Application of computational fluid dynamics CFD for modeling of protection of premises by fixed gaseous extinguishing system Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

DOI: 10.12845/bitp.42.2.2016.16

kpt. mgr inz. Sylwia Boron1

ml. bryg. dr inz. Przemyslaw Kubica1

Przyjfty/Accepted/Принята: 10.05.2016; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 30.05.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.06.2016;

Zastosowanie numerycznej mechaniki plynow CFD do modelowania zabezpieczania pomieszczen stalymi urz^dzeniami gasniczymi gazowymi2

Application of Computational Fluid Dynamics CFD for Modeling of Protection of Premises by Fixed Gaseous Extinguishing System

Применение вычислительной гидродинамики для моделирования пожарной защиты помещений с помощью стационарных газовых установок пожаротушения

ABSTRAKT

Cel: W artykule podj^to problem bezpieczenstwa pozarowego pomieszczen chronionych instalaj stalych urz^dzen gasniczych gazowych. Zwi^kszenie precyzji i wiarygodnosci modelowania procesu gaszenia gazem gasniczym mozna osi^gn^c poprzez zastosowanie metod numerycznej mechaniki plynow CFD przy wykorzystaniu oprogramowania ANSYS FLUENT. Celem badan bylo opracowanie modelu numerycznego CFD wyplywu gazu gasniczego z przestrzeni chronionej i zbadanie z jego pomoc^ skutecznosci gasniczej okreslonych typow gazow.

Projekt i metody: W artykule przedstawiono propozyj numerycznego modelu przeplywu gazu gasniczego przez pomieszczenie. Zawarto takze opis badan eksperymentalnych i obliczen analitycznych przeprowadzonych w celu jego walidacji. Wskazano na przyklady praktycznego wykorzystania opracowanego modelu CFD do symulacji, ktorych wyniki mog^ wspomagac projektowanie stalych urz^dzen gasniczych gazowych.

Wyniki: Analiza porownawcza zebranych wynikow symulacji pozwolila wskazac model Standard k- e jako model zapewniaj^cy najwi^ksz^ zbieznosc wynikow z wynikami badan w skali rzeczywistej. Wartosci czasu retencji uzyskane w drodze symulacji byly blizsze wynikom rzeczywistym w porownaniu z wartosciami otrzymanymi na podstawie obliczen przeprowadzonych z wykorzystaniem modelu normowego. Wnioski: Modelowanie CFD umozliwia poddanie analizie mechanizmu przeplywu gazu przez pomieszczenie z wi^ksz^ dokladnosci^ niz dotychczas stosowane modele. Pozwala to na optymalizaj doboru rodzaju oraz ilosci gazu gasniczego z uwagi na czas retencji. Dobor gazu gasniczego o g^stosci mieszaniny zblizonej do g^stosci powietrza daje mozliwosc uzyskania czasu retencji przekraczaj^cego czas retencji otrzymany w przypadku zastosowania gazow wskazanych w obowiqzuj^cych normach. Zastosowanie modelowania CFD umozliwia prowadzenie badan przy wykorzystaniu przestrzeni wirtualnej, eliminuj^c przy tym niebezpieczenstwo zwi^zane z prowadzeniem prac pomiarowych stanowi^cych zagrozenie dla ludzi oraz redukuje koszty finansowe zwi^zane z wyladowaniem gazu.

Slowa kluczowe: stale urz^dzenie gasnicze gazowe, gaz oboj^tny, czyste srodki gasnicze, czas retencji, model przeplywu gazu przez pomieszczenie, numeryczna mechanika plynow CFD Typ artykulu: doniesienie wst^pne

ABSTRACT

Aim: The problem of fire safety of areas protected by fixed gaseous extinguishing system is discussed. Increasing the accuracy and reliability of the modeling of gas extinguishing process can be achieved by using methods of computational fluid dynamics CFD using ANSYS FLUENT software. The aim of the study was to develop a numerical CFD model of extinguishing gas flow of the protected space and to examine the extinguishing effectiveness of particular type of norm gases and newly proposed extinguishing gas mixtures with a density similar to the density of air, which significantly limited the phenomenon of outflow of gas from the room and allowed to get longer retention times. Project and methods: The paper proposes a numerical model of extinguishing gas flow through the room which was developed using ANSYS Fluent program, the description of experimental researches carried out in real scale and analytical calculations based on the norm model of gas flow through the room carried out to validate the created CFD model. Examples of practical use of CFD model for simulation, results of which can provide information to support the design of fixed gaseous extinguishing systems were presented.

Results: On the basis of a comparative analysis of the collected simulation results model Standard k-e was indicated as a model that provides the greatest convergence of test results in real scale. Retention times obtained by the computer simulation were closer to real scale results than the retention times obtained on the basis of calculation using the norm wide interface model.

