Soppressione del fuoco in FDS

Nel contesto dell’applicazione di un modello per dimostrare la conformità normativa, un modello validato è quello che si è dimostrato sufficientemente rappresentativo della realtà per uno o più usi specifici previsti. Prima potere definire FDS validato è necessario stabilire quale sia l’uso specifico previsto e quindi determinare se le previsioni di FDS sono sufficienti per tale uso.

Nel caso dei sistemi di soppressione dell’incendio l’obiettivo è quello di prevedere il tempo di estinzione o di controllo dell’incendio, oppure, prevedere il tempo necessario per inondare uno spazio a una concentrazione di progetto, e/o prevedere il tempo di ritenzione dell’agente.

Ognuno di questi obiettivi è in effetti un esempio di uso specifico del modello, per ogni uso è quindi necessario dimostrare che FDS può fare previsioni “abbastanza buone”. Ciò che significa “abbastanza buono” dipendere dall’applicazione specifica e dalla finezza necessaria dei risultati ottenuti.

La modellazione dello spegnimento di un incendio in FDS, a causa della introduzione di un agente di soppressione, come la CO2, le goccioline di acqua introdotte da un impianto sprinkler, la nebbia d’acqua utilizzata dagli impianti Water Mist, oppure per l’esaurimento di ossigeno all’interno di un vano, è molto complessa, in quanto i relativi meccanismi fisici si verificano a una scala molto inferiore rispetto alle dimensioni della singola cella della maglia rappresentativa del dominio di calcolo. In FDS le fiamme si estinguono a causa dell’abbassamento della temperatura e della diluizione dell’ossigeno presente.

L’algoritmo di soppressione della fiamma è attivato di default in FDS, per non utilizzarlo, quindi per non calcolare la soppressione delle fiamme, occorre impostare il parametro SUPPRESSION=.FALSE. sulla linea &MISC.

FDS può rappresentare un fuoco in due modalità:

  1. considerando una qualunque superficie di un qualunque oggetto (solido o piano) che emette una potenza termica predefinita, in fase di input, dall’utente tramite il parametro HRRPUA (HRR per unità di aera [kW/m2]) sulla relativa linea &SURF rappresentativa della proprietà della superficie. In questo caso è chiaro che a bruciare non sono dei materiali con le loro caratteristiche chimico fisiche, ma si ha l’emissione di una potenza termica predefinita (la superficie o il piano si comportano come un bruciatore regolato su una potenza nota). La chimica della fase gassosa relativa alla combustione è infine definita attraverso la riga &REAC.
  2. considerando il contributo al rilascio di energia (HRR) dato dai singoli materiali, in questo caso occorre fornire come dati di input le caratteristiche dei materiali.

Vediamo come si ottiene la soppressione del fuoco in entrambi i casi.

Nel primo caso avendo fornito un HRR predefinito (costante o variabile nel tempo tramite comandi &RAMP) i meccanismi di spegnimento del fuoco utilizzati dall’algoritmo di soppressione sono inutili, in quanto la potenza termica è emessa dalla superficie dipende esclusivamente dall’input dell’utente, in questo caso si utilizza un parametro empirico E_COEFFICIENT da definire con i dati della &SURF che emette la potenza tramite il parametro HRRPUA.

Nel secondo caso lo spegnimento si ottiene utilizzando tutti i meccanismi previsti dall’algoritmo di soppressione.

Incendio definito tramite HRR

In questo caso come accennato si utilizza il parametro E_COEFFICIENT nella relativa linea &SURF.
Il parametro è un numero Reale  con valore di default = 0.0 e unità di misura [m2/Kg/s].
La soppressione di un incendio da parte dell’acqua è determinata empiricamente utilizzando una metodologia che prevede di caratterizzare la riduzione del tasso di pirolisi con una funzione esponenziale. Il tasso di perdita di massa locale del carburante è espresso dalla forma:

Dove mf,0  rappresenta la velocità di combustione per unità di superficie, definita dall’utente prima dell’intervento dell’acqua.

k è una funzione della massa locale dell’acqua per unità di superficie mw (t) espressa in kg/m2.

 

k è espresso in 1/s

Il parametro E_COEFFICIENT deve essere ottenuto sperimentalmente ed è espresso in [m2/kg/s].

La forma che la linea &SURF assume è la seguente:

&SURF ID=’Fuoco’,
      HRRPUA=1000.,
      E_COEFFICIENT=1.20/

Di solito, questa descrizione dell’incendio tramite HRRPUA viene utilizzata quando il combustibile è difficilmente descrivibile tramite le linee di comando &MATL, come nel caso di merci varie inscatolate, per le quali occorrerebbe descrivere il comportamento chimico-fisico di molti materiali per i quali a volte questo tipo di dati non sono reperibili.

Fra gli esempi di verifica di FDS è riportato nella cartella “Sprinklers_and_Sprays” il file e_coefficient.fdsutile per dimostrare l’azione dell’acqua proveniente da uno sprinkler su un incendio definito tramite HRRPUA. Nell’esempio uno sprinkler è posto sopra un bruciatore definito mediante una linea di comando &SURF con impostati il parametro HRRPUA e il parametro E_COEFFICIENT. Lo sprinkler è predisposto per intervenire dopo 30 s.

Nel seguente filmato è riportato l’esempio descritto:

file esempio: e_coefficient.fds

Soppressione dell’incendio nella simulazione di materiali reali

La modellazione dello spegnimento di un incendio utilizzando acqua in gocce investe tre aspetti fondamentali:

  1. il trasporto delle gocce d’acqua nell’aria,
  2. lo studio del percorso che l’acqua segue sulle superfici solide (tracciamento),
  3. la previsione della riduzione della velocità di combustione.

