Časopis 112 ROČNÍK XVI ČÍSLO 12/2017

V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA dočtete o požáru výrobních a skladovacích hal v Kopřivnici. Dozvíte se o CFD modelování v požární vědě a inženýrství. V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM přinášíme další novinky chemické služby VII. Dočtete se o taktickém cvičení VLAK 2017. V rubrice OCHRANY OBYVATELSTVA A KRIZOVÉHO ŘÍZENÍ informujeme o taktickém cvičení složek integrovaného záchranného systému v bytovém komplexu Alzheimercentra a Senior domu. Dále o podzimních lesních požárech v Evropě a návrhu změn v mechanismu CO Unie. Nebo také o tom, jak vodohospodáři vyvíjejí nové metody ochrany vody. Ve dnech 14. a 15. září 2017 šestý ročník mezinárodní konference Krizové řízení a řešení krizových situací. V informacích se dozvíte o jmenování ředitele HZS Moravskoslezského kraje do generálské hodnosti. Zmíníme o Dni požární bezpečnosti 2017. Příloha časopisu - Vyznamenání u příležitosti státního svátku Dne vzniku samostatného československého státu. 

Společným úkolem požární vědy a inženýrské praxe je vytvořit prostředí, ve kterém by bylo minimalizováno riziko vzniku požáru a jeho případné následky na zdraví osob, ochranu majetku a životní prostředí. Na základě této spolupráce vznikly normy požární bezpečnosti, lze taktéž využívat ruční výpočty nebo zjednodušené výpočetní modely. Jako moderní nástroj k dosažení těchto cílů lze v dnešní době využít matematické modelování metodou počítačové dynamiky tekutin (CFD – Computational Fluid Dynamics). CFD je komplexní univerzální nástroj, sloužící k analýze problémů zahrnujících tok tekutin a může být úspěšně aplikován na široké spektrum úloh.

Běžně se využívá v automobilovém a leteckém průmyslu (obtékání těles, chlazení), ve strojním a chemickém průmyslu (turbíny, čerpadla, cyklony, výměníky tepla), v předpovědi počasí, v biomedicíně, v oblasti ochrany životního prostředí, ale také např. ve sportu. V oblasti požární bezpečnosti lze využití CFD obecně rozdělit do tří kategorií - požární bezpečnost staveb, vyšetřování příčin vzniku požáru a věda a výzkum. Co ale potřebujeme o CFD a jeho aplikačních možnostech vědět, abychom ho dokázali jako nástroj správně využít?

Aplikační oblasti
V inženýrské praxi se s CFD modely požáru setkáváme nejčastěji v oblasti požární bezpečnosti staveb jako s nástrojem pro předpověď šíření kouře a tepla od zdroje hoření v budovách či částech budov. Modely jsou využívány např. pro analýzu rizika vystavení osob tepelnému působení a zplodinám hoření, pro studium interakce požáru se systémy detekce a zařízeními pro odvod kouře a tepla nebo vlivu požáru na konstrukce. Nárůst počtu těchto modelů jde ruku v ruce se dvěma faktory – s větší dostupností výkonné výpočetní techniky a s celosvětovým trendem rozvoje alternativních přístupů k zajištění požární bezpečnosti, tzv. Performance Based Design. V oblasti návrhu požárně bezpečnostních řešení staveb pracujeme převážně s CFD modely, kde je zdroj hoření specifikován jako tzv. návrhový požár, tedy řekněme jednoduše plocha, ze které se uvolňuje předem definované množství tepla a spalných produktů. Volba návrhového požáru je pro danou analýzu kritická a musí se opřít o inženýrské posouzení cílů, které chceme modelem dosáhnout, a zvolených kritérií, kterými chceme dané cíle dokázat. Jde však čistě o volbu tvůrce modelu. Kromě odchylky od reality dané použitím zjednodušených modelových představ probíhajících dějů a jejich matematickou implementací do modelu, tak k celkové chybě nebo lépe řečeno nepřesnosti numerické simulace ještě výrazně přispívá to, jakým způsobem je model nastaven uživatelem a jeho inženýrská analýza vstupních údajů a požadovaných výstupů modelu.

