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

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Innovativo modello di propagazione degli incendi bilancia velocità e precisione

Sviluppare modelli di incendi può essere difficile e costoso e quindi i tecnici raramente se ne preoccupano. Un nuovo sistema rende questa operazione più semplice.

Sicurezza

Gli incendi sono sempre stati una seria preoccupazione per la sicurezza, e lo sono tuttora in Europa. Sebbene la tendenza sia in generale al ribasso, l’Europa conta ancora circa 4 000 morti all’anno a causa delle decine di migliaia di incendi in edifici o abitazioni. Il costo per l’Europa supera i 100 miliardi di euro all’anno. Pertanto i tecnici della sicurezza antincendio devono regolarmente modellare il comportamento al fuoco non potendo effettuare esperimenti costosi e complicati. Tuttavia, farlo pone molte sfide computazionali. Il progetto finanziato dall’UE RAD-FIRE, realizzato con il sostegno del programma Marie Curie, ha sviluppato modelli accurati ed efficienti di comportamento al fuoco a uso ingegneristico. L’innovazione risolve le difficoltà delle precedenti forme di modellazione degli incendi. La modellazione del comportamento al fuoco coinvolge un ramo del calcolo chiamato dinamica dei fluidi computazionale (brevemente detta CFD, Computational Fluid Dynamics in inglese), che simula tutto il processo, prendendo in considerazione l’interazione di molte variabili complesse. Ciò che più importa negli incendi è la radiazione termica, cioè il calore che viaggia direttamente dalla sorgente invece che attraverso correnti d’aria o conduzione. La sfida modellistica «La modellazione della radiazione termica nei codici CFD per la simulazione di un incendio è sempre stata una vera sfida per i vigili del fuoco e i modellatori», afferma il professore associato Siaka Dembele, coordinatore del progetto. «Modelli semplici, che stimano la frazione di calore radiativo, possono essere facilmente eseguiti su computer, ma forniscono risultati imprecisi a causa delle loro semplificazioni». Le previsioni di questi semplici modelli non sono molto affidabili. Al contrario, le tecniche di calcolo, compreso il metodo delle ordinate discrete o il metodo del volume finito, sono molto più avanzate e accurate, ma anche estremamente esigenti in termini di requisiti di calcolo. Questi metodi richiedono lunghi tempi di calcolo, il che è molto costoso e poco pratico per i tecnici che devono eseguire rapidamente molte simulazioni. Semplice ma accurato «Ciò che manca negli attuali codici CFD di sicurezza antincendio», aggiunge il prof. Dembele, «è una soluzione credibile di compromesso». Questo è ciò che RAD-FIRE ha fornito. «Il nostro nuovo modello mantiene il rigore e la precisione dei modelli avanzati, riducendo al contempo i tempi di calcolo». Ciò significa una soluzione conveniente per i tecnici, affidabile e sufficientemente accurata. Una delle chiavi per il miglioramento è il calcolo delle proprietà radiative dei gas di combustione (nella fattispecie vapore acqueo, anidride carbonica e monossido di carbonio). L’energia termica viene trasferita principalmente come radiazione infrarossa; come la luce, l’onda infrarossa è disponibile in molte lunghezze d’onda distinte, analoghe ai colori, che si diffondono come un arcobaleno nello spettro visibile. I gas caldi emettono energia come linee di emissione e parimenti assorbono energia nelle linee. La combustione potrebbe produrre migliaia di linee spettrali di emissione e assorbimento. Gli attuali approcci avanzati per la radiazione di gas modellano ogni linea separatamente, da qui i lunghi tempi di calcolo. I ricercatori di RAD-FIRE hanno semplificato i calcoli spettrali da migliaia di linee a poche grandi fasce di linee simili. Un secondo elemento del miglioramento della modellizzazione è la semplificazione dei calcoli chiave. Il team ha sviluppato un metodo che prevede due approssimazioni per calcolare il trasferimento di calore radiativo del fuoco. Dividendo i calcoli si ottiene un algoritmo molto più semplice rispetto ai metodi precedenti. I ricercatori l’hanno trovato sufficientemente in grado di determinare le caratteristiche della fiamma. I nuovi modelli di RAD-FIRE riducono i tempi di calcolo di oltre 100 volte in alcuni casi. Eppure, l’accuratezza del nuovo metodo è paragonabile a quella del vecchio. I notevoli costi di tempo e finanziari degli attuali metodi di simulazione d’incendio hanno scoraggiato i tecnici dall’utilizzarli. Ora, grazie al nuovo algoritmo di compromesso di RAD-FIRE, gli ingegneri saranno in grado di sviluppare modelli di incendio in modo economico e preciso, portando a previsioni migliori e a edifici più sicuri.

Parole chiave

RAD-FIRE, fuoco, modellazione, CFD, sicurezza antincendio, radiazione termica, combustione, ingegneria, dinamica dei fluidi computazionale, trasferimento di calore

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