Simulazione - Fase preliminare

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1 Agenda I due approcci alla sicurezza antincendio Riferimenti Normativi Il processo di applicazione della FSE Simulazione - Fase preliminare Simulazione - Fase operativa Simulazione - Risultati

2 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

3 Modelli disponibili Modelli a zone Modelli CFD

4 Modelli a zone Modello semplificato applicabile a grandi ambienti di semplice geometria con scenari d'incendio semplici e con l'obiettivo di verificare la stabilità strutturale Il modello è generalmente suddiviso in due zone di cui la superiore è interessata dagli effetti della combustione (fumi e gas della combustione). Le variabili misurate sono mediate sull'unica zona superiore

5 Vantaggi: Modelli a zone Brevi tempi di modellazione Brevi tempi di calcolo Valutazione rapida di fumi e temperature Manuale di 10 pagine Svantaggi: Valutazione grossolana di fumi e temperature Modellazione rudimentale (gli ambienti sono schematizzati come cubi vuoti) Non fornisce parametri significativi per la valutazione dell'esodo Sconsigliato per ambienti la cui altezza non é confrontabile con le altre dimensioni

6 Modelli CFD CFD = Computational Fluid Dynamics (fluidodinamica numerica) La CFD è una materia che si propone di risolvere problemi termo-chimico-fisici in cui siano coinvolti fluidi. La CFD non si propone necessariamente di simulare virtualmente ciò che avviene realmente, ma ha come obiettivo quello di implementare gli effetti di un determinato fenomeno fisico, in modo tale che GLI EFFETTI FINALI SIMULATI SIANO EQUIVALENTI A QUELLI REALI.

7 Modelli CFD Vantaggi: Livello di rappresentazione degli scenari più aderente alla realtà Valutazione dettagliata degli effetti della simulazione Le variabili misurabili possono essere infinite Svantaggi Tempo di modellazione elevato Tempo di calcolo molto elevato Potenza di hardware elevata Elevata quantità di dati da processare

8 Modelli CFD - esempi di output Densità di particolato solido (sd) per t=t1, con un fondo-scala graduato (sd_min sd_max). Particolare propagazione fumi.

9 Modelli CFD - esempi di output Campo di temperatura (T) per t=t2, con un fondo-scala graduato (T_min T_max). Particolare innesco.

10 Modelli CFD - esempi di output Campo di velocità (v) per t=t3, con un fondo-scala graduato (v_min v_max). Influenza geometria del ceiling.

11 Modelli CFD CFD models should not be used as black boxes. One should have a good understanding of the underlying numerics to avoid generating results that are pretty pictures but not accurate. (Jason Floyd).

12 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

13 Tipo di solutore Modellazione numerica NAVIER-STOKES EQUATIONS. Risolve direttamente le equazioni di Navier-Stokes; a causa dell'alta complessità è praticamente quasi mai utilizzabile (potenze di calcolo richieste spesso non disponibili) (DNS). FLUSSO POTENZIALE; STRATO LIMITE (LES) ; etc. RANS (REYNOLDS AVERAGED NAVIER-STOKES equations). Risolve una forma approssimata delle equazioni di Navier-Stokes. Per chiudere il problema ha bisogno di introdurre un modello prettamente numerico (modello di turbolenza) che influenza i risultati dell'integrazione. Ogni solutore è caratterizzato dal tipo di equazioni che risolve, dai modelli che utilizza per far questo, dalle caratteristiche di complessità del set-up iniziale nonchè dei risultati e, soprattutto, dalla precisione, completezza e facilità di utilizzare gli outputs.

14 Modellazione numerica Macchina disponibile Il solutore deve essere compatibile con la potenza di calcolo disponibile, e deve essere scelto anche tenendo conto della possibilità di effettuare calcoli di tipo MPI, RAM. La RAM disponibile influenza la quantità di dati che può essere memorizzata sia durante il calcolo, che come risultato in output. CPU e TEMPI DI CALCOLO. Ordine di grandezza numero di celle. Dovrebbe essere effettuata una analisi di sensibilità della soluzione alla griglia di calcolo,

15 Modellazione numerica Modello di turbolenza Il modello di turbolenza è uno strumento esclusivamente numerico. DNS. Modello di turbolenza più complesso e completo. Richiede risorse computazionali e temporali molto alte. LES. LARGE EDDY SIMULATION. Vengono considerati solo i vortici la cui scala è confrontabile con quella del problema numerico. KAPPA-EPSILON. KAPPA è l'energia cinetica della turbolenza ed EPSILON è il rateo di dissipazione.

