Per dispositivi piú complicati da descrivere (come gli Sprinkler) non è conveniente elencare tutte le proprietà su linee &DEVC. Per esempio, una simulazione potrebbe includere centinaia di sprinklers, elencare le proprietà di ogni singolo sprinkler, ogni volta che ne viene posizionato uno, oltre ad essere non produttivo è estremamente noioso.
Per questo tipo di dispositivi, è conveniente utilizzare il gruppo &PROP per definire una sola volta i parametri più rilevanti del dispositivo. Ogni linea &PROP viene identificata da un unico ID e viene richiamata da una linea di comandi &DEVC per mezzo della stringa PROP_ID.
Il modo migliore di descrivere il gruppo &PROP è di elencare i vari dispositivi speciali e loro proprietà.
Sprinklers
Il seguente esempio definisce, mediante l’utilizzo di una linea &PROP e due linee &DEVC, il posizionamento nell’ambiente di simulazione di due sprinkler:
&PROP ID=’K-11′,
QUANTITY=’SPRINKLER LINK TEMPERATURE’,
RTI=148.0,
C_FACTOR=0.7,
ACTIVATION_TEMPERATURE=74.0,
OFFSET=0.10,
PART_ID=’water drops’,
FLOW_RATE=189.3,
DROPLET_VELOCITY=10.0,
SPRAY_ANGLE=30.0,80.0 /
&DEVC ID=’Spr_60′, XYZ=22.88,19.76,7.46, PROP_ID=’K-11′ /
&DEVC ID=’Spr_61′, XYZ=22.88,21.76,7.46, PROP_ID=’K-11′ /
L’esempio descrive uno sprinkler, denominato “Spr_60”, posizionato in un punto dello spazio con coordinate definite da XYZ. Lo sprinkler è di tipo “K-11”, le sue proprietà sono definite dalla linea &PROP. Notate che i vari nomi (IDs) non hanno significano per FDS al fine del calcolo, servono solo ad associare lo sprinkler definito con la linea &PROP alla linea &DEVC, quindi è conveniente utilizzare IDs che abbiano un significato come, per esempio, il nome del produttore del device.
Il parametro QUANTITY=’SPRINKLER LINK TEMPERATURE’ ha un significato specifico per FDS, il programma è in questo modo indirizzato ad effettuare il calcolo di attivazione del dispositivo usando l’algoritmo standard in funzione dell’RTI (Response Time Index) dello sprinkler.
MODELLI SPRAY COMPLESSI
Se si vuole utilizzare un erogatore sprinkler di tipo spray si devono usare i parametri SPRAY_ANGLE, VELOCITY, e FLOW_RATE, e con il parametro SPRAY_PATTERN_TABLE si può collegare il funzionamento della testina a un gruppo di comandi &TABL.
Quindi, per creare un modello spray, occorre specificare il flusso totale usando FLOW_RATE della linea &PROP, il nome del modello spray usando SPRAY_PATTERN_TABLE e una o piú linee &TABL di formato:
&TABL ID=’table_id’, TABLE_DATA=LAT1,LAT2,LON1,LON2,VELO,FRAC /
ogni linea di comandi &TABL, per un dato “TABLE_ID”, fornisce informazioni sulla distribuzione sferica delle goccioline di acqua, i parametri LAT1 e LAT2 sono i limiti, inferiore e superiore, dell’angolo solido misurato in gradi dal polo sud, per convenzione è posto uguale a 0 il polo sud, a 90° l’equatore e a 180° è il polo nord. In effetti questa non è la modalità convenzionale di specificare una latitudine, ma è un modo comodo per indicare uno sprinkler che spruzza l’acqua verso il basso.
I parametri LON1 e LON2 sono i limiti dell’angolo solido (in gradi), dove 0 (oppure 360) sono allineati con l’asse -X e 90 è allineato con l’asse -Y.
Il parametro VELO rappresenta la velocità (m/s) delle gocce d’acqua.
Il parametro FRAC rappresenta la percentuale della portata totale del liquido, che dovrebbe emergere da quel particolare angolo solido.
Nell’esempio sotto riportato, il modello spray viene rappresentato con due getti, ognuno con una velocità di 10 [m/s] e una portata di 20 [L/min] (il totale FLOW_RATE è 40 [L/min] e la percentuale (FRAC) per ogni getto è 0.5, i getti sono centrati nei punti a 45º sotto l’“equatore” e separati da 180º.
&PROP ID=’y-pip’,
QUANTITY=’SPRINKLER LINK TEMPERATURE’,
FLOW_RATE=40.0,
PART_ID=’water_drops’,
SPRAY_PATTERN_TABLE=’TABLE1′ /
&TABL ID=’TABLE1′, TABLE_DATA=40,50, 85, 95,10,0.5 /
&TABL ID=’TABLE1′, TABLE_DATA=40,50,185,195,10,0.5 /
Ogni serie di linee &TABL devono avere un unico ID. Inoltre, le linee TABL possono essere specificate secondo qualsiasi ordine.
