Simulation von Wärme- und Rauchentstehung bei Schwelbränden mit ANSYS CFX

Transkript

1 Simulation von Wärme- und Rauchentstehung bei Schwelbränden mit ANSYS CFX Dr. Andreas Spille-Kohoff CFX Berlin Software GmbH Frederik Rabe, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

2 Inhalt Einleitung Was ist ein Schwelbrand? Warum sind Schwelbrände bedeutsam? Warum ist die Simulation von Schwelbränden wichtig? Vorstellung des Forschungsprojekts Partner, Förderung, Ziele Erste Ergebnisse Cone Calorimeter DIN-Rohr amerikanisches Wohnhaus Zusammenfassung und Ausblick Folie 2

3 Einleitung Was ist ein Schwelbrand? Schwelen (Pyrolyse) bezeichnet eine unvollständige Verbrennung bei ungenügender Sauerstoffzufuhr. Dabei entstehen brennbare Gase und Dämpfe sowie unoder teilverbrannte Folgeprodukte, von denen viele stark giftig oder krebserregend sind: Kohlenstoffdioxid CO 2 (ab 8 vol-% Bewusstlosigkeit) Kohlenstoffmonoxid CO (ab 0,4 vol-% nach wenigen Min. tödlich) Salzsäure HCl, Brom-/Fluorwasserstoff HBr/HF Blausäure (Cyanwasserstoff) HCN, Ammoniak NH 3 Ruß, Teere Die Rauchgase sind stark sichtbehindernd. Folie 3

4 Einleitung Warum sind Schwelbrände bedeutsam? Schwelbrände sind häufig die Initialphase von Bränden. Giftige Rauchgase und Dämpfe führen zu Bewusstlosigkeit und Tod. Rauchgase und Dämpfe behindern die Sicht und erschweren so die (Selbst-)Rettung. Schwelphase wird intensiver und kürzer: stark gestiegener Einsatz von Kunststoff bei Einrichtungsgegenständen und Gebrauchsgütern (z.b. Kaltschaummatratzen, Kunststoffgefäße, Sitzbezüge, Vorhänge, Gehäuse) Kinderzimmer mit viel Kunststoffspielzeug (z.b. Lego, Playmobil) und Plüschtieren Folie 4

5 Einleitung Brandversuch an der BAM: Folie 5

6 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 0 min Folie 6

7 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 1 min Folie 7

8 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 2 min Folie 8

9 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 3 min Folie 9

10 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 4 min Folie 10

11 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 5 min Folie 11

12 Einleitung Brandversuch an der BAM: Zeitpunkt: 6 min Folie 12

13 Einleitung Schwelbrand als Initialbrand: Zündquelle (Kerze, Zigarette, Elektronik) entzündet lokal brennbare Stoffe Initialbrand (ca. bis zur 4. Minute) erzeugt toxische brennbare Gase, die zur Decke steigen lokaler Brand (ca Minute) erzeugt Wärme und erhitzt damit die Rauchgase und andere Gegenstände, die dann Rauchgase abgeben Übergang in die Vollbrandphase: Rauchgasdurchzündung (Rollover) schlagartige Entzündung brennbarer Gegenstände (Flashover) Rauchgasexplosion (Backdraft) Folie 13

14 Einleitung Warum ist die Simulation von Schwelbränden wichtig? Schwelbrände in der Initialphase Hauptgrund für Gesundheitsbedrohung und Fluchtbehinderung Schwelbrandphase bestimmt späteren Brandverlauf Rückschluss auf Brandverlauf nach echten Bränden kaum möglich (meist nur Endzustand mit Löschspuren) Brandversuche nur bedingt aussagekräftig: realistische Brände erfordern reale Gebäude und Einrichtungen Messungen meist nur punktuell möglich hohe Temperaturen und Rauchbildung erschweren Messungen Reproduzierbarkeit kaum zu gewährleisten Folie 14

15 Inhalt Einleitung Was ist ein Schwelbrand? Warum sind Schwelbrände bedeutsam? Warum ist die Simulation von Schwelbränden wichtig? Vorstellung des Forschungsprojekts Partner, Förderung, Ziele Erste Ergebnisse Cone Calorimeter DIN-Rohr amerikanisches Wohnhaus Zusammenfassung und Ausblick Folie 15

16 Vorstellung des Forschungsprojekts Titel: Simulation von Schwelbränden, Entwicklung, Anwendung Projektpartner: CFX Berlin Software GmbH, Berlin Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berlin Förderung: bis zum Programm "Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand" (ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF Projekt GmbH Folie 16