Conslusions: The use of CFD modeling allows to review the mechanism of gas flow through the room with greater accuracy than previously

Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej w Warszawie / The Main School of Fire Service; Warsaw, Poland; sboron@sgsp.edu.pl;

Autorzy wniesli rowny wklad merytoryczny w powstanie artykulu / The authors contributed equally to this article; Artykul zostaly wyrozniony przez Komitet Redakcyjny / The article was recognised by the Editorial Committee;

D01:10.12845/bitp.42.2.2016.16

used models. This allows for optimal selection of the type and amount of extinguishing gas due to the retention time. Selection of extinguishing gas with the mixture density similar to air density, makes it possible to obtain a retention time exceeding the retention time of the gases specified in the applicable standards. The use of CFD modeling allows to conduct research using virtual space, eliminating the danger related to measurement process posing a threat to humans and reduce financial costs associated with the discharge of extinguishing gas.

Key words: fixed gaseous extinguishing system, inert gases, clean extinguishing agents, retention time, model of gas flow through the room, computational fluid dynamics CFD Type of article: short scientific report

АННОТАЦИЯ

Цель: Статья затрагивает проблему пожарной безопасности помещений, защащемых стационарными газовыми установками пожаротушения. Повышение точности и надежности процесса моделирования газового пожаротушения может быть достигнуто с помощью методов вычислительной гидродинамики (CFD), используя программное обеспечение ANSYS FLUENT. Цель исследования заключалась в разработке числовой модели CFD утечки огнетушащего газа из защищаемого пространства и изучение с ее помощью огнетушащей эффективности конкретных типов газов, предусмотренных стандартами, а также новой, предложенной авторами, смеси огнетушащего газа. Плотность предложенной смеси похожа на плотность воздуха, что значительно ограничивало явление утечки газа из помещения и позволяло получить более длительную ретенцию.

Проект и методы: В статье представлена числовая модель потока огнетушащего газа проходящего через помещение, разработанная при использовании программного обеспечения ANSYS Fluent. Указано также описание экспериментальных исследований в реальном масштабе, а также аналитических расчетов, на основе стандартной модели потока газа через помещение, проведенных с целью проверки разработанной модели CFD. Представлены также примеры ее практического использования для целей симуляций, результаты которых могут помочь получить полезную информацию для проектировки систем стационарных газовых установок пожаротушения.

Результаты: Сравнительный анализ собранных результатов симуляции позволил доказать, что Стандартная модель K-Epsilon является моделью, которая обеспечивает наибольшее соотвествие с результатами испытаний в реальном масштабе. Время ретенции, полученное в ходе компьютерных симуляций больше соответсвовало реальному, чем время, полученное на основе расчетов, сделанных при использовании стандартной модели с широким разграничением между огнетушащей смесью и поступающим в помещение потоком свежего воздуха.

Выводы: Использование моделирования CFD позволяет проанализировать механизм газового потока через помещение с большей точностью, чем раннее используемые модели. Это позволяет провести оптимальный выбор типа и количества огнетушащего газа относительно времени ретенции. Выбор огнетушащего газа с плотностью аналогичной плотности воздуха дает возможность получить время ретенции выше времени, полученного при использовании газов, указанных в соответствующих стандартах. Использование моделирования CFD позволяет проводить исследования в виртуальной реальности, одновременно устраняя опасности, связанные с выполнением измерительных работ, которые могут представлять угрозу для людей, а также снизить финансовые затраты, связанные с выбросом газа.

Ключевые слова: стационарная газовая установка пожаротушения, нейтральный газ, время ретенции, чистые гасящие средства, модель потока газа через помещение, вычислительная гидродинамика CFD Вид статьи: предварительный отчет

1. Wprowadzenie

Stale urzydzenia gasnicze gazowe (SUG-gazowe) dzialajy na zasadzie stlumienia pozaru i przerwania procesu spalania dzi^ki obecnosci gazu gasniczego. Stosowane sy do ochrony obiektów, w których zgromadzono mienie o duzej wartosci materialnej oraz tych, które wymagajy zachowania ciyglosci pracy znajdujycych si§ w nich urzydzeñ obj^tych ochrony.

Bezpieczenstwo pozarowe pomieszczen wyposazonych w stale urzydzenia gasnicze gazowe wynika w szczególno-sci z obecnosci gazu gasniczego, który powinien ugasic pozar natychmiast po wyladowaniu, a nast^pnie zabezpieczyc pomieszczenie przed ponownym rozwojem palenia. Czas, w którym st^zenie gazu gasniczego jest wystarczajyce by uniemozliwic wtórny pozar, nazywany jest czasem reten-cji. Wyplyw gazu gasniczego z pomieszczenia zwiyzany jest z róznicy cismen hydrostatycznych mi^dzy slupem powietrza na zewnytrz przestrzeni chronionej a slupem mieszaniny gasniczej wewnytrz. Róznica cisnien wynika przede wszystkim z róznicy g^stosci mieszaniny gasniczej oraz otaczajycego powietrza, co powoduje wyplyw mieszaniny gasniczej przez nie-szczelnosci w przegrodach pomieszczenia i wzrost st^zenia tlenu. Pomieszczenia chronione gazami powinny byc na tyle szczelne, by dostatecznie dlugo utrzymac wymagane st^zenie gazu gasniczego, czyli zapewnic wymagany czas retencji. Wy-dluzenie czasu retencji zwi^ksza prawdopodobienstwo prze-prowadzenia skutecznych dzialan ratowniczych i ugaszenia pozaru we wst^pnej fazie [1-3]. Zapobiega takze powstaniu