Le seguenti righe di comandi sono state estratte dal file di esempio bucket_test_2.fds, riportato nel set di verifica di FDS nella cartella …..\Verification\Sprinklers_and_Sprays.
&PROP ID=’K-11′,
QUANTITY=’SPRINKLER LINK TEMPERATURE’,
PARTICLE_VELOCITY=5.0,
PART_ID=’water_drops’,
FLOW_RATE=60.0,
SPRAY_PATTERN_TABLE=’TABLE1′,
SMOKEVIEW_ID=’sprinkler_upright’, /
&TABL ID=’TABLE1′,TABLE_DATA=30,31,0,1,5,0.2/
&TABL ID=’TABLE1′,TABLE_DATA=30,31,179,180,5,0.8/
il modello di spruzzo è definito come due getti, ciascuno con una velocità di 5 m/s ed una portata totale di 60 L/min. Il primo getto contiene 0,2 del flusso totale, il secondo, 0,8 del totale. I getti sono centrati nei punti 30° sotto l’ “equatore”, e sono separati da 180°.
Il parametro SPRAY_PATTERN_SHAPE deve essere utilizzato per determinare la distribuzione delle goccioline all’interno del SPRAY_ANGLE.
La distribuzione può essere di tipo uniforme definita tramite il parametro ‘UNIFORM’ oppure di tipo Gaussiano definita tramite il parametro ‘GAUSSIAN‘. La distribuzione di default è ‘GAUSSIAN‘.
Il parametro SPRAY_PATTERN_MU controlla la latitudine della densità massima di goccioline per la distribuzione ‘GAUSSIAN‘.
La larghezza della distribuzione è controllata dal parametro SPRAY_PATTERN_BETA.
Nei sistemi sprinkler reali, la pressione nelle tubazioni è influenzata dal numero di erogatori in funzione. La pressione nelle tubazioni è superiore al valore di progetto al momento di attivazione del primo erogatore e diminuisce a seguito dell’apertura di altri erogatori. Al variare della pressione variano la portata e la velocità dell’acqua nelle tubazioni, e le dimensioni delle goccioline di acqua erogata.
In FDS, la variazione della pressione nelle tubazioni può essere simulata utilizzando il parametro PRESSURE_RAMP su una linea &PROP. Su ogni linea &RAMP occorre indicare il numero di sprinkler aperti associato alla pressione nelle tubazioni in bar. Per esempio:
&PROP ID=’My nozzle’,
OFFSET=0.1,
PART_ID=’water drops’,
FLOW_RATE=0.9,
OPERATING_PRESSURE = 10.0,
PARTICLE_VELOCITY=15.0,
SPRAY_ANGLE=0.0,80.0,
PRESSURE_RAMP = ‘PR1’ /
&RAMP ID = ‘PR1’ T = 1, F = 16. /
&RAMP ID = ‘PR1’ T = 2, F = 10. /
&RAMP ID = ‘PR1’ T = 3, F = 8. /
Nel caso in esame si ha una pressione è di 16 bar quando è attivo un solo erogatore, 10 bar quando sono attivi due erogatori e 8 bar quando sono attivi tre o più erogatori.
Nel caso si utilizzi il comando &RAMP per definire la pressione dell’acqua nelle tubazioni al variare del numero di erogatori in funzione, i parametri FLOW_RATE e PARTICLE_VELOCITY dipendono dal parametro OPERATING_PRESSURE.
Per definire le caratteristiche idrauliche dell’erogatore è sufficiente specificare la portata tramite il parametro FLOW_RATE, oppure in alternativa il K_FACTOR e il OPERATING_PRESSURE dell’erogatore. In quest’ultimo caso, la portata è calcolata da FDS come K√p e la velocità delle goccioline è calcolata utilizzando la densità del liquido e il parametro ORIFICE_DIAMETER.
Rivelatori di Calore
Il parametro QUANTITY=’LINK TEMPERATURE’ come nel seguente esempio, serve a definire unrivelatore di calore, che usa essenzialmente lo stesso algoritmo di attivazione di uno sprinkler.
&DEVC ID=’HD_66′,
PROP_ID=’Acme Heat’,
XYZ=2.3,4.6,3.4 /
&PROP ID=’Acme Heat’,
QUANTITY=’LINK TEMPERATURE’,
RTI=132.,
ACTIVATION_TEMPERATURE=74. /
Come per uno sprinkler, RTI è il Response Time Index in (m/s)1/2.