Velocità su superfici solide
Quando una goccia colpisce una superficie solida, si attacca ad essa, di conseguenza viene riassegnata una nuova velocità e una nuova direzione. Se la superficie è orizzontale, la direzione è scelto casualmente (random). Se la superficie è verticale, la direzione di movimento è verso il basso in considerazione della forza di gravità. La velocità con la quale le goccioline si muovono sopra le superfici orizzontali e verticali è difficile da quantificare. I parametri HORIZONTAL_VELOCITY e VERTICAL_VELOCITY sulla linea di comando &PART consentono di controllare la velocità con cui le goccioline si muovono orizzontalmente o verticale (verso il basso); i valori predefiniti sono rispettivamente 0.2 m/s e 0.5 m/s.

Nel caso di simulazione di incendio di materiali stoccati in rack, il modello di soppressione dell’incendio deve prevedere che le gocce d’acqua si possano muovere orizzontalmente lungo la parte superiore e inferiore di un oggetto solido e verticalmente lungo le pareti delle superfici solide. Questo fenomeno è difficile da modellare in quanto coinvolge le proprietà: dell’acqua, dei materiali, la geometria degli oggetti modellati, come la tensione superficiale, la porosità e le proprietà di assorbimento delle superfici. FDS tiene conto di queste proprietà settando il parametro ALLOW_UNDERSIDE_PARTICLES=.TRUE. sulla linea di comando &MISC. Il valore di default del parametro è .FALSE..

Il movimento delle goccioline quando colpiscono le superfici in direzione verticale è sempre coincidente con la direzione dell’asse z indipendentemente da qualsiasi valore assegnato al parametro GVEC sella linea di comando &MISC, relativo al vettore gravità.

Fra gli esempi di verifica di FDS è riportato nella cartella “Sprinklers_and_Sprays” il file “cascade.fds” utile per dimostrare le varie caratteristiche del moto delle gocce sulle ostruzioni solide.

La seguente figura mostra come un flusso di gocce d’acqua si distribuisce sulla parte superiore di un solido e quindi selle pareti verticali.

1MPUA indica la massa per unità di area delle gocce sulla superficie [kg/m2]

Se non si desidera che le goccioline si possano accumulare sulle superfici solide, occorre impostare il parametro ALLOW_SURFACE_PARTICLES=.FALSE. sulla linea di comando &MISC, il valore di default è .TRUE..
Il risultato è quello visualizzato nella seguente figura:

Riduzione della velocità di combustione

L’acqua, raffreddando la superficie, riduce il tasso di pirolisi del combustibile, inoltre agisce anche sulla pirolisi cioè sulle reazioni chimiche che liberano gas combustibili dai solidi.
Se nella simulazione il combustibile solido o liquido è stato impostato tramite i parametri di reazione contenuti nella linea di comando &MATL, non è necessario impostare ulteriori parametri per ottenere l’effetto di attenuazione dell’incendio da parte dell’acqua. L’ipotesi di base è che l’acqua a contatto con la superficie del combustibile assorbe energia dal processo di pirolisi e di conseguenza riduce la velocità di combustione.
Nell’esempio riportato, relativo allo spegnimento dell’incendio di un divano tramite l’acqua proveniente da uno sprinkler i materiali sono definiti attraverso i parametri della linea &MATL assemblati in una linea &SURF per definire le proprietà di una superficie.

&MATL ID = ‘TESSUTO’
      FYI = ‘Proprietà inventate’
      SPECIFIC_HEAT = 1.0
      CONDUCTIVITY = 0.1
      DENSITY = 100.0
      N_REACTIONS = 1
      NU_SPEC = 1.
      SPEC_ID = ‘PROPANE’
      REFERENCE_TEMPERATURE = 320.
      HEAT_OF_REACTION = 3000.
      HEAT_OF_COMBUSTION = 15000. /

&MATL ID = ‘IMBOTTITURA’
      FYI = ‘Proprietà inventate’
      SPECIFIC_HEAT = 1.0
      CONDUCTIVITY = 0.05
      DENSITY = 40.0
      N_REACTIONS = 1
      NU_SPEC = 1
      SPEC_ID = ‘PROPANE’
      REFERENCE_TEMPERATURE = 320.
      HEAT_OF_REACTION      = 1500.
      HEAT_OF_COMBUSTION    = 30000. /

&SURF ID = ‘TAPEZZERIA’
      FYI = ‘Proprietà inventate’
      COLOR = ‘PURPLE’
      BURN_AWAY = .TRUE.
      MATL_ID(1:2,1) = ‘TESSUTO’,’IMBOTTITURA’
      THICKNESS(1:2) = 0.002,0.1  /

Lo sprinkler è definito utilizzando la combinazione delle linee &DEVC (per definire la geometria del device), &PART (per definire le particelle lagrangiane) e la linea &PROP (per definire le proprietà del device definito con la linea &DEVC).

&DEVC XYZ=2.5,4.4,2.2, PROP_ID =’Spray’, ID = ‘Spray’  / 

&PROP ID=’Spray’
      QUANTITY=’SPRINKLER LINK TEMPERATURE’
      PART_ID=’Water_drops’
      FLOW_RATE = 10.0
      SPRAY_ANGLE = 0.,30.
      PARTICLE_VELOCITY = 10.
      INITIAL_TEMPERATURE=20.000,
      ACTIVATION_TEMPERATURE=74.000, /

&PART ID=’Water_drops’, SPEC_ID=’WATER VAPOR’, SAMPLING_FACTOR=10, DIAMETER=1000./

&SPEC ID=’WATER VAPOR’ /

Nel seguente filmato è riportato l’esempio descritto:

 file esempio: couch_spr.fds
Soppressione fuoco tramite E_COEFFICIENT Soppressione fuoco di materiali reali con acqua