FDS-OHJELMAN UUSIA OMINAISUUKSIA Smo Hostkka VTT PL 1000, 02044 VTT Tvstelmä Fre Dynamcs Smulator (FDS) ohjelman vdes verso tuo mukanaan joukon muutoksa, jotka vakuttavat ohjelman käyttöön ja käytettävyyteen. Tärkemmät fyskaalsten mallen parannukset ovat kaasufaasn palamsmalln pävtys, joka mahdollstaa happrajottesten palojen entstä tarkemman smulonnn, ja uus knteän aneen lämmönsrtomall, jonka avulla vodaan entstä realstsemmn smuloda kerroksellsa ja monsta materaalesta koostuva rakenteta. Uusen pyrolyysmallen hyödyntämnen vaat kutenkn myös entstä suuremman joukon parametreja, joden määrttämseks smulonten tekjät joutuvat ponnstelemaan. Ertystä huomota FDS-ohjelman pävtyksen yhteydessä on knntetty ohjelman kelposuuden osottamseen luomalla ertynen verfont- ja valdonttapausten tetokanta ja dokumentaato. JOHDANTO Fre Dynamcs Smulator ohjelmasta on vme vuosen akana muodostunut tärken yksttänen paloturvallsuussuunnttelun työkalu. Kehtystyötä koordno edelleen Natonal Insttute of Standards and Technology. Muta kehttäjä ovat VTT ja Hughes Assocates Inc. Ohjelman vdes verso tuo mukanaan useta parannuksa ohjelman fyskaalsn mallehn sekä käytettävyyteen. Tärkemmät fyskaalsten mallen pävtyksen lttyvät kaasufaasn palamsreaktohn, ja epätäydellsen palamsen mallntamseen, sekä knteän aneen mallntamseen. Uudessa mallssa on mahdollsta kuvata kntetä monkerrokssa ja monkomponenttsa materaaleja, jolle vodaan lsäks määrtellä melvaltaset kemallset hajoamsreaktot. Tässä estelmässä luodaan katsaus uusn fyskaalsn mallehn ja nden käyttöön paloturvallsuussuunnttelussa. Uudet fyskaalset mallt luovat tarpeen entstä tarkemmlle ja monmuotosemmlle smulonnn lähtötedolle. Knteän aneen reaktoden ykstyskohtanen kuvaus esmerkks vaat neljä reaktoon lttyvää parametra per reakto. Tämän lsäks tarvtaan tavallsmmat termodynaamset omnasuudet kuten lämmönjohtavuudet ja omnaslämpökapasteett. Reaktoparametreja vodaan määrttää kemallslla penen mttakaavan termogravmetrslla kokella sekä mulla penen mttakaavan kokella, kuten kartokalormetr. Parametren määrttämnen vo olla kutenkn hyvnkn monmutkanen matemaattnen prosess, koska mkään koemenetelmä e suoraan mttaa tarvttava suureta. Materaalomnasuuksen määrttämseen kokeellssta tulokssta onkn kehtetty uusa epälneaarseen ja monulotteseen optmontn perustuva laskentamenetelmä [1,2]. Palosmulonnn soveltamsen ja sen avulla tehtyjen suunntelmen hyväksyttävyyden kannalta on tärkeää, että palosmulontohjelma on huolellsest dokumentotu, verfotu ja valdotu. Ertysest nämä tarpeet korostuvat ydnvomaloden turvallsuustarkastelussa. FDS-ohjelman dokumentonnssa onkn knntetty entstä enemmän huomota verfont ja valdonttetokannan dokumentontn ja tostettavuuteen. Perntesest mallen valdonnssa on vtattu mallen kehtysvaheessa julkastuhn teteellsn artkkelehn ja teknsn raporttehn. Jatkuvast kehttyven ohjelman yhteydessä valdontsmulonnt on kutenkn tostettava ja raportotava jokasen olennasen versopävtyksen jälkeen. FDS-ohjelmalle onkn tehty uuden
tyyppnen, erllnen verfont ja valdontraportt, jota pävtetään jatkuvast, ja johon lttyy avomest saatavlla oleven laskentatapausten tetokanta. UUSIA OMINAISUUKSIA Palamsmall Palosmulontohjelman tärken yksttänen fyskaalnen mall on palamsmall. Palamsmall laskee mssä ja kunka vomakkaast kaasumanen polttoane ja happ reagovat tuottaen lämpöä ja palamstuotteta. Reaktossa syntyvä lämpö on tärken vrtausta ja lämmönsrtoa ajava lähdeterm. Aemmssa FDS-versossa palamsmall on perustunut nopean keman oletukseen, jonka mukaan palamsta tapahtuu ana, kun polttoane ja happ kohtaavat. Tlanteta, jossa reaktota e tapahdu, kuvattn hyvn yksnkertasella lämpötlan ja happptosuuden perusteella tomvalla malllla. Nämä pääperaatteet ovat edelleen vomassa, mutta uudessa versossa etenkn happrajottesten palojen smulontn on tullut jotakn parannuksa. Ennen yhdestä reaktoaskeleesta muodostuva palamsreakto on jaettu kolmeen