Modelizacion Fuego_v6.pdf

Máster Ing. Seg. contra Incendios

Módulo 2

II. INTRODUCCIÓN A LA MODELIZACIÓN DEL FUEGO EN RECINTOS CERRADOS Introducción

I-Fuego en recintos cerrados

Ensayos de fuego en recintos: datos reales pero…

II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

Pequeñas escalas

Condiciones específicas Laboriosos y caros

Difícil reproducción A. Acosta Iborra Enero 2017

Necesidad de “ensayos virtuales”: Fuente: WPI, ISO room test 2001

SIMULACIÓN DEL FUEGO

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Módulo 2

Introducción Modelización y simulación del fuego

I-Fuego en recintos cerrados

- Objetivo: predecir el comportamiento del fuego mediante la simulación de modelos

II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

- Etapas: 1

2

3

qperd

Tck 1  f c (Tck , T fk , p k , qc , )

Tc Tf

4

mf

T

T fk 1  f c (Tck , T fk , p k , qc , ) p k 1  f p (Tck , T fk , p k , qc , )

qc

Realidad

A. Acosta Iborra Enero 2017

Modelo físico y matemático

Ejemplo: modelo de 2 zonas - Capa gases calientes - Capa gases fríos

t

Ecuaciones discretizadas

Solución y validación

dT T (t  t )  T (t0 )  0 dt t t t 0

¿parecido a datos fiables? Si

Postproceso Fuente: NIST, dry pine tree test

No

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Módulo 2

Introducción Clasificación de los modelos de fuego

Tc

I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

qperd

- Detalle espacial:

1. Métodos de zona:

una zona, dos zonas, etc.

2. Métodos de campo:

- Carácter ecuaciones:

CFD

Tf

mf

qc

1. Modelos deterministas 2. Modelos estocásticos

1. Simulación parciales

Fuente: University of Greenwich, SMARTFIRE v4.0

- Objetivos: 2. Simulación propiedades gases A. Acosta Iborra Enero 2017

3. Simulación completa (multifísica) 1. Códigos de simulación fuego 2. Códigos de propósito general Fuente: http://911research.wtc7.net/mirrors/guardian2/wtc/astaneh-wtc.htm

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Módulo 2

Introducción Fuente: University of Greenwich, SMARTFIRE v4.0

Modelos de campo:

I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

- Mallado del dominio: nodos y celdas - Solución: campo de T,V,P,r,Y,…

A. Acosta Iborra Enero 2017

Fuente: Kevin McGrattan, NIST Fuente: NIST, User's guide for Smokeview v4.0

- Ejemplos: FDS, PHOENICS, Fluent, CFX-4,…

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Módulo 2

Introducción Modelos de zonas:

I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la

A. Acosta Iborra Enero 2017

Fuente: Fire Protection Handbook, 2003

modelización del fuego en recintos

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados

MODELOS DE ZONA Motivación: ESTRATIFICACIÓN de los gases en un recinto incendiado

II-Introducción a la

A. Acosta Iborra Enero 2017

Fuente: Quintiere, 1989

modelización del fuego en recintos

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados

MODELOS DE ZONA Descripción: Zonas en un recinto: capa caliente (CV1) y capa fría (CV2)

q perd

II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

zc

Tc, rc

m g

h zf

Tf, rf

A. Acosta Iborra Enero 2017

As=D·W

m r

Fuente: Adaptado de HFPE, 2002

Plano neutro

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MODELOS DE ZONA Hipótesis:

Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

- Recinto: techo y suelo planos, sección horizontal constante, aperturas - Gases ideales caloríficamente perfectos

- Estratificación perfecta: horizontal, transición brusca, velocidad nula - T,r,p,Yi homogéneas en cada capa, variables en el tiempo - Fuego: fuente de calor qc, y de especies Ys,i

- Pluma de gases calientes: transporte vertical instantáneo, turbulenta, volumen despreciable - Posible varios focos de fuego a distintas alturas. - Variación de presión en vertical<< valor presión absoluta A. Acosta Iborra Enero 2017

- Despreciable la disipación de energía por fricción - Despreciable el volumen y calor acumulado por elementos del recinto - Despreciable la interferencia al calor por parte de los elementos del recinto

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

MODELOS DE ZONA

Ecuaciones:

h  zc  z f a) Ecuaciones de estado g.i.

p

rc

p

 RgTc

rf

 RgT f

b) Balance de masa

Masa del volumen de control mvc [kg]

Na

dmvc 0   m j  wvc dt j 1

mc  rc As zc m f  r f As z f

Gastos de entrada al volumen de control [kg/s] por apertura “j”

A. Acosta Iborra Enero 2017

d  r c zc  N c As   mc , j dt j 1 As

d rf zf  dt

Balance de masa capa caliente

Nc

  mf , j j 1

Balance de masa capa fría

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados

MODELOS DE ZONA

Ecuaciones:

c) Balance de especies Especie “i”

dmvc ,i

II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

dt

Fracción másica especie “i”

Na

  m j ,i  wvc ,i

mcv ,i  Yi mcv  Yi r As z

j 1

Generación especie “i”, ¡ no incluye pirolización !

m j , i  m j Y j ,i

Gasto de especie “i” en apertura “j”

dYi Na As r z   m j  Y j ,i  Yi   wvc ,i dt j 1 Nota: gases pirolizados: entrada de masa Ys,i·ms

A. Acosta Iborra Enero 2017

As rc zc

As r f z f

dYc ,i dt

  mc , j  Yc , j ,i  Yc ,i   wc ,i

dY f ,i dt

Nc

Balance de la especie “i” en capa caliente

j 1

Nf

  m f , j   Y f , j ,i  Y f ,i  j 1

Balance de la especie “i” en capa fría

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Módulo 2

MODELOS DE ZONA

Ecuaciones:

d) Balance de energía

I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

d  mvc cvT  dVvc Na  p   m j c pT j  qc  qtr dt dt j 1 Calor transferido Acumulación de energía

