LOCAFI+ Experimenty a modely lokálního požáru

Transkript

1 LOCAFI+ Temperature assessment of a vertical member subjected to LOCAlised Fire, Dissemination Stanovení teploty svislých prvků vystavených lokálnímu požáru Projekt č Experimenty a modely lokálního požáru

2 Motivace Seznámit s výsledky Experimentů Modelování Dynamikou plynů Analytickými modely v projektu LOCAFI 2

3 Obsah prezentace Úvod Experimenty FCD model Validace Nomogramy radiace teplotního pole Analytický model Obecný a zjednodušený Validace Shrnutí 3

4 Modelování požáru Úvod Lokální požár Bez prostorového vzplanutí Požár pouze lokální Z Prostorové vzplanutí Požár zachvátí celý požární úsek Z H Q C m U, T U, V U, E U, U Upper layer mout,u H Q C p = f(z) ZS ZP Q R Q m p p min,l m OUT,L Z P Q R m, T, V, E, (Z) Q C+R,O m OUT LOKÁLNÍ POŽÁR 0 min,l m L, T L, V L, E L, L Lower layer PROSTOROVÝ POŽÁR m IN,L 0 Fire: RHR, combustion products 4

5 Lokální požár Úvod D 3.91 m mf 10.7 c 35 W m 2 K Heskestad model Plameny nedosahují ke stropu Hasemi model Plameny dosahují ke stropu Příloha C v EN :2005 5

6 Sloup vystavený sálání lokálního požáru Úvod Plameny nedosahují ke stropu Osa požáru Plameny dosahují ke stropu Ocelobetonová deska H L f Nosník q g Y z D Sloup vystaven sálání Y = výška oblasti bez kouře 6

7 Zkoušky v Liège Sálání tepla z požáru 24 zkoušek Měnilo se Experimenty Průměr požáru (0,6 m, 1,0 m, 1,4 m, 1,8 m a 2,2 m) Hořlavina (nafta a N-heptan a celulóza) Plocha sloupu Pro každý průměr a dvě hořlaviny byl připraven Jeden sloup mimo požár Jeden sloup ve středu požáru 7

8 Zkoušky v Liège Zkušební sestava Experimenty Dvě nádrže s heptanem a naftou hořáky se plnily gravitací Rychlost rozvoje požáru kontrolována ručně Pro zajištění stálého hoření, nádrž chlazena vodou 8

9 Zkoušky v Liège Experimenty Měření výšky plamene Průměrná výška plamene L je definovaná jako vzdálenost nad zdrojem hoření, kde se plameny přerušují na polovinu, přerušování plamenů I(z) je definováno časem s a bez plamene. K měření digitální kamera Rozdíl mezi změřenou a předpovězenou výškou plamene v Heskestad modelu byl +30% a -30%, což odpovídá nejistotám účinnosti hoření a výhřevnosti. N. Tondini, J.M. Franssen, Analysis of experimental hydrocarbon localised fires with and without engulfed steel members, Fire Safety Journal 92 (2017),

10 Zkoušky v Liège Experimenty Měření teploty a plamenů Ustálený stav Měřilo se do ustáleného stavu teploty a sálání Ve sloupu se měřil termočlánky rozvoj teploty 10

11 Zkoušky v Liège Experimenty Změřené teploty a sálání 500 Model v EN dobře předpovídá teplotu plamene (q g > 500 C) a oblaku hořících plynů (q g < 500 C) 11

12 Zkoušky v Ulsteru Sálání na prvky mimo lokální požár 58 zkoušek Experimenty Měnilo se Bez stropu 37 a se stropem 21 Počet zdrojů (od 1 po 4) a průměr zdroje (průměry 0,7 m a 1,6m) Hořlavina (nafta a kerozin a celulóza) Konstrukce 9 m x 9 m sestávala ze tří průřezů sloupů (průřezy I, H a dutý) Průběh HRR měřen kalorimetrem v odtahu Délka plamenů měřena kamerou a vyhodnocena pravděpodobnost 12

13 Experimenty Zkoušky v Ulsteru Změřená teplota plamene Zkoušky potvrdily, že Heskestad model v EN přeceňuje teplotu plamene (q g > 500 C) a oblaku hořících plynů (q g < 500 C) 13

14 Experimenty Zkoušky v Ulsteru Změřená teplota plamene Zkoušky potvrdily, že Heskestad model v EN přeceňuje teplotu plamene (q g > 500 C) a oblaku hořících plynů (q g < 500 C) 14