16 Modellazione numerica Dimensioni della Mesh (Delta x) Delta x, con Delta t, è il parametro numerico più importante. Influenza la precisione e il livello di dettaglio dei risultati, la convergenza della soluzione e la stabilità dell'integrazione numerica. Solitamente Delta x è fisso ed è stabilito dall'utente, mentre Delta t è calcolato ad ogni iterazione dal software. In alcuni casi, esistono degli algoritmi che permettono di determinare il Delta x ottimale, che dipende dai valori di alcune grandezze termo-fisiche che governano il problema. Il valore di Delta x così determinato può essere non un valore assoluto, ma un intervallo all'interno del quale la soluzione può essere più o meno raffinata.

17 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

18 Set-up preliminare del sistema Tipo di solutore scelto: RANS. I software di tipo RANS sono diversi, e possono essere di tipo general purpose (Fluent, Star-CD) o per una applicazione specifica. E' stato scelto il software ritenuto migliore per il problema in esame (FDS+EVAC) Macchina disponibile: Cluster IBM 24 processori in parallelo, GB di RAM Per il modello di turbolenza occorre fare una analisi di sensibilità. Per la dimensione della mesh occorre fare una analisi di sensibilità

19 MODELLO VIRTUALE DELL'AMBIENTE Dominio computazionale. Geometria esterna complessiva. Dimensioni massime [m]: 29 x 9 x 4.

20 MODELLO VIRTUALE DELL'AMBIENTE Particolare geometria interna. Innesco, arredi, banco bar. Vista da poppa.

21 MODELLO VIRTUALE DELL'AMBIENTE Particolare geometria interna

22 MODELLO VIRTUALE DELL'AMBIENTE Particolare geometria interna

23 MODELLO VIRTUALE DELL'AMBIENTE In base ad esso, e al software scelto, si sono poste una serie di scelte da effettuare Approssimazione geometrica di alcuni particolari (dipendente anche da Deltax) Scelta di modelli legati alla combustione Scelta di modellazione di fenomeni legati all'evento fuoco

24 Dimensione della mesh. Algoritmo per il calcolo della dimensione ottimale: Delta x (range) = cm. a) 6 cm b) 12 cm c) 24 cm

25 Tempo di simulazione Parametro che può essere modificato anche in una fase successiva, ma è bene definire all'inizio e mantenere il suo valore per potere effettuare stime sui tempi-macchina necessari. 900 secondi (15 minuti).

26 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

27 Modellazione fisico-chimica Caratteristiche geometriche Caratteristiche termo chimiche Curva rilascio termico Caratteristiche termofisiche

28 Caratteristiche geometriche MODELLAZIONE CEILING PIANO. Semplice da realizzare, ottimizzato per ogni valore di Deltax. REALE. Complesso da realizzare. Da ottimizzare per i diversi valori di Deltax. Per valori troppo elevati, non può essere modellato. Il problema si pone in quanto la caratteristica conformazione del ceiling potrebbe indirizzare in modo preciso i flussi di fumi caldi, piuttosto che una superficie piana. APPROSSIMAZIONE DIMENSIONE SOLIDI Tutti le pareti, gli oggetti, le aperture, devono avere dimensioni multiple di Deltax.

29 Caratteristiche termo-chimiche MODELLO DI COMBUSTIONE MF (MIXTURE FRACTION). Calcola l'immissione di "fuel gases" nel campo fluidodinamico a partire dalla superficie di origine (innesco), attraverso i processi di combustione e reazione chimica. FR (FINITE RATE). Ogni specie chimica coinvolta nella combustione è definita individualmente e trattata separatamente dalle altre. E' molto costoso e complicato. Tipo di reazione chimica di ossidazione.