rozgorzenia w nast^pnych etapach pozaru np. w wyniku dzia-lania podwyzszonej temperatury.

Aktualnie obowiyzujyce normy dotyczyce SUG-gazo-wych wyrozniajy nast^pujyce modele wyplywu gazu z pomieszczenia:

• model z ostry granicy rozdzialu mi^dzy mieszaniny ga-sniczy a naplywajycym czystym powietrzem, obnizajycy si§ w czasie retencji [2];

• model z szeroky granicy rozdzialu mi^dzy mieszaniny gasniczy a naplywajycym czystym powietrzem, rozsze-rzajycy si§ w czasie retencji [1], [3];

• model z jednorodny mieszaniny gasniczy w calej przestrzeni chronionej, gdzie wraz z uplywem czasu maleje st^zenie gazu gasniczego w mieszaninie, pod warunkiem wyst^powania wymuszonego mieszania gazow w kuba-turze chronionej, np. za pomocy klimatyzatorow [1-3]. Prowadzone obecnie badania ukierunkowane sy na roz-

szerzanie oraz walidaj stosowanych modeli. Dzi^ki znacz-nemu post^powi, jaki dokonal si§ w nauce w zakresie metod projektowania przeplywu gazow gasniczych, w polyczeniu z rozwojem technologii numerycznej mechaniki plynow (ang. Computational fluid dynamics - CFD) oraz wzrostem wydajnosci obliczeniowej komputerow, otworzyly si§ nowe perspektywy badawcze, umozliwiajyce badanie stalych urzy-dzen gasniczych gazowych. Oprogramowanie do modelowa-nia przeplywu plynow ANSYS Fluent moze stac si§ nowym waznym narz^dziem inzynierskim w badaniach z zakresu SUG-gazowych. Program pozwala na modelowanie zjawisk

ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

zwi^zanych z przeplywami (spalanie, turbulencja, przeply-wy wielofazowe, reakcje chemiczne, przewodzenie ciepla, radiacja itp.), co daje mozliwosci prowadzenia szybkiego doboru gazu gasniczego do zabezpieczenia pomieszczenia o okreslonej charakterystyce. Ponadto program dysponuje szerokim wachlarzem modeli do symulowania zjawiska tur-bulencji zwi^zanego z wyladowaniem gazu gasniczego, takich jak: k-epsilon, k-omega, Reynolds Stress Model (RSM), Larg Eddy Simulation (LES), Detached Eddy Simulation (DES), Sacle-Adaptive Simulation (SAS). Oprogramowanie oferuje kompleksowy zestaw do modelowania konwekcji, przewo-dzenia ciepla i radiacji. Badania zwi^zane z wymian^ ciepla mog^ bye przeprowadzane przy wykorzystaniu m.in. modeli kawitacji, plynow scisliwych, wymiennikow ciepla, gazow rzeczywistych, pary mokrej, topnienia i krzepni^cia [4].

Metoda numeryczna mechaniki plynow CFD daje mozli-wose wirtualnego obrazowania ochrony pomieszczen stalymi urz^dzeniami gasniczymi gazowymi. Modelowanie wyplywu gazu z pomieszczenia chronionego istotnie poszerza mozliwosci poznawcze, w szczegolnosci te dotycz^ce wyznaczania czasu retencji i doboru gazu gasniczego.

Ta motywacja sklonila autorow do podj^cia badan wst^p-nych maj^cych na celu opracowanie modelu CFD przeplywu gazu gasniczego przez pomieszczenie, ktory zapewni wiary-godne wyniki pomiarow i pozwoli wyznaczae czas retencji z wi^ksz^ dokladnosci^ niz dotychczas stosowane modele.

2. Metody

Celem przeprowadzonych badan bylo stworzenie i zba-danie modelu przeplywu gazu gasniczego przez pomieszcze-nie przy wykorzystaniu odpowiednich metod numerycznych CFD. Opracowanie modelu wymagalo uprzedniego przepro-wadzenia badan eksperymentalnych oraz obliczen analitycz-nych, ktorych wyniki posluzyly do walidacji stworzonego modelu. Przedmiotem badan byl gaz normowy oraz nowo zaproponowana mieszanka gazu gasniczego o g^stosci zblizo-nej do g^stosci powietrza, ktora pozwolila w istotnym stopniu ograniczye zjawisko wyplywu gazu z pomieszczenia i uzyskac dluzsze czasy retencji.

