Computational Fluid Dynamics (CFD) is een techniek die het voorspellen van turbulente stromingen mogelijk maakt. Binnen de toegepaste brandveiligheidskunde (fire safety engineering) wordt CFD steeds vaker toegepast, met name om door brand veroorzaakte rookverspreiding te voorspellen. In zijn master-thesis aan de Universiteit Gent deed Pim van Rede onderzoek naar de mogelijkheden om met een veelgebruikte CFD-tool (Fire Dynamics Simulator) ondergeventileerde branden te simuleren. Daarbij maakte hij gebruik van data uit de Oudewater-experimenten.
In de zomer van 2019 heeft de Brandweeracademie van het IFV (voorloper NIPV) diverse brandexperimenten uitgevoerd in een leegstaand woon-zorgcentrum in Oudewater. Het doel van de experimenten was om inzicht te scheppen in de omvang en gevolgen van rookverspreiding in het geval van een relatief kleine brand in één appartement. Tijdens de experimenten zijn verschillende randvoorwaarden gewijzigd, zoals de hoeveelheid beschikbare ventilatie via gevel- en wandopeningen. Als gevolg daarvan waren verschillende experimenten ondergeventileerd (1).
Computational Fluid Dynamics (CFD)
In de afgelopen decennia is het gebruik van Computational Fluid Dynamics (CFD) om brandfenomenen te voorspellen exponentieel toegenomen, mede als gevolg van de beschikbare rekencapaciteit en verbeteringen van de onderliggende fysica en implementatie daarvan. CFD in fire engineering kent echter nog diverse onvolkomenheden, waarmee niet alle fire engineers die de techniek toepassen bekend zijn. Eén van die imperfecties betreft het onvermogen om fenomenen rondom onderventilatie adequaat te voorspellen. Omdat we steeds vaker te maken gaan krijgen met ondergeventileerde branden als gevolg van trends in de bouw, kan dat problematisch zijn.
Experimenten zijn kostbaar en tijdrovend, waardoor het wenselijk is om deze uit te breiden met CFD-simulaties, voor zover dat betrouwbaar mogelijk is. Daarom is in mijn thesis de dataset van de experimentele Oudewater-campagne gebruikt om te bestuderen in hoeverre met CFD de gemeten temperaturen, gasconcentraties en rookverspreiding kunnen worden voorspeld. FDS is op dit moment de meest gebruikte fire engineering CFD-tool en is zodoende daarbij gebruikt (2).
Complexiteit van ondergeventileerde verbranding
Door de manier waarop in LES (Large Eddy Simulations, gebruikt door FDS) turbulente wervelingen oplossen, is het direct oplossen (Engels: resolve) van verbrandingschemie niet mogelijk. Het moet daarom worden gemodelleerd met een verbrandingsmodel (3). In het bijzonder in het geval van ondergeventileerde verbranding moet rekening worden houden met fenomenen zoals vlamdoving door zuurstofgebrek en de productie van producten van onvolledige verbranding zoals koolmonoxide (CO) en waterstofcyanide (HCN). Door de complexiteit van de chemie is dat bijzonder lastig.
Vlamdoving als gevolg van zuurstofgebrek wordt door FDS gemodelleerd met het kritieke vlamtemperatuur-model (daarover later meer). De chemie wordt daarnaast vereenvoudigd tot een eenvoudige stationaire éénstapsreactie, waarbij de engineer op voorhand in moet geven om welke brandstof en verbrandingsproducten het gaat. Dat wil zeggen dat de ingegeven reactie geldt voor de gehele simulatieduur, terwijl de chemie in de realiteit dynamisch is en afhangt van veel aspecten (4).
In de thesis is een literatuurstudie uitgevoerd, die laat zien dat er slechts beperkt onderzoek gedaan is naar de mogelijkheden om met CFD-simulaties ondergeventileerde branden te voorspellen. In ieder geval is duidelijk dat het complexe materie betreft die veel kennis en ervaring van de fire engineer vergt.
Experimentele data
In deze paragraaf wordt kort beschreven hoe de data uit het rookverspreidingsonderzoek van NIPV is gebruikt in de thesis. Voor meer informatie over de praktijkexperimenten en de data uit deze experimenten kan het onderzoeksrapport worden geraadpleegd (1).
