مدلسازی حریق با نرم‌افزار پایروسیم

مقدمه

     آتش به عنوان پدیده‌ای که باعث پیشرفت بشریت در طول تاریخ شد شناخته می‌شود. اما آتش به همان میزان که مفید بوده، برای انسان و طبیعت خطر آفریده و آسیب رسانده است. آتش سوزی‌های مناطق طبیعی و آتش سوزی ساختمان‌ها و مراکزی که انسان‌ها در آن کار و یا زندگی می‌کنند بعضا جبران‌پذیر نبوده‌اند.

     مهندسان همواره در پی راه حل‌هایی برای پیش‌بینی و رفع خطر احتمالی ناشی از وقوع آتش‌سوزی هستند. شبیه‌سازی آتش به علت ماهیت پیچیده‌ی آن و اینکه بسیار تابع عوامل محیطی و در بعضی از مواقع غیرقابل پیش بینی است، کاری بسیار دشوار است. امروزه به کمک تکنولوژی و پیشرفت روزافزون آن، توانسته‌اند آتش را شبیه سازی کنند. کاری که تا چند دهه‌ی پیش بسیار سخت و طاقت‌فرسا و بعضا نشدنی می‌نمود.

     پیش بینی نحوه گسترش آتش و حریق یکی از مواردی است که به طراحان کمک می کند با لحاظ کردن تجهیزات مناسب، از گسترش شدید آن و نیز بروز خطراتی از قبیل خفگی و مسمومیت ناشی از دود جلوگیری نمایند. به این ترتیب می توان با ایجاد چیدمان مناسب و انتخاب صحیح تجهیزات تهویه، به تخلیه دود کمک کرد و در عین حال شرایط را برای جلوگیری از گسترش لایه دود و گازهای ناشی از احتراق به سمت پایین، فراهم نمود.

این روش ابزاری توانمند در تحلیل شرایط ایمنی افراد است.

  CFD در واقع ابزاری برای ارزیابی سامانه کنترل دود طراحی‌شده است.

  رویکرد اصلی، تقسیم هندسه محاسباتی به تعداد زیادی سلول کوچک و تحلیل روابط حاکم بر جریان سیال برای هر یک از سلول‌ها است.

  به حجم محاسبات بالا و روزها کار کامپیوترهای با توان پردازش بالا نیاز دارد.

  اغلب به منظور ارزیابی سامانه‌های حفظ شرایط ایمنی استفاده می‌شود.

شبیه‌ساز دینامیک حریق (FDS)

این مدل بر اساس کد فرترن و توسط NIST توسعه یافته است.

  FDS دارای ویژگی‌هایی است که در محاسبات شرایط ایمنی کمک می‌کنند.

  این مدل مختص شبیه‌سازی مباحث مرتبط با حریق و دود توسعه یافته و از این رو در کاربردهای فوق توانمند و سریع است.  

این مدل توانایی شبیه‌سازی جریان‌های ناشی از حریق را با جزئیات واقعی جریان‌های گردابه‌ای و اِدی‌ها دارد.   راستی‌آزمای و اعتبارسنجی در خصوص مدل FDS بیش از هر مدل CFD دیگری در این حوزه انجام شده است.

  شبیه‌سازی اغتشاشات با استفاده از مدل LES و DNS انجام می‌شود.   مواد سوختنی می‌توانند جامد، مایع و یا گاز باشند.   می‌توان نرخ حرارت آزاد شده از حریق را پیش از شبیه‌سازی تعریف کرد.   حریق‌ها می‌توانند منتشر شده و رشد پیدا کنند.   به منظور تحلیل سامانه‌های کنترل دود آتریوم معمولاً از مشعل‌های گازی با نرخ حرارت آزاد شده مشخص استفاده می‌شود.

نرم افزار Pyrosim

نرم افزار Pyrosim یک رابط کاربری گرافیکی برای شبیه سازی دینامیکی آتش FDS است که به کمک آن می‌توان آتش‌سوزی‌های پیچیده را مدل‌سازی و مدیریت کرد. FDS یک مدل بر اساس دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) برای جریان سیالات حامل آتش است . این مدل شکلی از معادلات نویر-استوکس را که برای سیالات با سرعت کم با تاکید بر دود و انتقال حرارت از آتش به صورت عددی حل می‌کند.این نرم افزار با دقت بالایی حرکت و رفتار دود، دما و گازهای سمی منتشر شده را شبیه سازی و مورد تحلیل قرار می‌دهد. با این نرم افزار به راحتی میتوانید با تنظیم پارامترهای مختلف یک آتش ساختگی را در یک محیط مشخص راه بیندازید و سپس مشاهده کنید که این آتش به چه صورتی گسترش پیدا میکند، دود حاصل از آن چه نوع حرکاتی دارد و چه گازهای سمی با چه غلظت و دمایی منتشر می شود. این اطلاعات برای طراحی ایمن تر ساختمان و محلهای مسکونی بسیار ارزشمند خواهد بود.