Simulovat proces rozvoje požáru, a ne jen jeho následků, je úkolem CFD ve většině aplikací v oblasti vyšetřování příčin vzniku požáru. Analýzou CFD se snažíme provést rekonstrukci průběhu rozvoje požáru a studujeme příčiny, které rozvoj a šíření požáru ovlivňovaly. Schopnosti CFD požárních modelů předpovídat rozvoj požáru jsou ale stále silně omezeny. Jejich širšímu využití brání vysoká komplexita problematiky hoření týkající se plynné i pevné fáze, velký počet materiálů, které takové modely mohou zahrnovat, a fakt, že jejich vlastnosti, vzhled a chování se při vystavení tepelnému působení mohou výrazně měnit.

Z hlediska výzkumu a vývoje lze CFD použít jako nástroj sloužící k lepšímu pochopení základních procesů dynamiky požáru a k tvorbě modelů, kterými můžeme popsat fyzikální a chemické procesy probíhající při hoření. CFD analýzy se mohou uplatnit také při vývoji nových zařízení, kde mohou výrazně šetřit finanční náklady. Velkorozměrové požární zkoušky jsou finančně extrémně nákladné a CFD nám může pomoci zúžit studované scénáře, zlepšit návrh experimentů a snížit tak počet prováděných zkoušek. Další oblastí využití je pak studium scénářů, které nelze vůbec nebo jen velmi obtížně realizovat experimentálně ať už právě z hlediska finančního, nebo především z hlediska bezpečnosti.

Oblasti, které stále zůstávají spíše na poli vědeckého využití CFD než běžné inženýrské praxe a jsou stále aktivně vyvíjeny, jsou především požáry s nedostatečným přívodem vzduchu a s tím spojené nedokonalé spalování a tvorba oxidu uhelnatého, dále predikce tvorby sazí, jejich depozice na pevné povrchy a jejich oxidace, popřípadě problematika hašení, přesněji řečeno interakce kapek s proudem horkých spalin, ochlazování pevných povrchů a v důsledku toho potlačení rychlosti uvolňování hořlavých plynů.

Jak bylo naznačeno, CFD je velmi užitečný nástroj v mnoha oblastech jak požární vědy, tak požárního inženýrství. Každý, kdo pracuje s matematickými modely, si ale musí být neustále vědom toho, že model je jen napodobení reality. Jak věrné napodobení reality model poskytne, je pak dáno přesností modelu, ale také tím, jak věrně realitu, kterou chceme napodobit, dokážeme popsat. CFD model nám vždy poskytne výsledek, ale sám o sobě nedokáže zajistit, že výsledek bude mít vypovídající hodnotu. Kvalitně nastavený CFD model s nekvalitními vstupy vyústí v nekvalitní simulaci. CFD tak klade vysoké nároky na odbornost jak osob, které simulace vytváří, tak osob, které posuzují výsledky CFD analýz. Požadovaná odbornost má dvě roviny. První je znalost samotného principu CFD. Každý uživatel CFD si musí být vědom aspektů, které přímo ovlivňují kvalitu výstupů modelu. Druhou rovinu pak tvoří zvolené simulované požární scénáře a s tím úzce související validace CFD modelu pro danou aplikační oblast.

Úvod do CFD
Jádrem každého CFD kódu je soustava parciálních diferenciálních rovnic, které vyjadřují zákon zachování hmoty, energie a hybnosti v prostoru požáru a jeho okolí – tedy v tzv. výpočetní doméně. Tyto rovnice popisují, jak se spojitě mění tok tekutin (v našem případě plynu) v čase a prostoru. Tuto soustavu rovnic nejsme schopni pro většinu praktických úloh vyřešit analyticky, a získat tak přesné řešení v každém bodě domény. Proto využíváme numerických metod, abychom našli přibližné řešení v tzv. diskrétních objemech. Každý diskrétní objem odpovídá jedné buňce výpočetní sítě, která vyplňuje výpočetní doménu. Výsledkem výpočtu je informace, jak se proměnné (teplota, koncentrace zplodin, rychlost proudění atd.) mění v prostoru a v čase. V rámci jednoho kontrolního objemu jsou ale hodnoty proměnných v daném časovém kroku konstantní. Přesnost, s jakou nalezneme přibližné řešení, je určena právě velikostí kontrolních objemů, tedy velikostí výpočetní sítě. Čím přesnější řešení a tedy prostorově detailnější informaci chceme získat, tím jemnější výpočetní síť potřebujeme. S narůstajícím počtem buněk ale neúměrně narůstá výpočetní náročnost, protože soustava parciálních diferenciálních rovnic je řešena v každém kontrolním objemu sítě.

