Modellierung von Brandszenarien mit CFD: Fid-Bau Portal

Modellierung von Brandszenarien mit CFD

Knaust, Christian / Schneider, Ulrich / Krause, Ulrich / Hofmann, Anja

In den neuen Eurocodes werden zur Erstellung von Brandschutzkonzepten neben Tabellen und vereinfachten Rechenverfahren auch allgemeine Ingenieurmethoden wie die die Modellierung und Berechnung von Brandszenarien mit numerischen Methoden zugelassen. Die Kontrolle und Bewertung der mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) ist allerdings nicht einfach. Ziel der vorgestellten Untersuchung ist die Modellierung eines Wohnungsbrandes. Eingesetzt wurden analytische Rechenverfahren wie Plumeformeln, Berechnungsansätze für Ceiling Jet Temperaturen sowie Geschwindigkeiten sowie zur Berechnung der Rauchschichthöhe und der Brandraumtemperatur und die Zonenmodelle CFAST und MRFC verwendet. Es erfolgt eine Gegenüberstellung von Rechenergebnissen der numerischen Verfahren FDS und FLUENT und Messergebnissen aus einem Brandversuch des National Institute of Standards and Technology (NIST) an einem amerikanischen Wohnhaus. Es zeigte sich, dass die für eine Gegenüberstellung von Messergebnissen und Rechenergebnissen vorauszusetzende Bekanntheit der Mess- und Rechenunsicherheiten bei Anwendung unterschiedlicher Modelle und verschiedener Rechenprogramme nicht gewährleistet ist. Die Rechenergebnisse streuen teilweise erheblich und weisen Artefakte auf. Ein Grund dafür ist, dass in FDS der Einfluss des groben Gitters im CFD-Modell mit einer empirischen Konstante mit nicht veränderbarem Wert die Stöchiometrie der Stofffreisetzungsrate der Mischungsfraktion reduziert, wodurch Flammenhöhe und -Struktur beeinflusst werden. Dieses Korrekturverfahren zur Anpassung der Reaktion an grobe Gitterweiten erfolgt in FLUENT nicht. Zudem ist nicht sicher, ob die in FDS im Korrekturverfahren in Ansatz gebrachte empirische Konstante für jedes Brandereignis oder jeden Brandverlauf geeignet ist. Die Fülle der in FLUENT im chemischen Reaktionsmodell notwendigen Einstellungen, der zur Berechnung benötigten Stoffkennwerte und der Kennwerte führt zu Schwierigkeiten, weil viele der auftretenden Parameter nicht ausreichend erforscht sind. Die Streuung der Rechenergebnisse und die Abweichungen vom durchgeführten Experiment bestätigen, dass Prognosen zu Brandverläufen durch Anwendung unterschiedlicher Rechenverfahren stets mehrfach abgesichert werden müssen. Sinnvoll sind Prognosen auf Grundlage einfacher Modelle, die auf der sicheren Seite liegende Ergebnisse liefern, wenige Eingabewerte erfordern und bereits durch Versuche abgesichert sind. Sollen Bilanzgleichungen eines CFD-Modells einer Prognose zugrunde gelegt werden, sind mindestens zwei unterschiedliche CFD-Programme zu nutzen.