Van de verschillende experimenten zijn er drie geselecteerd om dienst te doen als vergelijkingsmateriaal in drie casestudies. De gekozen experimenten verschillen van elkaar in aanwezige openingen en dus in natuurlijke ventilatie tijdens de brand:
- Casestudy 1: balkondeur open en deur naar gang geopend na 5 minuten en bleef open (scenario 19).
- Casestudy 2: deur naar gang geopend na 5 minuten en bleef open (scenario 17).
- Casestudy 3: deur naar gang geopend na 5 minuten en gesloten 30 seconden later (scenario 16).
De verschillen met betrekking tot natuurlijke ventilatie hebben enerzijds gevolgen voor de beschikbare zuurstof voor verbranding en anderzijds wordt de rookverspreiding naar de gang beïnvloed. Zie figuur 3 voor een bovenaanzicht van de verdieping met appartementen.
Voordat de experimenten zijn uitgevoerd is de luchtdichtheid van de appartementen gemeten. De data heeft betrekking op kieren en naden (luchtdichtheid) en is gebruikt als uitgangspunt bij de experimenten (en simulaties).
Alle gekozen experimenten gebruiken een tweezitsbank als brandobject. Gedurende de experimenten zijn verschillende metingen uitgevoerd, waaronder de massa-afname van de bank, temperaturen, warmtestraling, gasconcentraties, druk en zichtlengte in verschillende ruimten. De gemeten massaverlies-snelheid en daarvan afgeleide brandvermogen (Heat Release Rate, of HRR) zijn weergegeven in figuur 1. De gevolgen van het openen en sluiten van deuren zijn goed zichtbaar in de getoonde curven. Doordat het niet zeker is of, in geval van ondergeventileerde verbranding, alle pyrolysegassen daadwerkelijk verbranden, is de onzekerheid in het getoonde brandvermogen relatief groot.
Numerieke set-up (opbouw FDS model)
Het gemodelleerde domein bestaat uit de brandruimte, de gang en appartement 1.25 (zie figuur 3). Deuren zijn of worden geopend op de tijdstippen waarin dat ook in de experimenten is gedaan. B1, B5 en B6 geven de meetbomen weer waarin de meetapparatuur is bevestigd. In elke boom zijn meerdere thermokoppels, warmtestraling-, druk-, gas-, en lichtintensiteitsmeters bevestigd. Deze zijn in FDS gemodelleerd op passende wijze.
De fijnheid van het numerieke grid is van invloed op de betrouwbaarheid van de rekenresultaten. Daarom is per casestudy een gridgevoeligheidsstudie uitgevoerd. Daaruit blijkt dat de verschillen waar het gaat om stromingsdynamica niet groot zijn, maar dat het extinctie-model (kritieke vlamtemperatuur) erg afhankelijk is van de gebruikte celgrootte nabij de haard. Waar het gaat om lokale temperaturen in of nabij vlammen is dit overigens altijd het geval in een LES-studie waar verbranding wordt gesimuleerd.
In het geval van de simulaties met het fijnste grid wordt een piek-HRR voorspeld die circa 100-150 kW hoger ligt dan bij de andere gridresoluties. Het is te verwachten dat bij nóg fijnere resoluties een toenemend hogere HRR wordt voorspeld. Omdat de fijnste bestudeerde resolutie niet resulteert in significant afwijkende resultaten en daarnaast zorgt voor een hoge rekentijd (circa 1,5 week op 96 cores) is gekozen de simulaties voor alle casestudies uit te voeren met een grid met cellen van 5*5*5 cm.
Als chemische samenstelling van de brandstof werd polyurethaanschuim (CH1,8O0,3N0,05) genomen. De roet- en CO-fracties van de brandstof zijn in eerste instantie ingeschat op basis van de zuurstofmetingen tijdens de experimenten. De parameters voor het standaard vlamdovingsmodel zijn berekend op basis van de opgelegde reactie (de kritische vlamtemperatuur, CFT) en als standaardwaarde in FDS genomen (onderste zuurstofgrens, gangbare standaard voor koolwaterstoffen = 13,5 vol%). Het vlamdovingsmodelmodel gaat uit van verbranding van de brandstof in een cel, als er in die cel voldoende zuurstof (en brandstof) aanwezig is, om de temperatuur van de cel te verhogen tot de adiabatische vlamtemperatuur.