Výpočetní síť
Principem CFD modelu je hledání přibližného řešení řídicích rovnic toku tekutin v diskrétních objemech daných výpočetní sítí. Vytvoření kvalitní výpočetní sítě je tedy základním předpokladem pro vytvoření kvalitní CFD simulace. Podle aplikace, složitosti geometrie a samozřejmě možností numerického řešiče daného výpočetního softwaru, jsou výpočetní sítě obecně tvořeny různými druhy mnohostěnů, nejčastěji šestistěny, pětistěny a čtyřstěny. V rámci jedné sítě mohou být buňky stejných nebo různých typů, ale také různých velikostí. S tím, jaké prvky může síť obsahovat, souvisí také to, jak geometricky složité výpočetní geometrie můžeme vytvářet. V každém CFD řešiči musí všechny objekty tzv. sedět na síť – musí se volit takové rozměry, aby hrany objektů odpovídaly hranám jednotlivých výpočetních buněk. Řešiče, které pracují pouze s buňkami ve tvaru kvádru, nedovolují vytvářet zakřivené a jinak geometricky složité předměty. Jsou z tohoto hlediska uživatelsky méně přívětivé. Přesto je síť tvořena pouze z kvádrů jedinou možnou sítí v praxi nejběžněji využívaném požárním CFD softwaru FDS. Software FDS používá pro numerické řešení parciálních diferenciálních rovnic tzv. metodu sítí, která je velmi robustní, ale vyžaduje právě pravidelnou síť. Druhou metodou používanou ve valné většině CFD řešičů je metoda konečných objemů.
Vliv velikosti buňky výpořetní sítě LES modelu
Problémy spojené s hořením jsou úlohy velmi komplexní, při kterých procesy probíhají na velmi rozdílných prostorových, ale i časových měřítkách. Klasická aplikace CFD (např. požár uvnitř místnosti) je úlohou, ve které se v rámci procesu transportu spalin a tepla bude výrazně uplatňovat konvekce probíhající na relativně velkém prostorovém měřítku. Ve stejné úloze se ale taktéž bude výrazně uplatňovat difuzní transport v blízkosti povrchů pevných látek a oblasti plamene, který probíhá na velmi malém prostorovém měřítku. Na obdobnou situaci narážíme například i v oblasti reakční chemie. Uvádí se, že pro zachycení všech detailů spojených s procesy hoření v plynné fázi potřebujeme výpočetní síť s prostorovým rozlišením menším než jeden milimetr. Spočítat výpočetní doménu skutečné velikosti pro některé aplikace z oblasti požární bezpečnosti staveb jako např. požár v prostoru atria obchodního centra, není s takto jemnou sítí možné ani s nejvýkonnějšími počítači. Proto je vždy nutné určit si cíl simulace – jaká kritéria přijatelnosti mají být zjišťována: Pokud je cílem posoudit zachování dostatečné výšky neutrální roviny na nechráněných únikových cestách nebo jiných prostor dále od ohniska požáru, je možné uvažovat s délkou hrany výpočetní buňky v desítkách centimetrů. Výpočet s velmi jemnou výpočetní sítí, maximálně v řádech centimetrů, je ale nutné použít tehdy, když potřebujeme znát tvar a velikost plamene a jeho přímý účinek na konstrukce.

Existují korelace, které vztahují charakteristickou velikost požáru k velikosti buňky výpočetní sítě tak, aby byl požár dostatečně dobře z hlediska prostorového měřítka numericky aproximován. Tyto korelace je ale třeba brát jako doporučení, jakýsi počáteční odhad, protože jsou odvozeny z empirických vztahů platných pro omezený rozsah podmínek. Neexistuje univerzální pravidlo pro volbu velikosti buňky sítě. Vždy je nutné provést citlivostní analýzu sítě neboli zda velikost sítě ovlivňuje proměnné, podle kterých model posuzuji. Například jak moc se změní výška rozhraní kouřové vrstvy nebo teplota pro spuštění stabilního hasicího zařízení, zmenším­ li velikost buňky. Pokud se vybraná kritéria budou výrazně lišit, nelze toto řešení považovat za řešení reprezentující danou modelovou situaci a je nezbytné zvýšit rozlišení výpočetní sítě.