Badania w skali rzeczywistej posluzyly do uzyskania nie-zb^dnych informacji na temat procesu przeplywu gazu przez pomieszczenie, dzi^ki czemu mozliwe bylo uzyskanie wyso-

D01:10.12845/bitp.42.2.2016.16

kiej wiarygodnosci modelowania. Badania przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym skladaj^cym si§ z:

• obudowy w ksztalcie prostopadloscianu, wykonanej z blachy stalowej, z otwieranym, przeszklonym frontem, stanowi^cej przestrzen chronion^ gazem gasniczym,

• ukladu podawania srodka gasniczego,

• ukladu do pomiaru st^zen i temperatur.

Wymiary przestrzeni chronionej wynosily: podstawa 0,6 m x 0,6 m, wysokosc 2,0 m, co dawalo obj^tosc 0,72 m3. Obudo-wa zostala uszczelniona na l^czeniach scian oraz w miejscach przejsc kabli urz^dzen pomiarowych i rur ukladu podawania srodka gasniczego. Nieszczelnosci w obudowie identyfikowa-no metody nadcisnienia wytarzanego za pomoc^ wentylatora nawiewaj^cego powietrze przez otwor w dolnej cz^sci (dol-na scianka byla demontowalna). Po eliminacji nieszczelnosci w gornej i dolnej cz^sci rozmieszczono symetrycznie otwory symuluj^ce nieszczelnosci. Wykonano 16 otworow, 8 w dolnej i 8 w gornej cz^sci, o l^cznej powierzchni 18 cm2. Powierzch-ni§ otworow dobrano tak, aby powierzchnia nieszczelnosci przypadaj^ca na m2 powierzchni przegrod wydzielaj^cych przestrzen chronion^ wynosila okolo 3,5*10-4 m2/m2. Po wy-konaniu otworow, obudowy poddano testowi szczelnosci i wy-znaczono wspolczynniki charakteryzuj^ce nieszczelnosci: k1 = 0,0015, n = 0,4949. Stanowisko znajdowalo si§ w klimatyzowa-nym pomieszczeniu o kubaturze 70 m3 [5].

Uklad podawania srodka gasniczego skladal si§ z butli z gazem gasniczym, wyposazonej w zawor szybkootwieral-ny, ruroci^gu doprowadzaj^cego gaz gasniczy do chronionej przestrzeni oraz dwoch dysz. Ilosc gazu byla dobrana tak, aby po wyladowaniu osi^gn^c st^zenie obj^tosciowe gazu gasniczego na poziomie 45%, co odpowiadalo obnizeniu obj^to-sciowego st^zenia tlenu do wartosci 11,5%.

Do pomiaru st^zen gazow stosowano sondy tlenu z sen-sorem elektrochemicznym. St^zenia mierzono na 5 wysoko-sciach: 20 cm, 60 cm, 100 cm, 140 cm i 180 cm od podlogi. Wysokosci odpowiadaly 10%, 30%, 50%, 70% i 90% wysoko-sci przestrzeni chronionej. Pomiar st^zen tlenu prowadzono w sposob ci^gly, wyniki rejestrowano co 1 sekund^ i archiwi-zowano w komputerze [5].

Na podstawie zmierzonych wartosci rozkladu st^zen gazu gasniczego wyznaczano czas retencji [s] - mierzony od chwi-li, gdy w przestrzeni chronionej zostalo osi^gni^te st^zenie

■ ', ' Sensors

■ . : ■■ ■: LEAK

Ryc. 1. Schemat stanowiska badawczego [5] Fig. 1. Test stand [5]

D01:10.12845/bitp.42.2.2016.16

tlenu cO2 = 11,5% v/v odpowiadajyce st^zeniu projektowemu gazu gasniczego c = 45% v/v, do chwili, gdy na ktorejkolwiek sondzie st^zenie O>2 osiygn^lo wartosc tlenu cO2 = 13% v/v (od-powiadajycy 85% st^zenia projektowego gazu gasniczego) [3], [6-7].

Do analitycznego wyznaczenia rozkladu st^zen badanych gazow gasniczych posluzyl normowy model z szeroky granicy rozdzialu pomi^dzy mieszaniny gasniczy a naplywajycy czy-stym powietrzem, rozszerzajycy si§ w czasie retencji. Wybor zostal uargumentowany faktem, iz model z szeroky granicy daje wartosc czasu retencji krotszy od czasu rzeczywistego. Takie podejscie zapewnia wnioskowanie po stronie bezpiecz-nej. Czas retencji wyznaczono na podstawie rownania [1], [3]:

t =

V (k,H0 + k4y- ~(k3He + kJ>

Hn

(1 - n)k2Fk3

(1)

gdzie: t - czas [s];

H - wysokosc ekwiwalentna, na ktorej b^dzie granica rozdzialu po czasie t [m];

V - kubatura pomieszczenia [m3]; H0 - wysokosc pomieszczenia [m]; F - bezwymiarowy stosunek nieszczelnosci w dolnej cz§-sci pomieszczenia do calkowitej powierzchni nieszczelnosci; k2, k3, k4 - stale upraszczajyce.

