płynów, gazów lub cieczy, w tym równań Naviera-Stokesa. Dzięki symulacjom otrzymujemy niezbędne informacje do wykonania bezpiecznych systemów oddymiania, zapewniających bezpieczne warunki ewakuacji oraz bezpieczne kryteria do przeprowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych. Analizy komputerowe dają nam możliwości odwzorowania w trójwymiarowej przestrzeni, zachowania dymu, ciepła oraz produktów spalania, co pozwala na ocenę warunków powstałych podczas pożaru w  skomplikowanych obiektach architektonicznych.

Kiedy stosuje się symulacje CFD?

Symulacje CFD to praktyczne narzędzie, które pozwala na etapie projektowym poznać dynamikę zjawiska pożaru oraz procesów spalania. Przede wszystkim narzędzie wykorzystywane jest do potwierdzenia poprawności założeń projektowych systemów oddymiania, zarówno grawitacyjnych jak i mechanicznych m.in. wentylacji strumieniowej garaży podziemnych.  Po przeprowadzeniu symulacji, Projektant ma możliwość oceny efektywności systemów oddymiania i wentylacji oraz bezpieczeństwa pożarowego analizowanego budynku. Dzięki ocenie zachowania dymu i ognia w projektowanej kubaturze, jesteśmy w stanie przeanalizować możliwości bezpiecznej ewakuacji poprzez weryfikację widoczności, temperatury, stężenia toksycznych gazów oraz promieniowania cieplnego. Ważnym aspektem jest dokonanie oceny bezpieczeństwa ekip ratowniczych podczas przeprowadzania akcji ratowniczo-gaśniczej poprzez weryfikację temperatury oraz promieniowania cieplnego.  Symulacja CFD pozwala na ocenę rozwoju pożaru w czasie oraz przewidywanie interakcji ognia z konstrukcją obiektu, w tym wpływu wysokiej temperatury  na nośność przegród budowlanych oraz stropów. Podczas przeprowadzania analizy mamy możliwość weryfikacji współpracy instalacji oddymiania z systemami gaśniczymi, m.in. tryskaczami, zraszaczami czy systemami mgły wodnej, które pozwalają na obniżenie temperatury. Kolejnym elementem jaki jest weryfikowany podczas symulacji, jest poprawność lokalizacji kurtyn dymowych oraz odporność ogniowa wentylatorów oddymiających.

Po przeprowadzeniu symulacji CFD widzimy ewentualne wady zaprojektowanego systemu oddymiania, które mamy możliwość wykluczyć oraz poprawić założenia projektowe. W niektórych przypadkach  dodatkowym plusem przeprowadzenia analiz jest zredukowanie liczby urządzeń systemów, co prowadzi do optymalizacji kosztów.

Przykłady zastosowań symulacji CFD

Symulacje CFD jako element bezpieczeństwa pożarowego budynku stosowane są w projektach obiektów o różnym przeznaczeniu m.in.:

• garażach podziemnych, w celu analizy skuteczności wentylacji oddymiającej, zarówno kanałowej jak i strumieniowej,
• klatkach schodowych, poprzez analizę widoczności i szybkości usuwania dymu z kubatury klatki,
• halach produkcyjno- magazynowych, w celu analizy rozprzestrzeniania się dymu oraz oceny warstwy wolnej od dymu,
• obiektów widowiskowych,
• galerii handlowych,
• tuneli drogowych i stacjach metra.

Jak zaprojektować skuteczny system oddymiania?

Podczas projektowania systemów oddymiania, podstawowym aspektem jest posługiwanie się obowiązującymi przepisami i normami,  w zależności od instalacji i rodzaju analizowanej przestrzeni. Jednym z ważniejszych czynników podczas projektowania efektywnego systemu oddymiania jest indywidualne podejście do projektowanego obiektu, uwzględniające architekturę, możliwości konstrukcyjne budynku oraz specyfikę i klasyfikację obiektu. Ważnym etapem  jest wybór odpowiedniego systemu oddymiania. Wyróżniamy trzy podstawowe grupy rozwiązań:

• grawitacyjne, np. poprzez zastosowanie klap dymowych, drzwi, okien lub żaluzji napowietrzających,
• mechaniczne, poprzez zastosowanie wentylatorów oddymiających,
• hybrydowe, np. stosowane w klatkach schodowych poprzez wykorzystanie wentylatorów napowietrzających do kierunkowania przepływu dymu w stronę  klapy dymowej.

Istotnym parametrem wpływającym na skuteczność instalacji oddymiania jest jej wydajność. Kolejny aspekt to właściwa lokalizacja punktów nawiewnych i wyciągowych oraz ich powierzchnia, która określana jest na podstawie maksymalnych prędkości przepływu. Projektując oddymianie garażu podziemnego musimy mieć na uwadze lokalizację i ilość wyjść ewakuacyjnych, długości przejść ewakuacyjnych oraz możliwość podziału garażu na strefy dymowe. Na etapie projektowania systemów oddymiania powinna powstać szczegółowa matryca sterowań, która określa sekwencję pracy poszczególnych urządzeń  oraz czas ich uruchomienia. Matryca sterowań powinna być zgodna ze scenariuszem pożarowym.

Weryfikacja przyjętych założeń projektowych systemów oddymiania odbywa się poprzez wykonanie symulacji CFD, gdzie pierwszym etapem jest odwzorowanie architektury budynku poprzez stworzenie trójwymiarowego modelu oraz wrysowanie punktów nawiewnych i wyciągowych założonych w projekcie.  Kolejnym krokiem jest przyjęcie rodzaju spalanego materiału i wprowadzenie parametrów dla niego charakterystycznych. Wprowadzenie odpowiedniej krzywej mocy pożaru i  określenie czasu trwania symulacji jest kolejnym składnikiem w procesie tworzenia kompleksowej analizy. Zadaniem osoby przeprowadzającej symulację CFD jest zlokalizowanie scenariuszy pożarowych w najbardziej niekorzystnych miejscach m.in. na granicy stref dymowych, w miejscach najbardziej oddalonych od wyciągów, czy w pobliżu szachtu oddymiającego  w celu weryfikacji odporności ogniowej wentylatorów oddymiających. Tylko dzięki takiej praktyce mamy możliwość uzyskania wiarygodnych wyników. Ostatnim etapem jest przyjęcie kryteriów oceny w których wyróżniamy: widoczność, temperaturę, stężenie toksycznych gazów oraz promieniowanie cieplne.

Kluczowym aspektem jest współpraca na każdym  etapie projektowym z Rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń pożarowych w celu weryfikacji przyjętych założeń.

Prawidłowo zaprojektowany system oddymiania musi dać możliwość przeprowadzenia bezpiecznej ewakuacji oraz zapewnić odpowiednie warunki do przeprowadzenia akcji ratowniczej-gaśniczej.

Agnieszka Jabłońska
Projektant
Pion Systemów Wentylacji Pożarowej