osaan sten, että hlmonoksdn muodostumselle ja edelleen hapettumselle on varattu omat reaktonsa. Lsäks palamattomat hlvedyt vovat palaa myöhemmn jouduttuaan kosketuksn hapen kanssa rttävän korkeassa lämpötlassa. Edellsssä versossa palamattomat hlvedyt evät enää myöhemmssä vahessa osallstua palamseen. Palamsreakto vodaan esttää kolmen askeleen reaktona Reakto 1: Polttoane + O 2 Polttoane + O 2 Reakto 2: Polttoane + O 2 CO + Muut palamstuotteet Reakto 3: Polttoane + O 2 CO 2 + Muut palamstuotteet Ensmmänen reakto tarkottaa nyt pelkkää sekottumsta, jonka yhteydessä e tapahdu palamsta. Käytännön tulpalossa palamseen osallstuu suur joukko erlasa kemallsa yhdstetä. Smulonnssa tämä kemallsten reaktoden suur joukko on kutenkn yleensä typstettävä yhteen tyypllseen reaktoon. Uudessa FDS-versossa tästä rajotuksesta vodaan luopua, jos käytetään äärellsen reaktonopeuden malla (fnte rate reactons). Äärellnen reaktonopeus tarkottaa, että reaktonopeus rppuu konsentraatoden lsäks myös lämpötlasta. Yllä kuvatussa parannuksssa on van osttan kyse varsnassta uussta fyskaalssta mallesta; enemmänkn kyse on kemallsten komponentten entstä tarkemmasta krjanpdosta. Käyttäjälle nämä parannukset vovat kutenkn näkyä happrajottesten palojen entstä tarkempana ja realstsempana kuvauksena. Knteän aneen lämmönsrto Knteän aneen lämmönsrto ja pyrolyysreaktoden mallnnus ovat oleellnen osa palosmulonta. Uudessa FDS-versossa on toteutettu joukko parannuksa, jotka helpottavat materaalen entstä realstsempaa smulonta. Tärken uussta omnasuukssta on kerroksellsten rakenteden mallntamnen. Käyttäjä vo määrtellä useta päällekkäsä
kerroksa, jotka vovat koostua er materaalesta ta materaalen seokssta. Laskenta perustuu edelleen yksulottesen lämmönsrtoyhtälön ratkasemseen dfferenssmenetelmällä. Lämmönjohtumsen lsäks uudessa FDS-versossa vodaan laskea myös sätelyn kulkeutumnen aneen ssällä. Tällä on huomattava merktys lämmön tunkeutumselle ja palamsnopeudelle ertysest nfrapunasätelylle läpnäkyvssä anessa kuten jossakn palavssa nestessä. Myös monen knteden aneden palamskäyttäytymnen muuttuu merkttäväst, kun sätelyn annetaan tunkeutua aneen ssälle. Tällasta käyttäytymstä vodaan olettaa ertysest huokosssa anessa, jotka ssältävät paljon sätelylle läpnäkyvää lmaa, mutta ovat näkyvän valon alueella läpnäkymättömä. Knteän aneen reaktossa ane tse reago ja muuttuu muks aneks. Anekomponentn massan muutoksen ja reaktonopeuden kaavat ovat t 0 N j j1 r S nj ; rj Aj e s 0 E A, j / RT s max 0, T T n T, j gn, j (1) Kerroksellsen rakenteen laskentaverkkoa on havannollstettu kuvassa 1. Kuva 2 havannollstaa reagoven materaalen laskentaa. Reaktovyöhykketä e enää oleteta äärmmäsen ohuks (korkean lämpövrran oletus) vaan reaktot ovat jatkuva tlavuusreaktota. Kuvassa 3 on havannollstettu esmerknomasest taustamateraaln vakutusta puumateraaln laskettuun palamsnopeuteen kartokalormetrkokeessa. Kokeen alussa ane syttyy ja reaktot tapahtuvat lähellä aneen pntaa, ekä taustalla ole juurkaan vakutusta palamsnopeuteen. Hlkerroksen muodostuttua reaktot tapahtuvat aneen ssällä, ja palamsnopeus penenee. Taustalla e edelleenkään ole suurta merktystä. Palamsen loppupuolella reaktot tapahtuvat lähellä aneen takapntaa, ja tausta vakuttaa vomakkaast palamsnopeuteen. Jos tausta oletetaan täysn erstetyks (nsulated back), palamsnopeus kasvaa erttän vomakkaast. Jos taas oletetaan, että lämmönsrto takapnnasta tapahtuu vapaan konvekton avulla normaaln huonelämpötlaan (vod back), laskee palamsnopeus keskvahetta alhasemmaks. Edellsssä FDS-versossa ol valttava nämä kaks äärpäätä. FDS:n versossa 5 vodaan puumateraaln alle määrtellä todellsen kaltanen taustamateraal, jollon smulotu palamsnopeus on näden kahden äärpään välllä, ja vastaavuus kokeellsn tuloksn on huomattavast helpomp saavuttaa. Kerros 2 Kerros 1 Kuva 1. Kerroksellsen rakenteen dskretont. Nuol osottaa kahden aneen rajapntaa.