Numerieke resultaten
In deze paragraaf zijn de belangrijkste numerieke resultaten beschreven. Een volledige beschrijving met bijbehorende figuren is opgenomen in het rapport van de thesis.
Casestudy 1
Uit een reeks numerieke simulaties met FDS blijkt dat de meeste belangrijke grootheden (gasconcentraties, temperaturen en zichtlengte) in de casestudy met geopende balkondeur worden benaderd. De O2-concentraties vertonen een relatieve fout van ongeveer 5% in de beginperiode van de brand, voordat FDS vlamdoving voorspelt. Daarna worden fouten tot 25% waargenomen, maar er worden vergelijkbare minimumwaarden en trends voorspeld (zie figuur 5). De CO-concentraties in het appartement en de corridor worden aanvankelijk overschat als gevolg van het feit dat er maar één CO-productfractie kan worden ingegeven. De afname van het zicht in de gang wordt adequaat voorspeld.
Casestudy 2
Een soortgelijke aanpak is gebruikt in de casestudy met de balkondeur gesloten en de deur tussen het appartement en de gang geopend. Dit leverde nauwelijks overeenkomende resultaten op, omdat de verbrandingschemie niet voldoende realistisch gemodelleerd wordt (statisch model terwijl het verbrandingsproces verandert in de tijd).
Na handmatig aanpassen van de vlamdovings- en verbrandingsparameters en het instellen van een tweestapsverbrandingsmodel is een betere overeenkomst tussen de numerieke en de experimentele gegevens verkregen. Het tweestapsmodel werkt als volgt:
- In stap 1 reageert de brandstof met lucht om tussenproducten (CO, roet en HCN) te vormen.
- In stap 2 reageren de tussenproducten met zuurstof om de eindproducten te vormen. De eindproducten worden bepaald door de ingegeven productfracties voor CO, roet en HCN. Stap 2 wordt alleen uitgevoerd als er voldoende zuurstof aanwezig is in de gridcel.
Dit model is in essentie rudimentair, omdat de enige variabele de hoeveelheid zuurstof in de gridcel is, terwijl de chemie in de realiteit afhangt van meer aspecten zoals de temperatuur.
Met de aangepaste uitgangspunten vertonen de O2-concentraties een soortgelijke trend als in de casestudy met open balkondeur. Tot het moment van vlamdoving is de relatieve fout ongeveer 5% en daarna loopt deze op tot 60% (zie figuur 5). Na ongeveer 600 seconden voorspellen de simulaties een veel lagere O2-concentratie dan experimenteel gemeten, wat mogelijk betekent dat ofwel meer (vlammende) verbranding wordt voorspeld door FDS, ofwel minder zuurstof wordt gebruikt voor de verbranding in de realiteit (smeulende verbranding). Gezien het feit dat rond die tijd CO2 en CO respectievelijk over- en onderschat worden door FDS lijkt het laatste het meest waarschijnlijk. Bovendien kunnen de handmatig aangepaste vlamdovingsparameters ertoe leiden dat meer verbranding wordt gemodelleerd dan in werkelijkheid is opgetreden. De resultaten voor CO vertonen dezelfde trends als experimenteel gemeten (zie figuur 6).
Casestudy 3
Dezelfde opzet voor extinctie en verbranding die in casestudy 2 werd gebruikt, leverde in casestudy 3 geen passende resultaten op. Hoewel de O2-concentraties adequaat worden benaderd, geldt dat niet voor de CO- en CO2-concentraties. Dit betekent dat het opgelegde tweestapsverbrandingsschema niet geschikt is voor het doel (het modelleren van de CO- en CO2-productie). Het feit dat de O2-concentratie in de beginperiode ten minste wordt benaderd, is een aanwijzing dat het moment waarop de vlamdoving start, nauwkeurig wordt voorspeld. Dit wordt onderstreept door het feit dat de uiteindelijke daling van de relatieve druk in het appartement redelijk wordt voorspeld.
