Vergleich von Computational Fluid Dynamics-Programmen in der Anwendung auf Brandszenarien in Gebäuden. Frederik Rabe, Anja Hofmann, Ulrich Krause

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1 Vergleich von Computational Fluid Dynamics-Programmen in der Anwendung auf Brandszenarien in Gebäuden Frederik Rabe, Anja Hofmann, Ulrich Krause

2 Gliederung Einleitung Grundlagen Grundlagen CFD NIST FDS ANSYS CFX Versuche und Simulationen Wohnzimmer Manufactured House (Realbrandversuch NIST) Ergebnisse und Ausblick Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

3 Einleitung Numerische Brandverlaufsberechnungen mit CFD - Techniken haben bei der Erstellung von Brandschutzkonzepten und Brandrisikoabschätzung eine immer größere Verbreitung Konflikt: Verwendung für Gutachten gegen Glaubhaftigkeit der Ergebnisse (CFD) verschiedene kommerzielle und frei-verfügbare Programme verbreitet 3 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

4 Was ist CFD? Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) Ziel: strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden lösen Modellgleichungen meist Navier-Stokes-Gleichungen verbreitetsten Lösungsmethoden Finite-Differenzen-Methode (FDM) Finite-Volumen-Methode (FVM) Finite-Elemente-Methode (FEM) 4 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

5 Simulationssoftware: NIST FDS National Institute of Standards and Technology (NIST) Fire Dynamics Simulator (FDS, Version5) Freie Software FDS-Software löst eine Form der Navier-Stokes- Gleichungen geeignet für niedrige Geschwindigkeiten, thermisch angetriebene Strömung, mit einem Schwerpunkt auf Rauch- und Wärmetransport bei Bränden Basiert auf Finite-Differenzen-Methode 5 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

6 Simulationssoftware: ANSYS CFX ANSYS, Inc. (CFX, Version 12.1) Kommerzielle Software Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen Allgemeines Tool für Strömungsprobleme, nicht nur speziell für Brände Basiert auf Finite-Volumen-Methode 6 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

7 Vergleich der Modelle NIST FDS Turbulenzmodell: LES Verbrennungsmodell: mixture-fraction combustion model, Laminar flamelet model, DNS ANSYS CFX Turbulenzmodell: LES, RANS und Mischformen Vielzahl von Verbrennungsmodellen 7 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

8 Geometrieerstellung NIST FDS 5 Textfile Ansys CFX 12.1 Design Modeler Pyrosim 2010 (Thunderhead) 8 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

9 Gittererstellung (Meshing) NIST FDS 5 Textfile Ansys CFX 12.2 Workbench / ICEM Pyrosim 2010 (Thunderhead) 9 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

10 Pre- Processing NIST FDS 5 Textfile Ansys CFX 12.1 CFX Pre Pyrosim 2010 (Thunderhead) 10 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

11 Solver NIST FDS 5 Ansys CFX 12.1 Keine Einstellung von Solver Parametern möglich Verfolgung des Lösungsverlaufes nur bedingt möglich Viele Solver Parameter einstellbar Gute Übersicht über den Konvergenzverlauf Setzen von Monitorpunkten möglich 11 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

12 Solver NIST FDS Kaum Einflussnahme möglich Gute Konvergenz Ansys CFX Viele Parameter einstellbar Konvergenz oft problematisch 12 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

13 Postprocessing NIST FDS Smokeview Ansys CFX CFX Post 13 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

14 Brandversuch amerikanisches Wohnhaus Geometrie: 14 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

15 Brandversuch amerikanisches Wohnhaus Geometrie Draufsicht: 15 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

16 Brandversuch amerikanisches Wohnhaus Geometrie Draufsicht: 16 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

17 Brandversuch amerikanisches Wohnhaus Wärme und Stofffreisetzung Wärmefreisetzungsrate aus dem Brand des Sessels Pyrolysegasmassenstrom aus dem Brand des Sessels 17 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

18 Vergleich Turbulenzmodelle NIST FDS Ansys CFX LES LES RANS 18 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

19 Vergleich konv. Strömung NIST FDS LES Ansys CFX RANS 19 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

20 Vergleich Wohnzimmer NIST FDS LES Ansys CFX RANS 20 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

21 Simulation des Trailerhauses 21 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

22 Simulation des Trailerhauses 22 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

23 Vergleich der Versuchsdaten mit Simulationen 23 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

24 Vergleich der Features NIST FDS Darstellung des Lösungsverlauf, Anzeige der durchgeführten Iterationen und Simulationszeiten Verfeinerungen des Netzes durch setzen eines feineren Netzes in das grobe Netz 24 Probleme beim ANSYS CFX Grafische Darstellung des Lösungsverlaufes für beliebige Größen, setzen von Solver-Parametern möglich Verfeinerungen des Netzes ohne Einschränkungen möglich Informationsaustausch Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

25 Vergleich der Features (2) NIST FDS Interfaces zwischen unterschiedlichen strukturierten Netzen möglich, jedoch mit numerischen Problemen Expliziter Löser für äquidistante strukturierte Netze ANSYS CFX Interfaces zwischen unterschiedlichen unstrukturierten Netzen möglich, Kommunikation in beide Richtungen Explizite und implizite Lösungsverfahren für unstrukturierte Netze 25 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

26 Zusammenfassung FDS besitzt einen stabilen Löser, jedoch ist er in den Einstellungsmöglichkeiten eingeschränkt, die Einstellungen zum Solvers sind nicht vorhanden. Punkte und Flächen an denen Ausgewertet werden soll, müssen in FDS vor der Berechnung definiert werden. CFX besitzt mehr Einstellungsmöglichkeiten, es ist schwieriger eine konvergente Lösung zu produzieren. Detaillierter Lösungsverlauf einsehbar Sehr viele Möglichkeiten im Post Processing 26 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

27 Ausblick Vergleich der Simulationen des Wohngebäudes in CFX und FDS Vergleich der Simulationen mit den Versuchsdaten 27 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Frederik Rabe 28

29 Simulationssoftware: NIST FDS Geometrieerstellung, Gitterherstellung & Preprocessing Thunderhead PyroSim 29 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

30 Simulationssoftware: NIST FDS Postprozessing: Smokeview 30 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

31 Simulationssoftware: ANSYS CFX Geometrieerstellung Design Modeler 31 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

32 Simulationssoftware: ANSYS CFX Gittererstellung: Workbench / ICEM CFX 32 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

33 Simulationssoftware: ANSYS CFX Solver CFX-Solver 33 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

34 Simulation des Wohnzimmers Simulation einer isothermen Strömung in NIST FDS 34 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

35 Simulation des Wohnzimmers Simulation einer isothermen Strömung in ANSYS CFX 35 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

36 Simulationssoftware: ANSYS CFX Post-Processing: CFX-Post 36 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

37 Simulation des Wohnzimmers Simulation einer konvektiven Strömung mit ANSYS CFX 37 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

38 Simulation des Wohnzimmers Simulation einer konvektiven Strömung mit NIST FDS 38 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

39 Simulation des Wohnzimmers Simulation einer konvektiven Strömung mit ANSYS CFX 39 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick

40 Simulation des Wohnzimmers Simulation einer konvektiven Strömung mit NIST FDS 40 Einleitung- Grundlagen Versuche und Simulationen - Ergebnisse & Ausblick