17 Vorstellung des Forschungsprojekts Ziele des Forschungsprojekts: Schwelbrandmodelle beschreiben die Erzeugung von Wärme und Rauchgasen Materialdaten geben an, welche Wärmeenergie und was für Rauchgase ein Stoff unter welchen Voraussetzungen abgeben kann, Rauchgasdaten beschreiben, wie brennbar, wie toxisch und wie sichtbehindernd ein entstandenes Gas ist, Simulationsumgebung bildet die Wechselwirkungen zwischen den schwelenden Objekten und dem Brandraum ab, beschreibt die Ausbreitung von Wärme und Rauchgasen und stellt den Übergang in den Vollbrand dar experimentelle Daten zur Kalibrierung und Validierung Folie 17

18 Vorstellung des Forschungsprojekts Folie 18

19 Inhalt Einleitung Was ist ein Schwelbrand? Warum sind Schwelbrände bedeutsam? Warum ist die Simulation von Schwelbränden wichtig? Vorstellung des Forschungsprojekts Partner, Förderung, Ziele Erste Ergebnisse Cone Calorimeter DIN-Rohr amerikanisches Wohnhaus Zusammenfassung und Ausblick Folie 19

20 Erste Ergebnisse Cone Calorimeter zur Messung des Abbrandverhaltens: Materialprobe wird mit konstanter Wärmestrahlung (z.b. 25 kw/m²) belastet Waage misst Massenverlust über der Zeit FTIR (Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer) und Sauerstoffanalysator im Rauchabzug zur Gasanalyse Ziel der Messung: Bestimmung der Wärmefreisetzungsrate über der Zeit bei verschiedenen Wärmebelastungen, zusätzlich Gaszusammensetzung Ziel der Simulation: möglichst exakte Abbildung zur Validierung der Schwelbrandmodelle Folie 20

21 Erste Ergebnisse Quelle: M. Werrel, Masterthesis, Uni Wuppertal 2011 Folie 21

22 Erste Ergebnisse Simulation des Cone Calorimeters: Geometrie und Gitter: Abmessungen Ø 1 m x H 1 m 2,6 Mio Knoten 6,6 Mio Elemente (Tet/Prism) Randbedingungen: Einströmung: 2,5 l/s Absaugung: 12 l/s Wärmelast: 750 C Modelle: Luft als Idealgas mit Auftrieb SST-Turbulenzmodell Discrete Transfer-Strahlungsmodell, Surface-to-Surface stationäre Simulation Folie 22

23 Erste Ergebnisse Folie 23

24 Erste Ergebnisse DIN-Rohr zur Messung der Rauchentwicklung: Probekörper befindet sich in einem Quarzrohr Ofen wird über Probekörper hinweggefahren FTIR zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Rauchgase Messung der Lichtschwächung Messstrecke Ofen DIN-Rohr Folie 24

25 Erste Ergebnisse Simulation des DIN-Rohrs: Geometrie und Gitter: DIN-Rohr (Ø 39 mm, L 1,4 m) mit Heizbereich (Ofen), Messstrecke, Auffangbehälter und Spüleinlässen 2,1 Mio Elemente (Tet+Prism) Randbedingungen Materialprobe als Gaseinlass (Polyurethan 0,05 g/s C 9 H 6 N 2 O 2 ) Luftzufuhr 0,1g/s + Spülgaseinlässe Modelle: Eddy Dissipation-Verbrennungsmodell Monte-Carlo-Strahlungsmodell Folie 25

26 Erste Ergebnisse O 2 CO 2 PUR H 2 O CO HCN Folie 26

27 Erste Ergebnisse Brandversuch in einem amerikanischen Wohnhaus am NIST (2004) Quelle: C. Knaust, Dissertation, TU Wien 2009 Folie 27

28 Erste Ergebnisse Geplante Varianten: Geometrie und Gitter Schrägdach Berücksichtigung der Wand Elementtyp und Auflösung Modelle Verbrennung Strahlung Turbulenz Schwelbrandmodelle Quellvorgabe genauere Modellierung Folie 28

29 Erste Ergebnisse 100 C-Isofläche Folie 29

30 Erste Ergebnisse 100 C-Isofläche Folie 30

31 Erste Ergebnisse 100 C-Isofläche Folie 31

32 Erste Ergebnisse 100 C-Isofläche Folie 32

33 Erste Ergebnisse 100 C-Isofläche Folie 33

34 Erste Ergebnisse 100 C-Isofläche Folie 34

35 Zusammenfassung und Ausblick Untersuchung der ANSYS-Modelle auf Eignung für Brandsimulationen Implementierung verschieden komplexer Schwelbrandmodelle und deren Anbindung an die Vollbrandphase Aufbau einer Datenbank für Schwelmodelle und Rauchgase Vergleich mit Schwelbrandexperimenten und Brandversuchen Entwicklung von Bewertungsmöglichkeiten für Toxizität und Sichtbehinderung Folie 35