Modelování turbulence
Převážná část požárních úloh, kromě speciálních případů, jako je např. laminární plamen svíčky, je spojená s turbulentním (vířivým) tokem plynů. Turbulence silně ovlivňuje stoupající proud horkých spalin nasáváním čerstvého vzduchu z okolí. Turbulence ovlivňuje také reakční chemii v plynné fázi, protože turbulentní proudění je dominantnější než difuzní procesy při mísení hořlavých plynů a kyslíku. Schopnost modelu co nejvěrněji popsat časově silně proměnnou a nahodilou turbulentní strukturu toku plynů v oblasti požáru tak silně ovlivňuje přesnost, s jakou model dokáže predikovat dynamiku požáru.

Jak již bylo řečeno, některé procesy spojené s prouděním tekutin a dynamikou požáru probíhají v prostorovém měřítku menším, než je velikost jednoho kontrolního objemu, jsou tedy z numerického hlediska nezachytitelné v rámci výpočetní sítě. To se týká i problematiky turbulence, tedy zachycení vírových struktur a jejich vlivu na dynamiku požáru v rámci výpočetní sítě.

V principu existují tři možné způsoby, jak přistupovat k modelování turbulence: metoda přímé numerické simulace DNS (Direct Numerical Simulation), metoda velkých vírů LES (Large Eddy Simulation) a metoda středovaných Navierových­ Stokesových rovnic RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Pro podrobný popis daných metod odkazujeme čtenáře na odbornou literaturu. V kontextu tohoto článku je mezi těmito metodami základní rozdíl. DNS má v rámci požární problematiky využití jen u velmi malého počtu úloh, typicky z oblasti vědy a výzkumu. Obecně se dá říci, že vyžaduje buňky o velikosti menší než 1 mm. V tomto rozlišení bychom tedy měli být schopni zachytit i ty procesy na prostorově nejmenší škále, a tedy i ty nejmenší vírové struktury jsou přímo počítány. Pro praktické inženýrské CFD požární úlohy se využívá metoda LES nebo RANS. Při využití metody LES lze zjednodušeně říci, že jen ty vírové struktury, které jsou větší, než je velikost výpočetní sítě, jsou počítány přímo. Menší vírové struktury jsou modelovány různými korelacemi. Při využití metody RANS nejsou přímo počítány žádné vírové struktury, turbulentní struktury jsou všechny modelovány. Jak již bylo řečeno, turbulentní proudění je silně nahodilé a veličiny, které ho popisují (jako například rychlost) silně fluktuují. V případě metody RANS se nicméně pracuje s časově zprůměrovanými hodnotami. Získané tokové pole tak realisticky reprezentuje celkový vývoj systému, respektive veličin, které ho popisují v čase, ale nedokáže zachytit okamžité fluktuace, jako je tomu u LES. CFD software s modelem turbulence RANS tedy lze např. použít, zajímá­ li nás průměrná výška plamene, nelze ho ale využít v případě, že nás zajímá, jak plamen fluktuuje v čase. Dá se obecně říci, že pro využití v oblasti modelování požáru je pro svou schopnost realističtěji reprezentovat turbulentní tok, respektive jeho nahodilý charakter, vhodnější použít metodu LES. Zároveň tato metoda klade o to vyšší nároky na kvalitu sítě. Jestliže nebude výpočetní síť pro danou aplikaci dostatečně jemná, tokové pole a tím tedy dynamika požáru bude výrazně zkreslena.