15 Experimenty Zkoušky v Ulsteru Změřená teplota plamene Zkoušky potvrdily, že Heskestad model v EN přeceňuje teplotu plamene (q g > 500 C) a oblaku hořících plynů (q g < 500 C) 15

16 Zkoušky v Ulsteru Experimenty Výsledky zkoušky O8 Počet zdrojů 1 Velikost zdroje 1,6 m Palivo kerozin Objem 60 l Vzdálenost ke zdroji 0 m Termočlánky na sloupu po 1.5 m Bez stropu 16

17 FDS (NIST) FCD model Použito Model turbulence (Smagorinski, C s = 0,1) vlastnosti paliva a vydatnost plamene z literatury Počet úhlů sálání 200 Radiační ztráty 0,2 až 0,5 podle paliva a průměru ohně Vítr podle změřených rychlostí Velikost sítě hrubá Příklad změny sálání vlivem nedostatečného počtu radiačních úhlů 17

18 Validace FCD modelu D = 1 m, Heptan, bez sloupu - test ULG 06 Průměrný přívod paliva q fuel 0.98 l/min Měrná hmotnost paliva ρ 675 kg/m 3 Vydatnost plamene y soot Ideální spalovací teplo H c,ideal kj/kg Spalovací teplo H c kj/kg RHR stanovené pro H c,ideal kw (626.1 kw/m 2 ) Velikost CFD modelu 5,75 m x 3 m x 4 m Velikost sítě 5cm x 5 cm x 5 cm Rychlost větru 0,22 m/s Ztráta radiací 0,45 (SFPE) 18

19 T ( C) Validace FCD modelu D = 1 m, Heptan, bez sloupu - test ULG 06 ULG - T06 - Vertical temperature vs Height Výška x teplota CFD AXIS EXP AXIS CFD 15 cm EXP 15 cm Height (m) 19

20 T ( C) Validace FCD modelu D = 1 m, Heptan, bez sloupu - test ULG 06 ULG - T06 - Horizontal temperature vs Distance - 1st Level Teplota x vzdálenost CFD RIGHT EXP RIGHT CFD LEFT EXP LEFT Distance from pool fire axis (m) 20

21 Radiative heat flux (kw/m 2 ) Validace FCD modelu D = 1 m, Heptan, bez sloupu - test ULG 06 Sálání x vzdálenost ULG - T06 - Radiative Heat Flux vs Distance EXP 14 CFD +ve Angle CFD -ve Angle Distance (m) 21

22 Validace FCD modelu D = 0,7 m, nafta, strop 3,5 m - zkouška O29 Průměrný přívod paliva q fuel 823 kg/m 3 Měrná hmotnost paliva ρ 0,10 Vydatnost plamene y soot kj/kg Ideální spalovací teplo H c,ideal kj/kg Spalovací teplo H c 491,5 kw (1 277,1 kw/m 2 ) Velikost CFD modelu 7,m x 7,m x 3,5,m Velikost sítě 50 mm x 50 mm x 50 mm Rychlost větru 0,76 m/s Ztráta radiací 0,45 (SFPE) 22

23 Validace FCD modelu D = 0,7 m, nafta, strop 3,5 m - zkouška O29 CHS219x10 T F O29 1 m B 1 m GG B = Bottom Side T = Top Side F = Front Side wind z (m) CFD RHFG GG (kw/m 2 ) EXP GG (kw/m 2 ) Chyba (%)

24 Teplotní pole Nomogramy radiace teplotního pole - Pro výpočet pomocí zónového modelu (Ozone) - Interpolací širší rozsah konfigurací požáru - Možnost verifikace modelů D = 2 m, RHR = 500 kw/m 2 q = 0 q = 90 24

25 Studie teplotního pole Nomogramy radiace teplotního pole o Nomogram o Průměr požáru (m) o RHR (kw/m 2 ) o Orientace ozařované plochy ( ) Povrch 1 : q = 0 Povrch 2 : q = 90 n 1 n 2 o Pouze radiace o Emisivita plamene 1,0 O D 25

26 Využití nomogramu Nomogramy radiace teplotního pole o Charakteristiky lokálního požáru - D = 10 m - RHR : 500 kw/m 2 o Pozice - Z = 5m - X = 10 m - Orientace : 0 Přijatý tepelný tok asi 16 kw/m 2 26