Subconclusie
Concluderend kan worden gesteld dat de voorspellingen van FDS alleen in casestudy 1, geopende balkondeur, goede resultaten opleverden. Voor de casestudies met een beperkte ventilatie moesten de extinctieparameters kunstmatig worden gewijzigd om goede resultaten te verkrijgen voor de O2-concentraties. De resultaten voor CO waren in casestudy 2 veelbelovend. Voor casestudy 3 bleek het gebruikte tweestapsverbrandingsmodel echter niet geschikt.
Gevoeligheidsstudie
De numerieke resultaten blijken gevoelig te zijn voor verschillende aanpassingen van de parameters. De chemische samenstelling van de brandstof en de bijbehorende roet- en CO-fracties beïnvloeden de gasconcentraties in het appartement flink. Bovendien blijken de resultaten erg gevoelig te zijn voor veranderingen in de parameters die verband houden met het extinctiemodel. Het gebruik van het in FDS opgenomen alternatieve vlamdovingsmodel (‘extinction 1’ in figuur 7), dat bedoeld is voor simulaties met een grover rekengrid , leidt tot significant conservatievere of beter overeenkomende resultaten. Zeker bij simulaties zonder vergelijkingsmateriaal in de vorm van experimenten, kan dit model meer betrouwbare resultaten geven.
Resultaten bezien vanuit een engineering-aanpak
In fire engineering studies wordt doorgaans gebruikgemaakt van grenswaarden die iets zeggen over de gevolgen van de door brand veroorzaakte effecten op personen. Daarbij wordt vaak aandacht besteed aan de toxiciteit van de rook, de thermische belasting als gevolg van de rook of vlammen en de zichtlengte.
Uit de experimentele data bleek dat in casestudies 2 en 3 het zicht vóór het openen van de deur iets afnam als gevolg van de lekkende gassen door kieren en naden. Dit werd niet nauwkeurig voorspeld door FDS, als gevolg van beperkingen in het gebruikte lekkagemodel. Het moment waarop het zicht een grenswaarde van 10 meter overschrijdt, na het openen van de deur, wordt echter wel nauwkeurig voorspeld.
Om het effect van de blootstelling aan toxische gassen en de thermische belasting in te schatten is een Fractional Effective Dose (FED) methode gebruikt (5). Door de eerder beschreven manco’s in het verbrandingsmodel van FDS wordt de blootstelling aan toxische gassen niet nauwkeurig voorspeld. Dat is alleen goed mogelijk bij genoemde aanpassingen aan de standaardinstellingen. Bovendien blijkt dat er, zowel in de brandruimte als in de gang, pas een grensoverschrijdende situatie voor toxiciteit ontstaat op het moment dat de brand ondergeventileerd is geraakt. Dat maakt een juiste werking van de gebruikte verbrandings- en vlamdovingsmodellen van essentieel belang. Belangrijke rekenresultaten voor de gangzone zijn weergegeven in tabel 1. Gebruikte grenswaarden geven geen specifiek doel weer en zijn niet generiek bruikbaar.
Conclusie
Concluderend moet het gebruik van FDS in zijn huidige versie voor simulaties van ondergeventileerde branden met voorzichtigheid gebeuren. Indien het toch noodzakelijk is FDS te gebruiken voor het voorspellen van ondergeventileerde branden en daaruit volgende rookverspreiding, worden de volgende aanbevelingen meegegeven:
- Toepassing van het alternatieve vlamdovingsmodel heeft voor praktische FSE-studies in principe de voorkeur, omdat in die studies de vlam niet voldoende accuraat wordt opgelost voor een goede werking van het standaardmodel.
- Als gestelde grenswaarden worden bereikt voordat FDS vlamdoving voorspelt en er geen sprake is van significante zuurstofdepletie in de brandruimte (O2-concentraties < 10 %vol), kan het standaardverbrandingsmodel worden gebruikt.