Ostatní modely a okrajové podmínky specifické pro požární CFD řešiče
CFD je jako metoda obecně aplikovatelná na široké spektrum problémů z mnoha různých odvětví, jako je letectví, automobilový průmysl, biomedicína, chemické procesy, energetika, sport a mnoho dalších. Obecný princip CFD, jak byl popsán výše, je ve všech řešičích zachován stejný. Jednotlivé řešiče se ale liší právě numerickou implementací a také dodatečnými implementovanými modely, které popisují procesy specifické pro určitou konkrétní problematiku. V případě CFD řešičů v oblasti požární bezpečnosti se jedná o řešiče, kde se kromě toku tekutin vyvolaného převážně volnou konvekcí musí matematicky popsat minimálně také proces spalování plynů, radiaci a výměnu tepla a hybnosti mezi horkými plyny a stěnami, respektive objekty ve výpočetní doméně. Všechny tyto procesy, jejichž matematický popis musí zahrnovat každý požární CFD řešič, jsou samy o sobě velmi složité a v požárních úlohách se uplatňují všechny vzájemně. Matematický popis těchto procesů je proto v mnoha případech značně zjednodušený.

Dá se říci, že jakýmsi vnitřním bojem vývojářů i uživatelů CFD řešičů je, jak najít správný poměr mezi komplexitou daného modelu a přesností výsledků. Máme použít co nejpřesnější matematický model, který poskytne velmi reálnou predikci, ale zvýšíme tím výrazně komplexitu modelu, a tak i časovou náročnost výpočtu, nebo použijeme model, který je ve svém principu zjednodušením daného děje, ale pro inženýrskou analýzu poskytne uspokojivou predikci v reálně únosném výpočetním čase? Výpočetní čas simulací se výrazně liší podle velikosti domény, velikosti buněk, použitých modelů a mnoha dalších faktorů. V každém případě jsou výpočty časově náročné, pohybující se pro reálné inženýrské aplikace v řádech hodin i dní. Pro každou studii je nutné provést sadu několika simulací s různým nastavením, jemností sítě, okrajovými podmínkami atd. Kompletní CFD analýza se tak obvykle pohybuje v řádu týdnů.

Každý uživatel CFD řešiče si tedy musí být vědom toho, jaké fyzikální modely CFD řešič implementuje k popisu jednotlivých procesů, jaké jsou limity, respektive zjednodušení použitých modelů proti skutečné fyzikální podstatě daného procesu a jaká omezení plynou také z numerické implementace. Nelze očekávat např. podrobné detaily o toxicitě spalin, použijeme­ li řešič, který uvažuje zjednodušenou spalnou reakci, kdy vznikající plyny obsahují pouze vodní páru, CO2 a CO a uživatel použije zjednodušenou představu plynného paliva a nezadá reálné složení hořlavých plynů. Při vyhodnocování výsledků CFD simulace je vždy třeba brát v úvahu tyto limitace a ty zohlednit při interpretaci výsledků.

To souvisí s problematikou validace modelů. Uživatel CFD řešiče je odpovědný za to, že si je vědom, zda je řešič pro simulaci daného problému validován, tedy že bylo prokázáno porovnáním s experimentem, že predikce modelu je realistická. V praxi se bohužel často setkáváme s tím, že je CFD řešič využit ke studiu jevu nebo procesu, který vlastně řešič „neumí“. Využití řešiče mimo oblast jeho validace může být v pořádku v oblasti vědy a výzkumu, ale nesmí být takto aplikován, používáme­ li řešič pro prokázání zajištění bezpečnosti ve stavební prevenci.

Uživatelé kladou stále další a další nároky na požární CFD řešiče, aby byly aplikovatelné v oblastech, jako je např. využití stabilních hasicích zařízení – řešič pak musí obsahovat model popisující kapalný sprej a interakci kapek s okolním prostředím. Další oblastí je např. simulace využití systémů pro odvětrání kouře a tepla, řešiče pak musí obsahovat modely popisující nucenou konvekci. Další aplikační oblastí je využití CFD pro studium systémů detekce a mnoho dalších. S rostoucí komplexitou ale dále rostou nároky na znalosti uživatelů CFD řešičů.