Rownania modelu analitycznego zostaly zaimplemento-wane do pakietu R, ktory umozliwil obliczenie poszczegol-nych skladowych rownan modelu.

W badaniach symulacyjnych wykorzystano sprz^t kom-puterowy o duzej wydajnosci obliczeniowej, wyposazony w oprogramowanie do modelowania przeplywu plynow AN-SYS Fluent 14.5. Za pomocy programu ANSYS Fluent zostal

no siatk^ niestrukturalny o trójkytnym ksztalcie elementów. Ponadto obszary charakterystyczne - górne i dolne otwory nieszczelnosci, w których nalezalo si§ spodziewac wyst^po-wania najbardziej intensywnych zjawisk przeplywowych, podzielono na mniejsze pola, a nast^pnie zag^szczono siatk^. Przed przystypieniem do wlasciwych obliczen okreslono ro-dzaj warunków brzegowych dla obszaru obliczeniowego oraz zadano parametry fizyczne dla poszczególnych typów gazów (g^stosc, cieplo wlasciwe, przewodnictwo cieplne, masa mo-lowa, lepkosc).

Za poczytek symulacji przyj^to stan tuz po wyladowaniu i osiygni^ciu przez gaz gasniczy w komorze st^zenia projekto-wego. Badania symulacyjne zostaly przeprowadzone w trybie przejsciowym (ang. transient) za pomocy solvera Pressure -based.

Na podstawie intuicji inzynierskiej i badan studialnych dokonano wyboru modeli turbulencji, które posluzyly do wykonania symulacji komputerowych. Wskazanymi modelami byly: Standard k- e, Realizable k- e, RSM oraz LES [89]. Kryterium oceny przydatnosci zaproponowanych modeli turbulencji byla zbieznosc otrzymanych wyników symulacji z wynikami uzyskanymi w trakcie badan doswiadczalnych w zakresie:

• rozkladów wartosci st^zen tlenu na poszczególnych sondach,

• wyznaczonych wartosci czasów retencji,

• -wyst^powania zjawiska samoistnego mieszania gazów.

Uzytecznosc i poprawnosc numerycznego modelu CFD

zostala sprawdzona na podstawie analizy porównawczej war-tosci rozkladu st^zen gazów uzyskanych w drodze symulacji komputerowych z wynikami eksperymentów przeprowadzo-nych w skali rzeczywistej oraz wynikami obliczen przeprowa-dzonych za pomocy modelu analitycznego.

Ryc. 2. Model geometryczny komory pomiarowej Fig. 2. Geometric model of the test chamber Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

opracowany numeryczny model CFD i przeprowadzone sy-mulacje wyladowania normowego gazu gasniczego oraz nowej mieszanki gazów oboj^tnych do pomieszczenia chronionego. Symulacje te stanowily podstaw^ do obliczen numerycznych rozkladu st^zen gazów gasniczych w pomieszczeniu.

Prace symulacyjne rozpocz^to od stworzenia geometrii obszaru obliczeniowego - trójwymiarowego modelu komory pomiarowej (ang. solid), do której zostal wyladowywany gaz gasniczy, oraz obj^tosci powietrza otaczajycej komory (ang. fluid). Kolejnym etapem bylo wygenerowanie siatki numerycznej pokrywajycej obszar obliczeniowy. Zastosowa-

3. Wyniki

Badania wykonano dla normowego gazu gasniczego o skladzie Ar = 50% v/v i N2 = 50% v/v (oznaczenie wedlug normy [3] IG 55) oraz dla mieszaniny o g^stosci zblizonej do g^stosci powietrza Ar = 8,9% v/v i N2 = 91,1% v/v.

Na podstawie analizy porownawczej zebranych wynikow symulacji wskazano model Standard k- e jako model zapewniajycy najwi^kszy zbieznosc wynikow z wynikami badan w skali rze-czywistej. Wyniki symulacji przeprowadzone z wykorzystaniem modelu Standard k- e zostaly poddane dalszej interpretacji.

ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ D01:10.12845/bitp.42.2.2016.16

Tabela 1. Zestawienie gazow gasniczych uzytych w badaniach Table 1. Summary of extinguishing gases used during tests

Lp. / No. Ar [% v/v] N2 [% v/v] G^stosci mieszaniny gasniczej / Extinguishing mixture's density (t= 20oC, p=1013 hPa, ф = 0%) dm [kg/m3] Ad*' = dm - d0 [kg/m3] (t= 20oC, p=m013 hPa, ф = 0%)

1 50 50 1,395 0,192

2 8,9 91,1 1,206 0,002

*Ad - roznica mi^dzy g^stosci^ mieszaniny gasniczej a g^stosci^ powietrza, w warunkach normowych / the difference between the density of an extinguishing mixture and air density in normative conditions [3] [kg/m3]

dm - g^stosc mieszaniny gasniczej (gaz gasniczy w st^zeniu projektowym oraz powietrze wewn^trz chronionej przestrzeni) / density of a fire

extinguishing mixture (extinguishing gas) in project concentration and the air inside the protected area [kg/m3]

d0 - g^stosc powietrza / air density[kg/m3]

Zrodlo: Opracowanie wlasne.

Source: Own elaboration.

Tabela 2. Zestawienie czasow retencji gazow gasniczych wyznaczonych w trakcie badan doswiadczalnych przeprowadzonych w skali rzeczywistej z wynikami uzyskanymi za pomoc^ modelu normowego z szerok^ granic^ rozdzialu oraz wynikami obliczen za pomoc^ symulacji komputerowych

Table 2. Summary of retention times of extinguishing gases identified by experimental studies carried out in real scale with the results obtained using the norm with a wide interface model and the results of calculations using computer simulations

Lp. / No. Ar [% v/v] N2 [% v/v] Czas retencji zmierzony / Measured renention time tR [S] Czas retencji model normowy / Retention time, normative model tRn [s] Czas retencji symulacja tR Standard k-£ Retention time, simulation tR Standard k-£ / [s] Czas retencji symulacja tR Realizable k-£ / Retention time, tR Realizable k-£ simulation [s] Czas retencji symulacja tR RSM / Retention time, tR RSM simulation [s] Czas retencji symulaCja tR LES Retention time, tR LES simulation / [s]

1 50 50 73 70,8 72,5 73,5 64 69

2 8,9 91,1 363 320 359 377,5 352 371,5

Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

W czasie retencji gazu gasniczego o skladzie Ar 50% v/v - N2 50% v/v nastypil wyplyw mieszaniny gasniczej dolnymi nieszczelnosciami i naplyw powietrza gornymi, charaktery-styczny dla gazow gasniczych ci^zszych od powietrza Ad > 0. W konsekwencji w pierwszej kolejnosci wzroslo st^zenie tlenu na gornej sondzie - sonda nr 1, oznaczonej kolorem niebieskim, umieszczonej na 90% wysokosci pomieszczenia. Na pozostalych sondach st^zenie tlenu wzrastalo w miar^ ob-nizania si§ granicy rozdzialu mieszaniny gasniczej od powietrza. Najwi^kszy pochylosc krzywej odnotowano na sondzie 5, umieszczonej najnizej, tj. na 10% H. Powyzsze wskazuje, ze w dolnej cz^sci, gdzie szybkosc opadania mieszaniny byla

mniejsza, z uwagi na mniejszy roznicç cisnien hydrostatycz-nych, uwidacznial siç wplyw naturalnego mieszania gazow. Wyznaczony czas retencji wyniosl 72,5 s i byl o 0,5 s krot-szy od czasu uzyskanego w drodze badan doswiadczalnych. Za pomocy modelu normowego z szeroky granicy rozdzialu otrzymano czas retencji krotszy o 2,2 s w stosunku do czasu rzeczywistego.

W czasie retencji gazu gasniczego o skladzie Ar 8,9% -N2 91,1% gçstosc mieszaniny gasniczej byla bardzo zblizona do gçstosci otaczajycego powietrza. Nastypil naplyw powietrza z zewnytrz gornymi ni esztzelnosciami, со odzwierciedlal wzrost stçzenia tlenu na sondzie 1. Wraz z uplywem czasu

Model standard k-t Af 50%, N, 50%

или

-Vin(ü 1

-SuritJd Z

-îondj 3

vunda «

-Send»5

Sensors 1-5

LH LH LH LJl LJl LJl

чй г] Й in " P й LT'-' 3 ^ ЙЙ

ь-1 ы-1 ы-1 и-. _г| ы-1 ы">. lj-| _г| _г| ы-1 ы-1 и-. ь-1

.........uf if frf fj J

a s s s s

Ryc. 3. Rozklad st^azen tlenuw przestrzeni chronionej w czasie retencji gazu gasniczego Ar = 50%i> N2 = 50% Fig. 3. Distribution of oxygen concentration in the protected space during the retention time of extinguishing gas Ar = 50% N2

Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

: 50%

nast^powalo przemieszanie naplywaj^cego powietrza i mie-szaniny gasniczej - odczyty z sond na wysokosci 0,1H, 0,3H oraz 0,5H byly do siebie zblizone. Wyznaczony czas retencji wyniosl 359 s i byl o 4 sekundy krotszy od czasu zmierzonego w warunkach rzeczywistych. Czas retencji wyliczony za pomoc^ mode-lu normowego z szerok^ granic^ rozdzialu mi^dzy mieszanin^ gasnicz^ a naplywaj^cym czystym powietrzem byl o 43 sekund krotszy od czasu uzyskanego w drodze badan doswiadczalnych.