27 Využití nomogramu Nomogramy radiace teplotního pole o Charakteristiky lokálního požáru - D = 10 m - RHR : 500 kw/m 2 o Pozice - Z = 5 m - X = 10 m - Orientace : 90 Přijatý tepelný tok asi 2,4 kw/m 2 27

28 Analytický model sálání z plamene Analytický model Plocha požáru jako kruh Rychlost rozvoje požáru ČSN EN Přílohy E D fire = 4. S π Délka plamene L f ČSN EN Přílohy C L f (t) = 1,02 D fire + 0,0148 Q(t) 0,4 Sálání z válce nebo kužele s D eq a L f RHR (MW) V požáru HRR max řízený palivem nebo ventilací Válcový model Kuželový model Parabolický Konstantní L f Konstantní teplota θ(z) lineární Čas D eq D eq 28

29 Plamen nedosahuje stropu L f < H stropu Analytický model Válcový model Kuželový model θ f (z) θ f (z) L f L f z z D eq D eq θ f z = min 900; ,8Q t Τ 2 3 z z0 Τ 5 3 z 0 = 1,02 D fire + 0,00524 Q t

30 Plamen dosahuje stropu L f > H stropu Analytický model Válcový model Kuželový model θ f (r) L h r θ f (r) L h r H stropu z θ f (z) z θ f (z) D eq D eq θ f z = min 900; Q t z 0 = 1.02D fire Q t 0.4 2Τ3 z 5Τ3 z0 θ f r h (r) splňuje L h t H 2. 9Q( t) 1 počítáno modelem Hasemi h ( r) H 4 4 q f ( r) q ( r) 20 f 30

31 Radiační tepelný tok Analytický model Vyzářený povrchem da 1 a přijatý povrchem da 2 da1 da 2 = α 2 ε 1 σ. T 4 cos θ 1 cos θ 2 da 1 da 2 πr 2 - Emisivita vyzařujícího povrchu 1 ) rovna 1,0 - Absorpční schopnost 2 ozařovaného povrchu - Kirchoffův zákon absorpční schopnost ( ) = emisivita ( ) - Pro ocel, = = 0,7 Vyzářený radiační tepelný tok Odražený tepelný tok Absorbovaný tepelný tok 31

32 Svislé části konstrukce Analytický model Modelování svislé části konstrukce 3D pohled Zastínění Uvažuje se konvexní délka obvodu Pro I- nebo H-průřez s příloha GČSN EN ŘEZ Plocha i Ekvivalentní obdélníková průřez 32

33 Analytický model Obecný model Numerická integrace o Po krocích je počítána radiační výměna tepla o Pro reálné aplikace program o Zahrnuje nerovnoměrné radiační toky na obvod průřezu 33

34 Zjednodušený model Analytický model Součinitel sálání nekonečně malé plochy na válec x s Y² B + 1 cos 1 A 1 C B cos 1 C + B 1 y da 1 A 2 r h F da1 A 2 = S B S 2Bπ S = sτr X = xτr H = hτr A = X 2 + Y 2 + S 2 B = S 2 + X 2 C = H Y ² Y A + 1 Y² B + 1 cos 1 A 1 ² + 4Y² B A 1 C C + B + 1 C B + 1 C + B 1 ² + 4C cos 1 B C + B 1 +Hcos 1 1 B Platí pokud rovina da 1 neprotíná válec 34

35 Zjednodušený model Analytický model Součinitel sálání nekonečně malé plochy na válec A 2 r 1 r 2 l h da 1 F da1 A 2 = H 2 H = R = hτl rτl H² + R H² + R ² 4R H² + R H² + R ² 4R 1 Platí pouze pokud l > r 2 35

36 Rozdělení požáru po výšce kužele/válce na prstence Analytický model Plamen nedosahuje stropu L f < H stropu nebo strop není Prstenec b i s konstantní teplotou θ(z i ) Plamen dosahuje stropu L f > H stropu Prstenec b i s konstantní teplotou θ(r i ) Plocha i Plocha i Prstenec b i s konstantní teplotou θ(z i ) Příspěvek prstence je malý, pokud není prvek umístěn v prstenci 36

37 Rozdělení požáru po výšce kužele/válce na prstence Analytický model Kónický plamen Oříznutí kužele Válce a prstence Příspěvek prstenců zanedbán zanedbán tepelný tok nad ohněm 37

