Analýza a parametrická studie různých CFD modelů požáru při návrhu konstrukcí

Abstract

Tato práce v teoretické části pojednává o využitelnosti dostupných CFD programů pro mode-lování požáru a jejich následném porovnání z hlediska obsáhlosti funkcí a uživatelského roz-hraní. V této části práce je uvedeno rozdělení modelů požáru na dvě základní skupiny, z nichž stěžejní skupinou této práce jsou matematické modely, především CFD modely. Je zde popsá-na historie a rozvoj CFD modelů, matematický základ CFD programů, základní submodely (např. hoření) pro simulaci požáru v CFD modelech a limity modelování. Co se týče CFD pro-gramů pro modelování požáru, jsou zde zmíněny aktuálně dostupné programy. Popis programů je zaměřen především na možnosti a funkce modelování, uživatelské rozhraní a jejich využitel-nost. Pro přehlednost jsou vypracovány tabulky se zjištěnými funkcemi a uživatelským rozhra-ním. Následně jsou uvedené CFD programy porovnány a vyhodnoceny na základě obsáhlosti funkcí. V praktické části práce je provedena analýza vybraných CFD programů na konkrétním řešeném příkladu. Ve vybraných programech jsou modelované dvě varianty řešeného modelu, tj. místnost s odvětráním a místnost bez odvětrání. Zdroj požáru je dřevěný stůl s předepsanou rychlostí uvolňování tepla, jenž slouží jako hlavní vstup do vybraných programů. Cílem analý-zy je namodelovat ve všech vybraných CFD programech obě varianty příkladu a následně po-rovnat zvolené výstupní parametry. Zkoumanými parametry jsou rychlost uvolňování tepla, teplota u stropní konstrukce a koncentrace toxických plynů v návaznosti na viditelnost. Pro získání parametru viditelnosti je u některých programů proveden analytický výpočet viditel-nosti a rychlosti uvolňování kouře. Výstupní hodnoty všech zkoumaných parametrů jsou ná-sledně převedeny do grafů a porovnány z hlediska matematického základu. Vybrané CFD programy jsou nakonec zhodnoceny z hlediska ovladatelnosti, funkčnosti, obsáhlosti funkcí a dostupnosti. Pro analýzu únosnosti železobetonové stropní desky za požáru jsou z průběhů teplot u stropní konstrukce (výstup z CFD programů) stanoveny teploty na povrchu desky dle ČSN EN 1991-1-2 a v místě výztuže. Následně jsou porovnány grafy výsledných průběhů teplot. Únosnost stropní desky je zhodnocena na základě dosažených teplot v místě výztuže.

In the theoretical part, this thesis discusses the usability of available CFD software for fire modelling and their subsequent comparison in terms of the comprehensiveness of functions and user interface. In this part of the thesis, the division of fire models into two basic groups is presented, of which the core group of this thesis are mathematical models, especially CFD models. The history and development of CFD models, and the mathematical basis of CFD software, the basic submodels (e.g. burning) for fire simulation in CFD models and modeling limits are described here. Regarding CFD software for fire modeling, currently available soft-ware are mentioned here. The description of the software is mainly focused on modeling pos-sibilities and functions, the user interface and their usability. For clarity, overview tables are prepared with the identified functions and user interface. Subsequently, the mentioned CFD software are compared and evaluated based on the comprehensiveness of functions. In the practical part of the thesis, an analysis of selected CFD software is carried out on a specific solved example. In the selected software, two variants of the solved model are created, i.e. a room with ventilation and a room without ventilation. The source of the fire is a wooden table with a prescribed heat release rate, which serves as the main input to the select-ed software. The analysis aims to model both variants of the example in all selected CFD software and then compare the selected output parameters. The investigated parameters are the heat release rate, the temperature of the ceiling structure and the concentration of toxic gases in relation to visibility. To obtain the visibility parameter, an analytical calculation of the visibility and the speed of smoke release is performed for some software. The output values of all investigated parameters are subsequently converted into graphs and compared in terms of the mathematical basis. The selected CFD software are finally evaluated in terms of controlla-bility, functionality, comprehensiveness of functions and availability. For the analysis of the load-bearing capacity of a reinforced concrete ceiling slab during a fire, the temperatures on the surface of the slab according to ČSN EN 1991-1-2 and at the point of reinforcement are determined from the temperature curves of the ceiling structure (output from CFD programs). Subsequently, the graphs of the resulting temperature are compared. The bearing capacity of the ceiling board is evaluated based on the temperatures reached at the point of reinforcement.