HIILI PUU KOSTEUS TAUSTA REUNAEHTO Kuva 2. Esmerkk kerroksellsesta rakenteesta. Kuva 3. Taustareunaehdon vakutus puulevyn palamsnopeuteen kartokalormetrkokeessa. LÄHTÖTIETOJEN HANKKIMINEN JA DOKUMENTOINTI Kun palosmulonta käytetään osana tomnnallsta suunnttelua, on ohjelman käyttäjällä suur vastuu tulosten okeellsuudesta. Smulontohjelman kehttäjllä on tok vastuunsa stä, että ohjelma tom nn kun sen dokumentt antavat ymmärtää. Suunnttelutyössä tärken tuloksn vakuttava tekjä ovat kutenkn ohjelman lähtötedot. Ertysest tämä korostuu, jos smulonnssa yrtetään ennustaa tulpalon tehoa materaalen pyrolyysmalln avulla. Edellsten FDS-versoden mukana tul erllnen tetokanta kaasumasten, knteden ja nestemästen materaalen omnasuuksa (database-tedosto). Tetokanta ol alun pern tarkotettu varsnkn knteden aneden osalta van esmerkks käyttäjlle, jotta nämä vosvat määrtellä oma, tapauskohtasa materaalejaan, Varsnaset lukuarvot evät olleet ylespätevä, vaan lttyvät johonkn tettyyn sovellukseen. Akaa myöden käv kutenkn selväks, että tetokantaa käytettn väärn, eräänlasena referenssdatan lähteenä käskrjojen tapaan. Uudessa FDS-versossa materaaltetokantaa e enää ole. Nän ohjelman käyttäjät pyrtään pakottamaan ottamaan vastuu käyttämstään materaalomnasuukssta. Samalla materaalomnasuuksen lähde tulee dokumentoda kuten kakk muutkn smulonnn lähtötedot. Tämä tarve tulee korostumaan ertysest uuden pyrolyysmalln myötä. Entstä monmutkasempen reaktoden käyttö edellyttää myös entstä suurempaa joukkoa materaalkohtasa mall-
parametreja. Yhtä reaktota kohden tarvtaan käytännössä kolmesta vteen parametra: reaktonopeuden parametrt A ja E A, reaktolämpö (höyrystymslämpö) H sekä reaktotuotteden suhteet s, f ja w. Lsäks tarvtaan jokaselle anekomponentlle termset omnasuudet ja mahdollnen absorptokerron. Näden materaalomnasuuksen ja mallparametren määrttämseen e ole olemassa ajan tasalla olevaa ohjetta. Edellnen palomallen syötteden määrttämstä koskeva ohje, ASTM E1591-07 kosk lähnnä vyöhykemallen syöttetä, ekä rtä kattamaan nykysten smulontmallen huomattavast laajempaa syötejoukkoa. Yhdysvallossa ollaankn juur alottamassa hanketta, jossa aheesta krjotetaan uus SFPE Engneerng Gude. YHTEENVETO Fre Dynamcs Smulator (FDS) ohjelman uuden verson tärkemmät fyskaalsten mallen parannukset ovat kaasufaasn palamsmalln pävtys, joka mahdollstaa happrajottesten palojen entstä tarkemman mallntamsen, ja uus knteän aneen lämmönsrtomall, jonka avulla vodaan entstä realstsemmn smuloda kerroksellsa ja monsta materaalesta koostuva rakenteta. Uusen pyrolyysmallen hyödyntämnen vaat kutenkn myös entstä suuremman joukon parametreja, joden määrttämseks smulonten tekjät joutuvat ponnstelemaan. Ertystä huomota FDS-ohjelman pävtyksen yhteydessä on knntetty ohjelman kelposuuden osottamseen luomalla ertynen verfont- ja valdonttapausten tetokanta ja dokumentaato. LÄHDELUETTELO 1. Lautenberger, C.; Ren, G.; Fernandez-Pello, C. Applcaton of a Genetc Algorthm to Estmate Materal Propertes for Fre Modelng From Bench-Scale Fre Test Data. Fre Safety Journal, Vol. 41, No. 3, 204-214, 2006. 2. Ren, G.; Lautenberger, C.; Fernandez-Pello, A. C.; Torero, J. L.; Urban, D. L. Applcaton of Genetc Algorthms and Thermogravmetry to Determne the Knetcs of Polyurethane Foam n Smolderng Combuston. Combuston and Flame, Vol. 146, No. 1/2, 95-108, 2006.