Simulazione dell’incendio con modelli CFD ed FDS

A partire dalla metà degli anni novanta la fire science e la fire engineering hanno giovato del continuo progresso della fluidodinamica computazionale (CFD: computational fluid dynamics), sia sul piano della ricerca circa la modellazione dei fenomeni fisici, sia dal punto di vista della implementazione tecnologica di tali modelli mediante algoritmi di calcolo e grazie alla potenza sempre crescente dei calcolatori elettronici.

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Nel campo della simulazione CFD dell’incendio le strade percorribili sono essenzialmente due:

  • la prima prevede l’utilizzo di modelli CFD general purpose applicati allo studio degli effetti dell’incendio (Fluent, StarCD)
  • la seconda prevede l’applicazione di modelli sviluppati ad hoc per lo studio dell’incendio e dei suoi effetti (FDS, Smartfire, OpenFOAM)

Modelli CFD general purpose

Vengono nel seguito indicati i principali vantaggi e svantaggi connessi ai modelli CFD general purpose (quali ad esempio Fluent e StarCD) utilizzati in applicazioni di studio dell’incendio.

Vantaggi:

  • sono user-friendly ed in genere ricchi di accessori per il set-up degli scenari ed il trattamento dei dati;
  • sono in generale diffusi, fino a poter essere considerati standard di fatto.

Svantaggi:

  • non si sono diffusi nel settore dello studio dell’incendio a differenza di quanto è accaduto in altri settori tecnologici (ad esempio lo studio del raffreddamento dei chip o del moto di un elica);
  • non modellano la combustione ma ne richiedono i parametri caratteristici (andamento temporale della potenza) quali dati di ingresso.

CFD ad hoc per l’incendio

Anche nell’utilizzo dei modelli CFD sviluppati appositamente per lo studio dell’incendio e delle sue conseguenze, si riscontrano vantaggi e svantaggi.

Vantaggi:

  • nascono e sono ottimizzati per lo studio dell’incendio;
  • nonostante l’ottimo grado di affidabilità, sono relativamente recenti e di conseguenza riservano ampie prospettive di continuo sviluppo.

Svantaggi:

  • necessitano di una buona conoscenza del fenomeno dell’incendio e non sono user-friendly;
  • richiedono una discreta competenza a livello di calcolo numerico e generalmente non sono di immediato utilizzo;
  • la descrizione geometrica del problema è in genere onerosa.


Fire Dynamics Simulator (FDS)

Fire Dynamics Simulator (FDS) è un modello sviluppato dal NIST che simula l’incendio e ne predice gli effetti, cui è associato Smokeview, un post-processore grafico che può essere utilizzato per analizzare i dati prodotti da FDS.

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FDS risolve una forma delle equazioni di Navier-Stokes appropriata per i flussi termici a bassa velocità di fumi e gas generati in un incendio. FDS è stato oggetto di numerosi studi di validazione sia interni al NIST sia di enti esterni.

FDS permette la modellazione dell’incendio a partire da un database di materiali standard, distribuito con il programma, ma consente all’utente l’introduzione di nuovi materiali definiti in base alle caratteristiche chimico-fisiche ed ai dati di incendio sperimentali. La dinamica dell’incendio è poi simulata in base ai parametri che caratterizzano ciascun materiale presente nel dominio di simulazione, ciascuno con le proprie caratteristiche di infiammabilità e combustione o di reazione all’incendio. Infatti, in base a questi dati, FDS risolve numericamente (con un metodo ai volumi finiti) le equazioni che modellano la reazione di combustione ed i fenomeni di trasporto, tenendo conto dinamicamente delle mutue interazioni tra i processi.

FDS è in grado di calcolare e conseguentemente fornire come dati di uscita, previo un opportuno set-up della simulazione in modo che le quantità di interesse vengano effettivamente calcolate, i valori di tutte le variabili, scalari e vettoriali, calcolate in ciascuna delle celle del dominio, utili alla comprensione dei fenomeni ed alla analisi degli effetti (concentrazioni delle specie chimiche, distribuzioni delle temperature / pressioni / velocità dei gas / fumi, visibilità, …).

 

Hughes Associates Europe e FDS

Hughes Associates Inc. (ora Jensen Hughes della quale Hughes Associates Europe è ora l’ufficio europeo) ha applicato il software FDS per modellare scenari di simulazione di incendio, anche durante le fasi di primo sviluppo da parte del NIST.

Il primo studio di Hughes Associates Europe srl attraverso la modellazione con FDS è stato quello condotto in collaborazione con i Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, nel 1999, analizzando scenari di incendio come:

  • incendio catastrofico in galleria autostradale, con valutazione della diffusione di fumi e specie chimiche nonché irraggiamento termico sugli elementi strutturali e su portoni tagliafuoco;
  • incendio di auto in galleria con studio dell’interazione di impianto di protezione sprinkler;
  • incendi e propagazione di fumi con coinvolgimento di cavi di segnale e potenza, di rack elettronici.

 

L’esperienza diretta di Hughes Associates Europe si è concretizzata negli anni attraverso l’applicazione di questi modelli a molteplici studi.