CFD a jeho využití v oblasti požární bezpečnosti staveb
V případě požární bezpečnosti popisujeme obecně systémy s vysokou variabilitou. Existuje mnoho možných zdrojů iniciace požáru, obrovské množství různých druhů hořlavých materiálů a tedy různé požární zatížení, které je velmi často proměnné. Neustále se vyvíjí nové konstrukční systémy a stavební materiály. Existuje tedy obrovské množství možných scénářů, které mohou ve skutečnosti nastat, a aplikačních možností CFD modelování v oblasti návrhu, v požárně bezpečnostním řešení jako celku, nebo v jeho jedné aplikaci je široká škála. Postihnout modelem každý požární scénář v jedné konkrétní úloze není časově reálné. Prvotní úlohou tvůrce modelu je pak vybrat reprezentativní scénáře a odůvodnit jejich volbu tak, aby získané výsledky simulace bylo možné považovat za vypovídající ve vztahu k celému systému. Obvykle se vybírají tzv. nejhorší scénáře. Ale to může být samo o sobě zavádějící hledisko. Volba scénářů musí být vždy řádně zdůvodněna a je prvotním předpokladem pro úspěšnou simulaci. Zvolíme­ li scénáře, kterými se budeme zabývat, je třeba dále zvolit tzv. kritéria přijatelnosti, tedy kritéria, kterými budeme dokazovat, že požárně bezpečnostní řešení je či není v pořádku. Kritéria přijatelnosti mohou být například: teplota v daném požárním úseku nepřeroste po určitou dobu stanovenou hodnotu, po určitou dobu bude zachována viditelnost větší než stanovená hodnota, stabilní hasicí zařízení zareaguje do stanoveného času, a nedojde tak k šíření požáru, zařízení pro odvod kouře a tepla dokáže zajistit, že výška neutrální roviny bude nad stanovenou výškou atd.

Tato kritéria se velmi často používají k posouzení bezpečnosti osob např. při evakuaci a nesou s sebou tedy vysokou odpovědnost. Modelované scénáře a posuzovaná kritéria přijatelnosti jsou úzce provázána a vyžadují velmi pečlivou inženýrskou analýzu. V úvodu již bylo řečeno, že modely v oblasti požární bezpečnosti staveb pracují ve valné většině s tzv. návrhovými požáry. Studujeme­ li tedy interakci požáru s okolím a bude použit špatně zvolený návrhový požár, můžeme sice pro daný scénář splnit kritéria přijatelnosti, ale pro nereálnou situaci a skutečnost může být zcela odlišná.

Už bylo také zmíněno, že v oblasti stavební prevence musí být kladen důraz na to, aby byly modely využívány jen v oblastech, pro které jsou validovány. Pokud validace není dostupná, je nezbytné správnost výsledků simulace podložit experimenty. S validací modelu také souvisí jeho nejistota. Z popsaného textu by čtenáři mělo být zřejmé, že není možné uvažovat o splnění kritéria, jestliže model předpovídá hodnotu teploty pod stropem v maximu 249 °C a kritérium přijatelnosti je 250 °C. Určit nejistotu modelu, neuvádí­ li ji přímo vývojáři modelu pro jednotlivé validované oblasti, je velmi obtížné. Uživatel nicméně musí tento faktor uvážit při posuzování výsledků a tvorbě závěrů.

Na obrázku je zobrazen teplotní řez vedoucí středem plynového hořáku o průměru 20 cm s výkonem 100 kW/m2 umístěném na volném prostranství. Čtyři simulace se liší pouze velikostí výpočetní buňky. Tvar plamene a tak i dynamika požáru v bezprostřední blízkosti zdroje se výrazně mění se zmenšující se velikostí buňky.

O problému využití CFD v požární bezpečnosti staveb by se dalo dlouze diskutovat. Neexistuje obecný návod, který by byl aplikovatelný na všechny případy. Cílem tohoto článku bylo upozornit na základní aspekty, které je třeba si ve spojitosti CFD a modelování požáru uvědomit, aby se CFD stalo v každodenní praxi požárních inženýrů opravdu pomocným nástrojem a ne spíše přítěží.

Literatura:
[1] K. McGrattan, S. Miles; Modeling Fires using Computational Fluid Dynamics; SFPE Handbook of Fire Protection Engineering 2016
[2] B. Merci, T. Beji; Fluid Mechanics Aspects of Fire and Smoke Dznamics in Enclosures; CRC Press 2016
[3] G. H. Yeoh, K. K. Yuen; Computational Fluid Dynamics in Fire Engineering; Academic Press 2009


kpt. Ing. Lucie HASALOVÁ, Ph.D., foto archiv Technického ústavu požární ochrany

Print  E-mail  X Corp.   Facebook