30 Curva di rilascio termico. SPERIMENTALE. Dati disponibili da esperimenti effettuati presso il BFRL (Building and Fire Research Laboratory) del NIST (National Institute of Standards and Technology) e riportati sull'sfpe Handbook of Fire Protection Engineering. TEORICA. Curva di tipo alpha_t_square, con dati di rateo di crescita e picco di HRR dall'sfpe Handbook; il valore massimo è tenuto costante fino a fine simulazione. Essa è relativa ad una determinata tipologia di divano in poliuretano.

31 Curva di rilascio termico Confronto curva sperimentale vs curva teorica (alpha, t0, HRR_max).

32 Caratteristiche termo-fisiche Tipologia dei materiali Comportamento termico dei materiali

33 TIPOLOGIA DI MATERIALI Valori di input Materiali non combustibili. densità, calore specifico, conducibilità, emissività. Materiali combustibili temperatura di ignizione, calore di combustione, potenza termica rilasciata. Valori adottati Sono stati attinti dall' SFPE Handbook of Fire Protection Engineering

34 Comportamento termico dei materiali Occorre definire quali materiali partecipano alla combustione. Quali sono i prodotti che sviluppano. Nei casi incerti potrebbe essere scelto il caso peggiore ai fini dell'esodo delle persone.

35 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

36 Modellazione operativa Condizioni operative Esodo Variabili da indagare Mappa dei sensori

37 Condizioni Operative E' stata valutata l'influenza del meccanismo di chiusura delle serrande dei supply con le due seguenti modalità: Modalità di chiusura supply: SIMULTANEA A 60 C Modalità di chiusura supply: INDIPENDENTE A 80 C

38 ESODO Tipologie di persone coinvolte Tempi di reazione delle diverse tipologie di persone Velocità di esodo delle diverse tipologie di persone Disposizione delle persone (definita dall'utente) Per tener conto della casualità degli umani, tutte le caratteristiche ad essi associate sono caratterizzate da: valore medio, valore minimo, valore massimo; la distribuzione di valori è di tipo gaussiano standard

39 ESODO L'accoppiata esodo-fumi produce risultati specifici, che un normale software di esodo non potrebbe in alcun modo determinare

40 Disposizione iniziale

41 Traiettorie d'esodo

42 Traiettorie d'esodo

43 Tipologia di persone

44 Variabili da indagare Parametri legati al metabolismo umano FED CO CO2 O2 HCN Particolato solido Parametri legati al campo fluidodinamico Velocità Pressione Densità Temperatura

45 Variabili da indagare Parametri legati alla combustione e al rilascio di energia HRR Burning Rate Flussi termici Radiant Intensity Pirolizzazione del combustibile

46 Mappa sensori variabili da indagare Piani orizzontali e verticali (risultato grafico) Sensori per la temperatura Sensori per la visibilità Sensori per il flusso radiante Sensori per la concentrazione di ossigeno Sensori per la concentrazione delle specie tossiche I sensori sono disposti in prossimità del ceiling, degli oblo, delle fire stations, e delle uscite.

47 Sensori a soffitto

48 Sensori Fire Station e Porta

49 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

50 Fase di verifica congruità del modello SIMULAZIONE VALIDAZIONE MODELLO (SERIE ALPHA) OBIETTIVO. Valutare la coerenza e la plausibilità dei risultati, nonchè l'effettiva diversità tra i risultati delle diverse simulazioni. Sono state valutate diverse combinazioni tra tipologia di materiali, modello di combustione, cura di rilascio termico, meccanismo di chiusura delle vents di supply. Per semplicità il ceiling è stato modellato come piatto, Deltax=24 cm.