Na podstawie analizy uzyskanych wartosci czasow retencji mozna stwierdzic, ze zastosowanie nowej mieszaniny gasniczej o g^stosci zblizonej do g^stosci powietrza pozwala uzyskac prawie pi^ciokrotnie dluzszy czas retencji w stosun-ku do gazu normowego.

4. Dyskusja nad metod^ i wynikami

Bardzo popularn^, a zarazem rzeteln^ metod^ badan, jest l^czenie badan doswiadczalnych i numerycznych. Wyniki badan eksperymentalnych umozliwiaj^ weryfikaj mode-lu numerycznego i zastosowanej metodyki obliczeniowej. W przypadku zgodnosci wynikow obydwu badan stwierdza si§ poprawnosc modelu numerycznego z metod^ obliczenio-w^. Sposrod dost^pnych programow komputerowych autorzy pracy zdecydowali si§ na wybor oprogramowania ANSYS Fluent do zamodelowania procesu gaszenia gazem gasniczym kubatury chronionej. W przeciwienstwie do innych programow ANSYS Fluent oferuje szereg modeli turbulencji m.in. k-epsilon, k-omega, Reynolds Stress Model (RSM), Larg Eddy Simulation (LES), co zapewnia mozliwosc rozwi^za-nia zroznicowanych przeplywow i optymalne dopasowanie modelu do oczekiwan uzytkownika. Na potrzeby badan do-konano wst^pnej selekcji modeli turbulencji spelniaj^cych zalozenia i przewidywania w zakresie wynikow. Wskazanymi modelami byly: Standard k-e, Realizable k-e, RANS oraz LES. Najwi^ksz^ zbieznosc z badaniami rzeczywistymi wykazal model Standard k-e i to jego wyniki zostaly poddane analizie w dalszej cz^sci pracy. Na podstawie otrzymanych zbieznych wynikow badan numerycznych i doswiadczalnych dla danego modelu i okreslonych warunkow brzegowych mozna wnio-skowac, ze przy zmianie rodzaju gazu lub przy modyfikacji elementow konstrukcyjnych wyniki kolejnych analiz numerycznych b^d^ rowniez poprawne i wiarygodne.

DOI:10.12845/bitp.42.2.2016.16

Symulacje komp utero we mog^ stanowic alternatyw^ dla kosztownych badan eksperymentalnych. Dotyczy to zarowno prac prowadzonych na etapie projektowania, przebudowy juz istniej^cej instalacji, a takze ustalania przyczyn wyst^pienia mozliwych awarii. Poprawnie opracowany model moze stanowic narz^dzie do poszukiwania i badania nowych miesza-nek gazu gasniczego, zapewniaj^cych maksymalizaj czasu retencji, przy znacznym ograniczeniu nakladow finansowych.

Modele analityczne proponowane przez obowi^zuj^-ce normy nie doszacowuj^ lub przeszacowuj^ wyznaczane wartosci czasu retencji wzgl^dem wartosci rzeczywistych. Modelowanie numeryczne zdaje si§ byc rozwi^zaniem lep-szym, gwarantuj^cym bardziej wiarygodne wyniki i daj^cym pelniejszy obraz na zagadnienie zabezpieczania pomieszczen SUG-gazowymi.

Opracowany model zabezpieczenia pomieszczen stalymi urz^dzeniami gasniczymi gazowymi wymaga dalszych badan i rozwoju. Mozliwosci programu ANSYS Fluent pozwalaj^ na rozszerzenie modelu o uwzgl^dnienie wplywu zjawisk towa-rzysz^cych wyplywowi gazu ze zbiornikow oraz przeplywowi gazu przez pomieszczenie, a takze uwzgl^dnienie oddzialy-wania wewn^trznych zrodel ciepla, zroznicowanie cisnien oraz pionowy gradient temperatury w pomieszczeniu. Pla-nowane jest rozwini^cie grupy gazow gasniczych poddanych badaniom o kolejne gazy normowe oraz mieszanki gazowe o g^stosci bliskiej g^stosci powietrza. Taki kierunek dalszych prac pozwoli uzyskiwac wyniki jak najlepiej odwzorowuj^ce rzeczywistosc, przy jak najmniejszych nakladach czasu po-trzebnych do prowadzenia analizy.

