FDS (Fire Dynamics Simulator) använder en version av Navier-Stokes ekvationerna för att göra noggranna beräkningar av värme- och gastransport genom brandbelastade utrymmen. Utvecklarna av programmet arbetar kontinuerligt med att validera det allteftersom nya funktioner tillförs för att öka noggrannheten och bredda tillämpningsområdena. Väldigt lite av detta arbete fokuserar dock på FDS:s konduktionsmodell, den endimensionella Crank-Nicolson metoden. Det här examensarbetet ämnar därför undersöka noggrannheten i FDS:s konduktionsmodell genom jämförelse mot beräkningar med FEM (Finita elementmetoden). En FDS-modell skapades för att tillåta undersökning av en vägg och dess randvillkor med så liten påverkan från andra faktorer som möjligt. Detta för att skapa en kontrollerad omgivning som enkelt kunde replikeras i efterföljande FE-beräkningar av det konduktiva värmeflödet genom den solida obstruktionen. Tre väggar (10 cm betong, 20 cm betong och 1 mm stål) vardera med tre randvillkor (Exposed, Void och Insulated) utsattes för tre temperaturer (100 °C, 500 °C och 1000 °C) vilket ger 27 FDS simuleringar. Den adiabatiska yttemperaturen mättes i varje simulering och användes som indata till motsvarande FE-beräkningar. Resultatet påvisade inga signifikanta motsägelser vad gäller randvillkoren, med tillräcklig tid för termisk penetrering påverkade de den resulterande temperaturen som väntat. Undantaget var en mindre avvikelse i stålväggarna som utsattes för 100 °C och 500 °C med randvillkoren Exposed och Void där FDS aningen underskattade temperaturen relativt FE-beräkningarna. Gastemperaturerna i gridcellerna närmast väggen visade sig vara opålitliga. De tenderade att genomgå substantiella fluktuationer, troligen som ett resultat av hur FDS hanterar diskretiseringen av icke-solida volymer för Navier-Stokes beräkningarna. Dessa fluktuationer påverkade dock inte de resulterande solida temperaturerna eftersom medelgastemperaturen var korrekt. FDS påvisades även ha en tendens att aningen överskatta yttemperaturen under de första minuterna av simuleringarna relativt FE-beräkningarna. Temperaturerna från de två beräkningsmetoderna konvergerade dock efter några få minuter i samtliga tester. Dessa avvikelser ansågs ha för liten påverkan på de solida temperaturerna för att påvisa onoggrannhet i FDS. Därmed drogs slutsatsen att FDS:s beräkningar av temperaturer i solida material är tillräckligt noggranna inom dessa avgränsningar. / FDS (Fire Dynamics Simulator) uses a version of the Navier-Stokes equations to make accurate calculations of heat and gas flow through enclosures exposed to fire. The developers of FDS have, and continue to, validate it as new features get added in an attempt to increase its accuracy and broaden its potential applications. However, little of this effort is focused on FDS’ conductive heat transfer model, based on the one-dimensional Crank-Nicolson method. Thus, this study aims to test the accuracy of FDS’ conduction model by comparing it to calculations using FEM (Finite Element Method). FDS simulations were created so as to facilitate the study of a wall and its boundary conditions with as little interference from other factors as possible. This to create a controlled environment which easily could be replicated in the subsequent FE-calculations of the conductive heat flow through the solid obstructions. Three different walls (10 cm concrete, 20 cm concrete and 1 mm steel), each with the three different boundary conditions for the rear surface (Exposed, Void and Insulated), were exposed to three different temperatures (100 °C, 500 °C and 1000 °C) for a total of 27 FDS simulations. The adiabatic surface temperature was measured in each simulation in FDS and used as input for the corresponding FE-calculations. The results showed no clear inconsistencies in the boundary conditions, given enough time for thermal penetration they affected the resulting temperatures as expected. Save a slight deviation in the steel walls exposed to 100 °C and 500 °C with boundary conditions Exposed and Void where FDS slightly underestimated the temperature relative to the FE-calculations. The gas temperatures in the grid cells closest to the wall were found to be unreliable as they tended to undergo substantial fluctuations, likely as a result of how FDS handles the discretization of non-solid space for the Navier-Stokes calculations. These fluctuations were however not found to affect the solid temperatures as the mean gas temperature was accurate. FDS was also found to have a tendency to slightly overestimate the surface temperature in the first few minutes of the simulations relative to the FE-calculations. Though the resulting temperatures from the two methods converged after a few minutes at most in all tests. These deviations were considered to have too minor an impact on the solid temperature to justify claims of inaccuracy in FDS. Thus, the general conclusion of this study is that FDS’ predictions of solid phase temperatures are sufficiently accurate within these delimitations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-79973 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Lindqvist, Petter |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0031 seconds