38 Rozdělení požáru po výšce kužele/válce na prstence Analytický model Průsečík nevznikne Průsečík Plocha 1 Plocha 2 Plocha 4 Průsečík Pokud ozařovaná plocha protíná válec vztahy neplatí 38

39 Analytický model 4.3. Zjednodušený model Rozdělení požáru po výšce kužele a válce na prstence (Přizpůsobení 2) skrytá zóna Pohled shora viditelná zóna Modelování Plocha 4 Modifikace válce 3D pohled V tomto případě se počáteční válec transformoval na upravený válec ve viditelné zóně. 39

40 Rozdělení požáru po výšce kužele/válce na prstence Analytický model r zi_přizpůsobeno r zi+1_přizpůsobeno r zi+1 r zi 3D pohled Půdorys Část prstenců, která je zakryta válcem umístěným nad, se redukuje. 40

41 Omezení modelu Analytický model o Doporučená šířka válce je 500 mm o Pro prvky umístěné pod stropem započítán konvekční tepelný tok Hasemi modelem o Celkový přijatý tepelný tok omezen na 100 kw/m 2 o Teplota prvku na základě tepelné bilance ሶ h tot = min hሶ rad_section + hሶ conv ; [W.m -2 ] ρc p T dt dt = A m V ሶ h zj + α c 20 θ + ε σ θ [W.m -2 ] Pro prut ρ hustota [kg/m 3 ] C p měrná tepelná kapacita [J.kg -1.K -1 ] A m /V součinitel průřezu [m -1 ] 41

42 Validace analytického modelu Validace na zkouškách v Liege Verifikace na FDS modelu o Měřící bod umístěn 3,75 m od zdroje požáru ve výšce 1,75 m o Orientace kolmo na osu požárního měřiče Průměr Experiment průměrná hodnota Zkouška č. Válcový požár Kónický požár [m] [kw/m²] [-] [kw/m²] [kw/m²] to to to to to

43 Validace analytického modelu Validace na zkouškách v Ulsteru Verifikace na FDS modelu 43

44 Validace analytického modelu Validace na zkouškách v Ulsteru Verifikace na FDS modelu Pozice měřiče Modely Exp. Výška Vzdálen. FDS Válcový Kuželový m m kw/m² kw/m² kw/m² kw/m² 1 zdroj D = 0,7 m Měření 0,5/1,8 m 1,0 0,5 30,6 28,5 74,0 39,0 1,0 1,8 4,2 3,8 10,8 6,0 2,0 0,5 6,2 11,2 22,0 5,9 2,0 1,8 2,3 2,6 6,7 3,3 44

45 Validace analytického modelu Validace na zkouškách v Ulsteru Verifikace na FDS modelu Pozice měřiče Modely Exp. Výška Vzdál. FDS Válcový Kuželový 1 zdroj D = 0.7 m Měření 1.0/1.6 m m m kw/m² kw/m² kw/m² kw/m²

46 Validace na zkouškách v Ulsteru Verifikace na FDS modelu Validace analytického modelu Pozice měřiče Model 3 zdroje D = 0.7 m Měření 1.0 m Výška Vzdál. Exp. FDS Válcový Kuželový m m kw/m² kw/m² kw/m² kw/m²

47 Validace na zkouškách v Ulsteru Verifikace na FDS modelu Validace analytického modelu Pozice měřiče Modely Výška Vzdál. Exp. FDS Válcový Kuželový m m kw/m² kw/m² kw/m² kw/m² 1 zdroj D = 1.6 m Měření 1.5 m

48 Validace zjednodušeného analytického modelu Pro velké průměry požáru, LCPP testy z literatury 48 48

49 Shrnutí o Projekt LOCAFI přináší výpočet teploty sloupu, který je vystaven sálání od lokálního požáru o Rozložení teploty na obvodu tělesa požáru se uvažuje podle vztahů Přílohy C v EN :2005 o Radiace se počítá pomocí konfiguračního součinitele v příloze G v EN :2005 o Zjednodušený model je založen na vztazích pro radiační tepelný tok přijatý nekonečně malým povrchem z válců a prstenců o Konvekční tepelné toky je třeba vypočítat zvlášť o Konvekční tepelné toky jsou významné pouze pro prvky konstrukcí, které se nacházejí přímo v plameni nebo na úrovni stropu, viz příloha C normy EN :

50 LOCAFI+ Temperature assessment of a vertical member subjected to LOCAlised Fire, Dissemination Stanovení teploty svislých prvků vystavených lokálnímu požáru Projekt č Děkuji za pozornost