- In andere gevallen kan worden overwogen om CO- en roet-fracties te kiezen op basis van de verwachte mate van onderventilatie (equivalentie van de verbranding) en de simulaties daarmee te laten draaien. Om zicht te krijgen op de mate van onderventilatie zijn mogelijk meerdere iteratieve simulaties noodzakelijk. Daarmee worden de gas- en roetconcentraties in de beginfase wel fors overschat en wordt de zuurstofdepletie onderschat.
- Vanwege de fysische werking van het model waarmee de zichtlengte wordt bepaald, zal deze in ondergeventileerde situaties in kleinere ruimten bij benadering binair zijn, zolang de gebruikte roetfractie realistisch is (er is zicht, of er is geen zicht). Dat maakt het gebruik van de zichtlengte als grenswaarde relatief betrouwbaar. Daarnaast is de grenswaarde voor zicht (generiek gezien, in situaties dicht bij de brand en bij een relatief korte rookverspreidingstijd) vrijwel altijd maatgevend ten opzichte van de toxiciteit van de rook; eerstgenoemde kan daardoor plaatsvervangend worden gebruikt. Het resulteert wel in mogelijk té conservatieve rekenresultaten.
- Ten slotte kan worden overwogen het vlamdovingsmodel zo aan te passen dat zuurstofconcentraties van 2% vol in de brandruimte worden behaald (waarde uit experimenten en simulaties). Het tweestapsverbrandingsmodel kan dan worden gebruikt om roet- en CO-generatie als gevolg van onderventilatie te modelleren. Let wel dat dit slechts een engineering-oplossing is, die slechts een grove benadering kan geven van de realiteit.
- Gevoeligheidsstudies van verschillende parameters (bijv. grid, chemie, vlamextinctie, enz.) geven inzicht in de onzekerheid van de resultaten en zijn van essentieel belang om een zo hoog mogelijke kwaliteit van de CFD-studie te borgen. Dit is overigens niet alleen het geval bij ondergeventileerde branden.
In ieder geval is voorzichtigheid geboden bij het voorpellen van ondergeventileerde branden en moet de uitvoerend engineer ervan doordrongen zijn welke vereenvoudigingen het CFD-model maakt.
Voorgesteld vervolgonderzoek betreft de ontwikkeling en implementatie van vlamdovings- en verbrandingsmodellen die voldoende benaderend werken bij grovere gridresoluties. Daarnaast kunnen de simulatieresultaten worden gebruikt om de experimentele resultaten op onderdelen uit te breiden.
Referenties
- J. Ebus, T. Geertsema, V. Jansen, M. Leene, R. van Liempd, M. Polman, L. de Witte en L. Wolfs, Rookverspreiding in woongebouwen. Hoofdrapport van de praktijkexperimenten in een woongebouw met inpandige gangen, Brandweeracademie, Arnhem, 2020.
- G. Baker, C. Wade, D. Nilsson en P. Olsson, Results are in – International Fire Engineering Tools Survey, nr. 93, 2022.
- NIST, Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide, Maryland: NIST, 2020.
- G. T. Linteris en J. F. Griffiths, SFPE Handbook of fire protection engineering, chapter 10: chemical kinetics in fire, London: Springer, 2016.
- SFPE, Guide to Human Bahavior in Fire, Gaithersburg, Maryland , USA: Springer, 2019.
- M. M. Khan, A. Tewarson en M. Chaos, SFPE Handbook of fire protection engineering, chapter 36: combustion characteristics of materials and generation of fire products, London: Springer, 2016.
- L. Staffansson, Selecting Design Fires, 2010.
Pim van Rede was tijdens de het schrijven van de thesis werkzaam bij advies- en ingenieursbureau Acuro als consultant en fire engineer. Gedurende zijn thesis is hij bijgestaan door Bart Merci (Universiteit Gent), Andrea Lucherini (FRISSBE-ZAG), Ruud van Liempd en Lieuwe de Witte (beiden NIPV).
Pim van rede, onderzoeker binnen het lectoraat Brandveiligheidskunde van NIPV.
Volg Brandveilig op LinkedIn
Ontvang het laatste nieuws omtrent brandveiligheid!
Mis niets. Meld je aan en ontvang wekelijks onze nieuwsbrief. Ruim 7.500 vakgenoten gingen je al voor.