با استفاده از تحلیل FDS میتوان به سوالات زیر پاسخ داد:

دمای گاز و محیط اطراف پس از آتش سوزی چقدر خواهد شد؟

چه میزان دود تولید خواهد شد؟

چه مقدار گرما آزاد خواهد شد؟

دمای دیوارهای اطراف چقدر خواهد بود؟

برای پیشگیری از وقوع آتش چه باید کرد؟

بهترین مکان برای نصب آب پاش کجاست؟

ردیاب‌های دود و آتش چه زمانی فعال شوند؟

بهترین مکان برای قرار گرفتن درب فرار کجاست؟

و…

      قدرت این نرم افزار در آن است که تمام این سوالات را به شکل بصری و گرافیکی پاسخ خواهد داد. خروجی‌ مهم نرم‌افزار، یک شبیه‌سازی از محیطی است که کاربر به نرم افزار داده است. در این محیط  که Smokeview نام دارد کاربر تمام اتفاقاتی را که در حین آتش‌سوزی و پس از اتمام یا اطفای آن رخ می‌دهد را نظاره می‌کند. در عین حال کاربر می‌تواند در نقاط مختلف محیط ، دما را در هر زمان اندازه بگیرد. علاوه بر این‌ها ، نرم افزار به کمک حل معادلات خروجی‌های عددی متفاوتی را به عنوان نمودار به کاربر ارائه می‌دهد.

     به کمک شبیه سازی حریق  می توان سناریوهای مختلف  را در هنگام آتش سوزی در مکان هایی مانند: تونلهای راه آهن و مترو، تونلهای جاده ای، کارخانجات، کارگاهها، مجتمع های مسکونی و تجاری، پل ها و سایر موارد بررسی نمود.

به طور کلی این نرم افزار برای

  • محققین حوزه‌ی آتش
  • مهندسان آتش
  • طراحان سیستم امنیتی آتش‌سوزی
  • مشاوران
  • شرکت‌های بیمه

و  بسیاری از موارد دیگر که به صورت مستقیم یا غیر مستقیم با آتش سر و کار دارند، بسیار مفید است.

امکانات و ویژگی های PyroSim :

  • قابلیت وارد کردن مدلهای CAD از جمله DXF و DWG
  • استفاده از چندین نوع بافت یا mesh
  • پردازش موازی برای بهبود سرعت اجرای FDS
  • واسط کاربری ترجمه شده به چندین زبان مختلف
  • پشتیبانی از سیستم HVAC
  • توانایی وارد کردن مدلهای FDS موجود
  • دارا بودن کتابخانه ای از مشخصات مختلف برای افزایش سرعت تولید مدل و کاهش خطا
  • قابلیت ویرایش تعاملی اشیاء موجود در مدل
  • دارا بودن ابزارهای طراحی مختلف برای ایجاد سریع مدلهای مورد نظر شما
  • پشتیبانی از SmokeView برای مشاهده دود، دما، شتاب و سایر پارامرتهای خروجی FDS در هر زمان از فرایند تحلیل
  • پیشتیانی کامل از سیستم عاملهای ۳۲ بیتی و ۶۴ بیتی
  • قابلیت شبیه سازی کلاستری بر بستر یک شبکه از کامپیوترها
  • قابلیت تبدیل مدلهای FDS4 به FDS5

تصاویری از خروجی برنامه:

توزیع دود

کانتور دما

کانتور میدان دید

بردار سرعت

کانتور سرعت

توزیع دود

کانتور دما

مدلسازی فضا در شبیه‌ساز دینامیک حریق (FDS)

در FDS حوزه محاسباتی از یک یا چند شبکه محاسباتی تشکیل شده است.

  مواد سوختنی می‌توانند جامد، مایع و یا گاز باشند.

  شبکه محاسباتی یک متساوی‌السطوح به شکل یک جعبه مستطیلی است.

سلول‌های داخل شبکه محاسباتی نیز به شکل مستطیلی هستند.  

اجسام نازک مانند دیوارهای شیشه‌ای را نیز می‌توان به صورت اجسام دوبعدی شبیه‌سازی نمود.   

انواع شبیه سازی قابل انجام در نرم افزار پایروسیم

 شبیه سازی آتش سوزی و سیمولیشن نحوه پخش دود

این بخش، اصلی ترین کاربری نرم افزار پایرو سیم می باشد. به کمک این نوع شبیه سازی می توان با مشخص کردن شدت و موقعیت آتش فرضی، رفتار حریق و نحوه پخش دود حاصل از آتش گرفتن مواد مختلف را شبیه سازی کرد. باید توجه داشت که خصوصیات هر ماده در هنگام آتش گرفتن متفاوت می باشد و به همین دلیل مشخص کردن نوع متریالی که دچار آتش شده است از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین در بخش اول باید هندسه محیط به صورت کامل مدلسازی سه بعدی گردد و ساده سازی های مورد نظر انجام گردد.  

