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Efficient methods for radiative heat transfer analysis in fires and water sprays for fire suppression

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Modernes Brandausbreitungsmodell sorgt für Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit

Brände sind schwierig und kostenintensiv zu modellieren, daher machen sich die Fachleute aus dem Ingenieurwesen häufig gar nicht erst die Mühe. Ein neues System soll dies nun einfacher gestalten.

Sicherheit

Brände waren in Europa schon immer ein ernst zu nehmendes Sicherheitsrisiko und werden es auch in Zukunft sein. Obwohl der Trend weitgehend rückläufig ist, kommt es in Europa nach wie vor jährlich zu rund 4 000 Todesfällen durch Zehntausende von Gebäude- oder Hausbränden. Diese kosten Europa mehr als 100 Mrd. EUR pro Jahr. Brandschutzfachkräfte müssen daher regelmäßig Modellierungen des Brandverhaltens als Ersatz für kostspielige und komplizierte Versuche erstellen. Dies ist jedoch mit vielen rechnerischen Herausforderungen verbunden. Das EU-finanzierte Projekt RAD-FIRE, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, entwickelte genaue und effiziente Brandmodelle für technische Zwecke. Diese Innovation beseitigt die Schwierigkeiten, mit denen frühere Formen der Brandmodellierung konfrontiert waren. Die Modellierung des Brandverhaltens umfasst einen Bereich der Computerwissenschaften, der als numerische Strömungsmechanik bezeichnet wird und das Ganze unter Berücksichtigung des Zusammenspiels vieler komplexer Variablen simuliert. Am wichtigsten bei Bränden ist die Wärmestrahlung, d. h. Wärme, die nicht über Luftströme oder Wärmeleitung, sondern direkt von der Quelle übertragen wird. Eine Herausforderung für die Modellierung „Die Modellierung der Wärmestrahlung in CFD-Codes zur Simulation von Bränden war schon immer eine echte Herausforderung für die Fachleute der Bereiche Brandforschung und Modellierung“, so der außerordentliche Professor und Projektkoordinator Siaka Dembele. „Einfache Modelle, die den Strahlungswärmeanteil schätzen, können problemlos auf Computern ausgeführt werden, liefern jedoch aufgrund ihrer Vereinfachung ungenaue Ergebnisse.“ Vorhersagen aus diesen einfachen Modellen sind nicht besonders zuverlässig. Im Gegensatz dazu sind computergestützte Methoden wie die Methode der Diskreten Ordinaten oder das Finite-Volumen-Verfahren weit fortgeschrittener und genauer, stellen allerdings auch hohe Anforderungen an die Rechenleistung. Diese Methoden erfordern lange Rechenzeiten, was für die technischen Fachleute, die viele Simulationen schnell ausführen müssen, sehr teuer und unpraktisch ist. Einfach und doch genau „Was aktuellen Brandschutz-CFD-Codes fehlt, ist eine praktikable Zwischenlösung“, fügt Prof. Dembele hinzu. Genau das bot RAD-FIRE. „Unser neues Modell behält die Schärfe und Genauigkeit der fortgeschrittenen Modelle bei und bietet gleichzeitig reduzierte Rechenzeiten.“ Für das Ingenieurwesen stellt dies eine komfortable Lösung dar, die zuverlässig und ausreichend genau ist. Ein Schlüssel zur Verbesserung ist die Berechnung der Strahlungseigenschaften der Verbrennungsgase (hauptsächlich Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid). Wärmeenergie wird hauptsächlich als Infrarotstrahlung übertragen. Wie Licht kommt auch die Infrarotwelle in vielen verschiedenen Wellenlängen vor, die Farben entsprechen, die sich im sichtbaren Spektrum wie ein Regenbogen ausbreiten. Heiße Gase geben Energie als Emissionslinien ab und absorbieren auch Energie in Linien. Durch Verbrennung könnten Tausende Emissions- und Absorptionslinien erzeugt werden. Aktuelle fortgeschrittene Ansätze zur Modellierung der Gasstrahlung stellen jede Linie getrennt dar, daher die langen Rechenzeiten. Das Forscherteam von RAD-FIRE vereinfachte die Spektralberechnungen von Tausenden von Linien zu wenigen großen Bändern ähnlicher Linien. Ein zweites Element der verbesserten Modellierung ist die Vereinfachung der Kernberechnungen. Das Team entwickelte eine Methode mit zwei Näherungswerten zur Berechnung der Strahlungswärmeübertragung eines Brandes. Die Aufteilung der Berechnungen führt dabei zu einem wesentlich einfacheren Algorithmus als bei früheren Methoden. Die Forschergruppe befand die Methode für ausreichend geeignet, um Flammeigenschaften bestimmen zu können. Die neuen Modelle von RAD-FIRE verkürzen die Rechenzeit in einigen Fällen um mehr als das Hundertfache. Die Genauigkeit der neuen Methode ist jedoch vergleichbar mit der alten. Die beträchtlichen zeitlichen und finanziellen Kosten gegenwärtiger Methoden zur Brandsimulation haben die Ingenieurinnen und Ingenieure bislang davon abgehalten, sie anzuwenden. Mit dem nun als Alternative zur Verfügung stehenden neuen Algorithmus von RAD-FIRE können sie Brände jetzt wirtschaftlich und genau modellieren, was zu besseren Vorhersagen und sichereren Gebäuden führt.

Schlüsselbegriffe

RAD-FIRE, Brand, Modellierung, CFD, Brandschutz, Wärmestrahlung, Verbrennung, Ingenieurwesen, numerische Strömungsmechanik, Wärmeübertragung

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