ACTIVATION_TEMPERATURE è la temperatura di intervento del rivelatore in ºC (Default 74 ºC). INITIAL_TEMPERATURE è la temperatura iniziale dell’unità di ºC (Default TMPA).
Rilevatori di Fumo
Un rilevatore di fumo, per il modello di Heskestad, viene definito nel seguente modo:
&DEVC ID=’SD_29′,
PROP_ID=’Acme Smoke Detector’,
XYZ=2.3,4.6,3.4 /
&PROP ID=’Acme Smoke Detector’,
QUANTITY=’CHAMBER OBSCURATION’,
LENGTH=1.8,
ACTIVATION_OBSCURATION=3.28 /
La linea &PROP è obbligatoria per un rivelatore di fumo, il parametro QUANTITY puó essere specificato sulla linea &PROP.
Per il modello di Clearly a quattro parametri, si avrà:
&PROP ID=’Acme Smoke Detector’,
QUANTITY=’CHAMBER OBSCURATION’,
ALPHA_C=1.8,
BETA_C=-1.1,
ALPHA_E=0.98,
BETA_E=-0.77,
ACTIVATION_OBSCURATION=3.28 /
dove tempi caratteristici del ritardo sono dati nella forma:
Per default FDS imposta i parametri relativi al modello di rivelatore di Heskestad. Per il modello di rivelatore di Clearly occorre definire i parametri ALPHA e BETA.
Un rivelatore secondo il modello di Heskestad deve avere impostati i parametri ACTIVATION_OBSCURATION e LENGTH.
Un rivelatore secondo il modello di Clearly deve avere impostati i parametri: ACTIVATION_OBSCURATION, ALPHA_C, ALPHA_E, BETA_C, BETA_E.
I parametri ALPHA_C e ALPHA_E rappresentano i coefficienti α del rivelatore di fumo, analogamente i parametri BETA_C e BETA_E rappresentano i coefficienti β del rivelatore di fumo.
Termocoppie
Se a un device viene assegnato il parametro QUANTITY=’THERMOCOUPLE‘ si realizzerà una termocoppia in grado di misurare una temperatura puntuale con le caratteristiche di una termocoppia, con valori misurati differiti rispetto alla temperatura reale dei gas nel punto in funzione dei materiali componenti il sensore e delle caratteristiche costruttive dello stesso.
La temperatura misurata da una termocoppia è data dalla seguente equazione:
dove εTC è l’emissività della termocoppia, U è l’intensità della componente radiante, Tg è la temperatura reale del gas e h è il coefficiente di trasferimento di calore verso una piccola sfera (goccia).
Per descrivere correttamente una termocoppia devono essere impostati, tramite una linea &PROP collegata al device, i parametri DIAMETER, EMISSIVITY, DENSITY e SPECIFIC_HEAT, che rappresentano rispettivamente il diametro, l’emissività, la densità e il calore specifico di una piccola sfera, rappresentativa della termocoppia.
Inoltre deve essere definito il parametro HEAT_TRANSFER_COEFFICIENT se si desidera impostare manualmente il valore del coefficiente di trasferimento di calore della termocoppia, se non viene specificato sarà calcolato automaticamente.
Diametro ed emissività della goccia sono definite sulla linea &PROP dai parametri DIAMETER e EMISSIVITY.
&PROP ID=’TERMOCOPPIA_prop’,
DIAMETER=0.0011,
EMISSIVITY=0.86,
DENSITY=8919.0,
SPECIFIC_HEAT=0.45/
&DEVC ID=’THCP’,
PROP_ID=’TERMOCOPPIA_prop’,
QUANTITY=’THERMOCOUPLE’,
XYZ=2.0,2.0,2.0, /
I valori di default sono:
- diameter = 0.001 m.