5. Podsumowanie

Z przeprowadzonych badan wynikj nast^puj^ce wnioski: 1. Zastosowanie modelowania CFD umozliwia badanie mechanizmu przeplywu gazu przez pomieszczenie z wi^ksz^ dokladnosci^ niz dotychczas stosowane modele. Analiza uzyskanych wynikow, juz przy podstawo-wych ustawieniach modelu numerycznego, wykazala duz^ zgodnosc z pomiarami laboratoryjnymi. Symulacje komputerowe procesu przeplywu gazu mog^ byc alternatyw^ dla badan przeprowadzanych na modelach analitycznych.

o.i 0,38 0,36 P,34 D,32 0.3 11,1M 0,16 ai* 0,12 0.1 UJM

o,«

PjW 0

Model Standard k-£ Ar 8.9X N, 91.194

K j> rfj J ai j> m ^-f of uj ch r-h j ^ r-: "i rif -i

-iomfe l

-iomh ?

-iOIUfi i

iomä 1 -Solutab

Sensors 1-5

Ryc. 4. Rozklad st^zen tlenu w przestrzeni chronionej w czasie retencji gazu gasniczego

Ar = 8,9% N2 = 91,1%

Fig. 4. Distribution of oxygen concentration in the protected space during the retention time of extinguishing gas Ar = 8.9% N2 = 91.1%

Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration .

ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

2. Zastosowanie metod CFD umozliwia optymalizacjç do-boru rodzaju oraz ilosci gazu gasniczego ze wzglçdu na czas retencji. Poprawnie opracowany model moze zostac uzyty do bardziej skomplikowanych i zlozonych obliczen lub do modyfikacji juz gotowej i zweryfikowanej instala-cji SUG-gazowych.

3. Zastosowanie gazow gasniczych, skladajycych siç z ar-gonu i azotu, dobranych w proporcjach pozwalajycych uzyskac gçstosc mieszaniny zblizony do gçstosci powietrza, umozliwilo uzyskanie wiçkszego czasu retencji niz w przypadku gazu gasniczego przewidzianego w normach dla tych samych warunkow [1], [2-3].

4. Zastosowanie modelowania CFD umozliwia prowadze-nie badan przy wykorzystaniu przestrzeni wirtualnej. Eliminuje to niebezpieczne prace pomiarowe, ograni-cza zagrozenie dla ludzi oraz redukuje koszty finansowe zwiyzane z wyladowaniem gazu.

5. Opracowany model moze stac siç narzçdziem przydat-nym dla projektantow w celu prowadzenia badan mode-lowych i porownawczych, a takze szkolen skierowanych do osob oferujycych oraz wykonujycych uslugi w zakre-sie projektowania, doboru, montazu, uzytkowania i kon-serwacji stalych urzydzen gasniczych gazowych.

D0I:10.12845/bitp.42.2.2016.16

Literatura

[1] ISO 14520 - 1 Gaseous fire-extinguishing systems - Physical properties and system design - Part 1: General requirements.

[2] NFPA 2001: Standard On Clean Agent Fire Extinguishing Systems, Edition 2012.

[3] PN EN 15004-1:2008 Stale urzydzenia gasnicze - Urzydzenia gasnicze gazowe - Cz^sc 1: Ogolne wymagania dotyczyce projektowania i instalowania.

[4] Oprogramowanie ANSYS Fluent - informacja na stronie internetowej producenta, www.fluent.com [dost^p: 20.04.2016].

[5] Kubica P., Czas retencji gazow gasniczych w aspekcie bezpieczenstwa pozarowego pomieszczen, rozprawa doktorska, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2014.

[6] Wn^k W., Kubica P., Distribution of oxygen concentration during fire suppression in closed spaces with inert gases, "Przemysl Chemiczny" nr 9, 2014.

[7] Wn^k W., Kubica P., Analiza rozkladu st^zen tlenu podczas gaszenia pomieszczenia azotem, przy wymuszonych ruchach powietrza, BiTP Vol. 24 Issue 4, 2011, pp. 65-79.

[8] Launder B.E., Spalding D.B., Lectures In Mathematical Models of Turbulence, Academic Press, London 1972.

[9] Chow T.T., Development Trends in Building Services Engineering, University of Hong Kong Press, Hong Kong 2009.

A

ml. bryg. dr inz. Przemyslaw Kubica - w roku 2001 ukonczyl studia na Wydziale Inzynierii Bezpieczenstwa Pozarowego Szkoly Glownej Sluzby Pozarniczej. Jest kierownikiem Zakladu Technicznych Systemow Zabezpieczen w SGSP, czlonkiem Komitetu Technicznego nr 244 przy PKN, posiada uprawnienia rzeczoznawcy ds. zabezpieczen przeciwpozarowych.

kpt. mgr inz. Sylwia Boron - w roku 2013 ukonczyla Wydzial Inzynierii Bezpieczenstwa Pozarowego w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. Jest asystentem na Wydziale Inzynierii Bezpieczenstwa Pozarowego w Katedrze Bezpieczenstwa Budowli i Rozpoznawania Zagrozen w SGSP, czlonkiem komitetu Technicznego nr 264 przy PKN. Specjalnosc - inzynieria bezpieczenstwa pozarowego.