51 Fase di verifica congruità del modello PARAMETRI FISSI. Ceiling (piatto), LES, Deltax 0.24, 3 (1+2) divani combustibili. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico, modello di combustione, meccanismo di chiusura supply. La serie alpha è composta da otto simulazioni: alpha 1 - MF - EXP - IND alpha 2 - MF - EXP - NOT alpha 3 - FR - EXP - IND alpha 4 - FR - EXP - NOT alpha 5 - MF - TEO - IND alpha 6 - MF - TEO - NOT alpha 7 - FR - TEO - IND alpha 8 - FR - TEO -NOT

52 ANALISI RISULTATI I risultati dipendono dai parametri valutati e sono coerenti con la realtà. IL MODELLO FUNZIONA CORRETTAMENTE Esempio campo di T=T(t); 4 sensori; alpha2 vs alpha1.

53 ANALISI RISULTATI Esempio campo di T=T(t); 4 sensori; alpha2 vs alpha4.

54 ANALISI RISULTATI Esempio campo di T=T(t); 4 sensori; alpha2 vs alpha6. Occorre quindi definire una serie di valutazioni e verifiche per studiare l'influenza dei parametri/fenomeni inclusi nel modello.

55 Simulazione - Fase preliminare Modelli disponibili Modellazione numerica Set-up preliminare del sistema Modellazione fisico-chimica Modellazione operativa Fase di verifica della congruità del modello Definizione della serie di simulazioni

56 SERIE BETA SERIE: BETA OBIETTIVO. Analisi di sensibilità (ALPHA 24 cm, BETA 12 cm, KAPPA 6 cm). Valutazione del meccanismo di chiusura supply. PARAMETRI FISSI: Ceiling piatto, Deltax 0.12, LES, 3 (1+2) divani combustibili. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico, modello di combustione, meccanismo di chiusura supply. SIMULAZIONI: beta 1 - MF - EXP - IND beta 2 - MF - EXP - NOT beta 3 - FR - EXP - IND beta 4 - FR - EXP - NOT beta 5 - MF - TEO - IND beta 6 - MF - TEO - NOT beta 7 - FR - TEO - IND beta 8 - FR - TEO -NOT

57 SERIE KAPPA OBIETTIVO. Analisi di sensibilità (ALPHA 24 cm, BETA 12 cm, KAPPA 6 cm). Valutazione del meccanismo di chiusura supply. PARAMETRI FISSI: Ceiling piatto, Deltax 0.06, LES, 3 (1+2) divani combustibili. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico, modello di combustione, meccanismo di chiusura supply. SIMULAZIONI: kappa 1 - MF - EXP - IND kappa 2 - MF - EXP - NOT kappa 3 - FR - EXP - IND kappa 4 - FR - EXP - NOT kappa 5 - MF - TEO - IND kappa 6 - MF - TEO - NOT kappa 7 - FR - TEO - IND kappa 8 - FR - TEO -NOT

58 SERIE BETA E KAPPA CONCLUSIONI. Il meccanismo di chiusura supply influenza notevolmente i risultati. Si opta per quello più vicino alla realtà o comunque peggiorativo ai fini della valutazione della FED e quindi dell'esodo delle persone. SCELTE. Meccanismo di chiusura supply NOT. DIMENSIONE DELLA MESH: 0.12 m.

59 SERIE THETA OBIETTIVO. Valutazione modello di turbolenza, da ottenere come confronto con la SERIE ALPHA. PARAMETRI FISSI: Ceiling piatto, Deltax 0.24, DNS, 3 (1+2) divani combustibili. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico, modello di combustione, meccanismo di chiusura supply. SIMULAZIONI: theta 1 - MF - EXP - IND theta 2 - MF - EXP - NOT theta 3 - FR - EXP - IND theta 4 - FR - EXP - NOT theta 5 - MF - TEO - IND theta 6 - MF - TEO - NOT theta 7 - FR - TEO - IND theta 8 - FR - TEO -NOT

60 SERIE THETA CONCLUSIONI. Il meccanismo di chiusura supply influenza notevolmente i risultati. Si opta per quello più vicino alla realtà o comunque peggiorativo ai fini della valutazione della FED e quindi dell'esodo delle persone. SCELTE. Modello di turbolenza: LES

61 Valutazione tempi di calcolo Dipende da numero di celle (Deltax), Deltat, quantità di dati da memorizzare, modelli utilizzati (DNS o LES, MF o FR, ecc.), tipologia di flusso (HRR exp o teo). In linea teorica, con un rapporto di Deltax 2:1, i tempi di calcolo attesi sono del tipo 1:16