- emissivity =85.0
- density 8908 kg/m3 (riferito al nichel)
- specific heat = 0.44 kJ/kg/K (riferito al nichel)
Parametro | Tipo | Descrizione | Unità di misura | Valore |
ACTIVATION_OBSCURATION | Reale | Valore di soglia di oscuramento di un rivelatore di fumo | %/m | 3.24 |
ACTIVATION_TEMPERATURE | Reale | Temperatura di intervento di uno sprinkler | °C | 74 |
ALPHA_C | Reale | Parametro rivelatori di fumo di Clearly | 1.8 | |
ALPHA_E | Reale | Parametro rivelatori di fumo di Clearly | 0 | |
BETA_C | Reale | Parametro rivelatori di fumo di Clearly | 1 | |
BETA_E | Reale | Parametro rivelatori di fumo di Clearly | 1 | |
C_FACTOR | Reale | Coefficiente C di attivazione di un erogatore sprinkler | 0 | |
CHARACTERISTIC_VELOCITY | Reale | Velocità del vento con flusso libero | m/s | 1 |
DENSITY | Reale | Densità della piccola sfera rappresentativa della termocoppia | kg/m3 | 8908 |
DIAMETER | Reale | Diametro della goccia che rappresenta una termocoppia | m | 0.001 |
EMISSIVITY | Reale | Emissività della goccia che rappresenta una termocoppia | 0.85 | |
FLOW_RATE | Reale | Portata di un erogatore sprinkler | L/min | |
FLOW_RAMP | Carattere | Portata in funzione del tempo | ||
FLOW_TAU | Reale | Costante di tempo della portata | 0 | |
GAUGE_EMISSIVITY | Reale | Emissività misurata in esperimento | 0.9 | |
GAUGE_TEMPERATURE | Reale | Temperatura misurata in esperimento | °C | TMPA |
ID | Carattere | Stringa di identificazione | ||
INITIAL_TEMPERATURE | Reale | Temperatura iniziale delle goccioline liquide | °C | TMPA |
K_FACTOR | Reale | Fattore K delle testine sprinkler | L/min/atm1/2 | 1 |
LENGTH | Reale | Parametro rivelatore di fumo modello Heskestad | 1.8 | |
MASS_FLOW_RATE | Reale | portata in massa delle particelle | Kg/s | |
OFFSET | Reale | Raggio della sfera | m | 0.05 |
OPERATING_PRESSURE | Reale | Pressione delle tubazioni dello sprinkler | atm | 1 |
ORIFICE_DIAMETER | Reale | Diametro dell’orifizio dell’erogatore sprinkler | m | 0 |
P0,PX(3),PXX(3,3) | Reale | componenti del polinomio rappresentativo della velocità del gas | m/s | 0 |
PARTICLES_PER_SECOND | Intero | numero di goccioline al secondo erogate da uno spruzzatore | 5000 | |
PARTICLE_VELOCITY | Reale | velocità delle particelle erogate da uno spruzzatore | m/s | 0 |
PART_ID | Carattere | Nome della particella associata | ||
PDPA_END | Reale | Proprietà del getto dello sprinkler | s | T_END |
PDPA_HISTOGRAM | Logico | crea istogramma riportante in forma numerica le misure di campionamento delle gocce | .FALSE. | |
PDPA_HISTOGRAM_CUMULATIVE | Logico | .FALSE. | ||
PDPA_HISTOGRAM_LIMITS | Real Array | limiti dell’istogramma | ||
PDPA_HISTOGRAM_NBINS | Intero | numero di misure di campionamento dell’istogramma | 10 | |
PDPA_INTEGRATE | Logico | permette il calcolo di valori istantanei della distribuzione delle goccioline da un erogatore | .TRUE. | |
PDPA_M | Intero | esponente m nella formula di calcolo della funzione di distribuzione delle goccie emesse da uno spruzzatore utilizzando ua tecnica PDPA | 0 | |
PDPA_N | Intero | esponente n nella formula di calcolo della funzione di distribuzione delle goccie emesse da uno spruzzatore utilizzando ua tecnica PDPA | 0 | |
PDPA_NORMALIZE | Logico | imposizione del volume nel calcolo puntuale della distribuzione PDAP | .TRUE. | |
PDPA_RADIUS | Reale | raggio di distribuzione delle particelle emesse da uno spruzzatore in una misura PDPA | m | 0.1 |
PDPA_START | Reale | Proprietà del getto dello sprinkler | s | 0 |
PRESSURE_RAMP | Carattere | Pressione dello sprinkler variabile nel tempo | ||
QUANTITY | Carattere | Quantità che si desidera registrare | ||
RTI | Reale | Sensibilità termica dell’elemento termosensibile – RTI (Response Time Index) | sqr(m s) | 100 |
SMOKEVIEW_ID | Carattere | Nome dell’immagine che Smokeview utilizza per rappresentare un device | ||
SMOKEVIEW_PARAMETERS | Array di Caratteri | Nome dell’immagine che Smokeview utilizza per rappresentare un oggetto | ||
SPEC_ID | Carattere | Riga SPEC da utilizzare per definire una specie | ||
SPRAY_ANGLE(2) | Reale | Angoli descrittivi del cono di spruzzo di uno sprinkler | deg | 60.,75. |
SPRAY_PATTERN_BETA | Intero | larghezza della distribuzione | deg. | 5 |
SPRAY_PATTERN_MU | Intero | latitudine della densità massima di goccioline per la distribuzione ‘GAUSSIAN’ | deg. | 0 |
SPRAY_PATTERN_SHAPE | Carattere | distribuzione delle goccioline all’interno dell’angolo di spruzzo | GAUSSIAN’ | |
SPRAY_PATTERN_TABLE | Carattere | Serie di linee TAB che descrivono il modello dello spray | ||
VELOCITY_COMPONENT | Intero | componente specifica del vettore velocità |