Grado de liberación de calor (HRR) Gasto de entrada x entalpía Trabajo de expansión/compresión de la capa de gases

Nc dTc r c As c p zc  c p  mc , j Tc , j  Tc   w f H c  qtr ,c  dt j 1 Nf  Rg zc Rg zc c p  Nc m T  m T  qc  qtr ,c f   c , j c , j  f , j f , j   cv h  j 1 c h j 1 v 

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r f As c p z f

dT f dt

Nf

 c p  m f , j T f , j  T f j 1



Balance energía en la capa caliente



qc

 qtr , f  c

Nf  Rg z f Rg z f c p  Nc  qc  qtr ,c f   mc , jTc , j   m f , jT f , j   cv h  j 1 c h j 1 v 



Balance energía en la capa fría

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la

Submodelos:

MODELOS DE ZONA

a) Generación de calor

qc  mcq H c,ef

modelización del fuego en recintos

YO  0 ( fuego controlado por combustible) mc  mcq    Nc  F  m  Y YO  0 ( fuego controlado por ventilación)  e   j ,O j ,O  j  1   

b) Generación de especies

- Pirolización

ms ,i  Ys ,i  ms

ms  ms 0 

- Combustión A. Acosta Iborra Enero 2017

Na

wi   i ( FR )·ms ,combustible

mc

F FR   Fe



j comb

Yi Y0

Fe

2

qreciv Lv

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Módulo 2

Submodelos:

MODELOS DE ZONA

c) Gasto a través de las aperturas del recinto

II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

A. Acosta Iborra Enero 2017

Fuente: Quintiere, 1989

I-Fuego en recintos cerrados

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Submodelos:

Módulo 2

MODELOS DE ZONA z

pext ( z )  pext (0)  g  rext dz

I-Fuego en recintos cerrados

0

z

pint ( z )  pint (0)  g  rintdz 0

II-Introducción a la

Fuente: Quintiere, 1989

modelización del fuego en recintos

A. Acosta Iborra Enero 2017

  2   p  p  1/ 2 ext int   rext   vj   1/ 2   2   pint  pext      rint   

C j rext v j dA  Aw, j mj   C j A rint v j dA w, j 

pext  pint pext  pint

vj  0 vj  0

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

Submodelos:

MODELOS DE ZONA

- Aperturas horizontales en el techo Flujo volumétrico (m3/s)

 5 V  0, 055   gD rext  rint 

1/ 2

 rext  rint  

 

2

 

Unidades en el S.I

d) Transferencia de calor a través de paredes

q perd  AU Tint  Text 

Acumulación de las paredes (tc<<tp)

d m p c pTp  dt

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Fuente: Adaptado de HFPE, 2002

e) Transferencia de masa entre capas

 q perd  qout

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MODELOS DE ZONA

Resolución de las ecuaciones:

Módulo 2

9 incógnitas (al menos):

I-Fuego en recintos cerrados

Tc, Tf, rc, rf, p, zf, zc, Yc,i, Yf,i

II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

9 ecuaciones (al menos) +1 dTc 1  dt As zc

h  zc  z f

p

rc p

rf

dT f

 RgT f

dt

d  r c zc  1  dt As A. Acosta Iborra Enero 2017

dt



c, j

j 1

c, j

 Tc  

1 1 w f H c  qtr ,c  As c p zc As c p zc

Nc

m j 1

1 As

1 As z f

Nf

 m T j 1

f,j

f,j

 Tf  



1 qtr , f  As c p z f



c, j

dYc,i dt

Nc

m j 1



Nf  Rg  Nc Rg m T   qc  qtr ,c f   c , j c , j  m f , jT f , j   As cv h  j 1 A c c h j 1 s p v 

f,j

dY f ,i dt

Rg c p dp  dt As cv H

 m T

Nf  Rg  Nc Rg m T   qc  qtr ,c f   c , j c , j  m f , jT f , j   As cv h  j 1 A c c h j 1 s p v 

 RgTc

d rf zf

Nc





Nc

1 As rc zc

 m  Y j 1

1 As r f z f

c , j ,i  Yc ,i  

c, j

Nf

 m  Y f,j

j 1

Nf  Nc  Rg    mc , jTc , j   m f , jT f , j    qc  qtr ,c f A c H j  1 j  1 s v  



f , j ,i

1 As rc zc

wc ,i

 Y f ,i 

Balance de energía total ( en lugar de otra ecuación anterior)

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

MODELOS DE ZONA Resolución de las ecuaciones: Sistema de EDO’s

di  fi (1 , 2 , dt

, S ) i  1, 2,

,S

Integración temporal con métodos numéricos Ejemplo: método Euler explícito

i k 1  i k t A. Acosta Iborra Enero 2017

 fi (1k , 2k ,

, Sk ) i  1, 2,

,S

tk  tini  t  k Otros métodos: Rk-4, paso variable, implícitos (incondicionalmente estables)

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Módulo 2 I-Fuego en recintos cerrados II-Introducción a la modelización del fuego en recintos

REFERENCIAS P. J. DiNenno, et al. (eds.), SFPE-Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd edition, National Fire Protection Association (2002). A. E. Cote, et al. (editor), Fire protection Handbook, 9th edition, National Fire Protection Association (2003). D. Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics, 2nd edition, John Wiley & Sons, (2000). J. G. Quintiere, “Fundamentals of Enclosure Fire Zone Models,” Journal of Fire Protection Engineering, 1 (3), 99-119 (1989).

A. Acosta Iborra Enero 2017

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