62 Valutazione tempi di calcolo Valutazione preliminare tempo di calcolo: retta con pendenza 16.

63 SERIE GAMMA OBIETTIVO. Valutare se la modellazione del ceiling influenza i risultati (confronto SERIE BETA-SERIE GAMMA). Scegliere il modello di combustione. PARAMETRI FISSI: Ceiling modellato, Deltax 0.12, LES, 3 (1+2) divani combustibili, meccanismo di chiusura supply: NOT. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico, modello di combustione. SIMULAZIONI: gamma 2 - MF - EXP - NOT gamma 4 - FR - EXP - NOT gamma 6 - MF - TEO - NOT gamma 8 - FR - TEO -NOT

64 SERIE GAMMA CONCLUSONI. La geometria del ceiling influenza notevolmente i risultati. Il modello MF dà risultati più realistici e più conservativi in relazione alla valutazione dell'esodo delle persone, oltre che numericamente più sstabili, robusti e convergenti. SCELTE. Modello di combustione: MF. Modellazione ceiling: reale.

65 SERIE EPSILON OBIETTIVO. Valutare i risultati in seguito a variazioni del carico combustibile (confronto SERIE EPSILON - SERIE GAMMA) PARAMETRI FISSI: Ceiling modellato, Deltax 0.12, LES, MF, 10 (1+9) divani combustibili, meccanismo di chiusura supply: NOT,. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico. SIMULAZIONI: epsilon 2 - MF - EXP - NOT epsilon 6 - MF - TEO - NOT

66 SERIE EPSILON CONCLUSONI. Il carico combustibile influeza notevolmente la produzione di specie tossiche, e quindi le concentrazioni di ossigeno e gas che influiscono sul metabolismo umano durante le fasi di esodo. Occorre quindi schematizzare tutti i divani come combustibili, per tener conto della quantità di tossicità massima che potrebbe essere prodotta. SCELTE. Numero di divani combustibili: 1+9.

67 SERIE ETA OBIETTIVO. Scegliere una curva di rilascio termico. Valutare l'influenza di gaps sul ceiling per il possibile deflusso di una minima quantità di fumi. PARAMETRI FISSI: Ceiling modellato, Deltax 0.12, LES, MF, 10 (1+9) divani combustibili, meccanismo di chiusura supply: NOT, ceiling gaps. PARAMETRI VARIABILI: Curva di rilascio termico. SIMULAZIONI: eta 2 - MF - EXP - NOT eta 6 - MF - TEO - NOT

68 SERIE ETA CONCLUSONI. I gaps influenzano notevolmente i risultati. Occorre infatti ottimizzare la loro superficie e la loro posizione. La curva di rislascio termico più consona al caso in esame è quella TEO (di tipo alpha_t_square) in quanto conservativa per l'obiettivo generale riguardo l'esodo delle persone. SCELTE. Curva di rilascio termico: TEO.

69 SERIE IOTA OBIETTIVO. Ottimizzazione del livello di dettaglio. Scelta delle posizione e delle tipologie di celing gaps conseguentemente ai risultati della SERIE ETA: PARAMETRI FISSI: Ceiling modellato, Deltax 0.12, LES, MF, 10 (1+9) divani combustibili, meccanismo di chiusura supply: NOT, ceiling gaps. PARAMETRI VARIABILI: nessuno. SIMULAZIONI: iota 6 - MF - TEO - NOT CONCLUSIONI. Il flusso sembra essere ottimale per la seguente valutazione dell'esodo. Occorre valutare diverse condizioni operative per poter confrontare diverse dosi di tossicità. SCELTE: nessuna.

70 SERIE LAMBDA E' stata così definita la serie lambda, caratterizzata da parametri descritti in precedenza, che si propone di valutare il variare delle condizioni di esodo al variare delle condizioni operative.

71 Agenda I due approcci alla sicurezza antincendio Riferimenti Normativi Il processo di applicazione della FSE Simulazione - Fase preliminare Simulazione - Fase operativa Simulazione - Risultati

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