 شبیه سازی جریان هوای تهویه 

شبیه سازی و سیمولیشن جریان هوا در تهویه از موارد دیگری است که با نرم افزار پایرو سیم - Pyro sim قابل انجام است. در این حالت پس از آماده سازی مدل سه بعدی از هندسه، نوبت به طراحی ورودی ها و خروجی های کانالها و تجهیزات تهویه می باشد. در حقیقت شبیه سازی تهویه از نوع شبیه سازی و سیمولیشن CFD است که با نرم افزار پایروسیم نیز می توان آنرا انجام داد.  

 شبیه سازی و بررسی سیستم کنترل و اطفاء حریق اتوماتیک

یکی دیگر از کاربری های پایروسیم، شبیه سازی و بررسی عملکرد سیستم اطفا آتش خودکار و بررسی نحوه عملکرد سنسورهای دود می باشد. در این حالت و پس از مدلسازی هندسه محیط، موقعیت و مشخصات سنسورهای دود و سیستم اسپرینکر ها در نرم افزار وارد می شود. سپس با توجه به موقعیت و مشخصات حریق مورد نظر، مکان آتش فرضی و شدت آن تعریف می گردد. در ادامه سیستم کنترل و اطفا اتوماتیک حریق از لحاظ نحوه عملکرد و طبق برنامه ریزی انجام شده در نرم افزار پایروسیم وارد می شود و سپس با اجرای شبیه سازی، نحوه عملکرد سیستم کنترل و اطفا اتوماتیک حریق و سنسور ها در مواجهه با دود به صورت انیمیشن تهیه و مورد بررسی قرار می گیرد.  

 

 

استفاده از نرم‌افزار پایروسیم در کنترل دود آتریوم

در روش روابط جبری، از ناحیه گذار بین لایه دود و لایه عاری از دود صرف نظر می‌شود و در نتیجه در ناحیه گذار ممکن است ساکنین در معرض دود قرار گیرند.

  با استفاده از نرم‌افزار پایروسیم می‌توان تماس پلوم دود با دیوارها و تأثیر آنها بر عملکرد سامانه کنترل دود را به صورت واقع‌گرایانه شبیه‌سازی نمود.  

با استفاده از نرم‌افزار پایروسیم می‌توان تأثیر سرعت هوای جبرانی بر نحوه شکل گیری پلوم دود را شبیه‌سازی کرد.  

مدلسازی با  نرم‌افزار پایروسیم توانایی شبیه‌سازی واقع‌گرایانه پلاگ‌هولینگ را دارد.

  تمامی هندسه‌ها و اشکال مختلف بالکن را می‌توان شبیه‌سازی نمود.

  توانایی شبیه‌سازی اثرات وزش باد بر سامانه‌های کنترل دود را دارد.

استفاده از نرم‌افزار پایروسیم در سامانه‌های تهویه راه‌پله

ایده کلی این سامانه‌ها، رقیق‌سازی محصولات احتراق جهت حفظ شرایط ایمنی در محیط راه‌پله است.

  این رویکرد پتانسیل خوبی در حفاظت راه‌پله‌های ساختمان‌های بلند مرتبه و پیچیده در مقابل دود دارد.

  به واسطه داشتن مقادیر دود نسبتاً غلیظ به صورت موضعی، امکان تحلیل با استفاده از مدل‌سازی شبکه‌ای لزوماً وجود ندارد.  

تحلیل و شبیه‌سازی تخلیه نفرات

بر اساس IBC 2015, 909.4.7 سامانه کنترل دود بایستی به مدت 20 دقیقه و یا 1/5 برابر مدت زمان خروج ساکنین عملکرد مناسب داشته باشد. (هر کدام که بیشتر بود)   بنابراین نیاز به شبیه‌سازی دقیق تخلیه نفرات وجود دارد.   روش‌های مختلف شبیه‌سازی تخلیه نفرات:   استفاده از روابط جبری (سرعت، چگالی، جریان مخصوص، دبی جریان و ...)   مدل ساده‌سازی شده   تحلیل جداگانه هر مؤلفه   مدل‌های تخلیه بر مبنای محاسبات کامپیوتری

تحلیل و شبیه‌سازی تخلیه نفرات با مدل EVAC

مدلی توانمند و با قابلیت‌های فراوان در شبیه‌سازی تخلیه نفرات که توسط NIST توسعه یافته است.   برخی از قابلیت‌های نرم افزار Pathfinder:   تعیین سرعت‌های متفاوت برای افراد   گروه‌بندی افراد با یکدیگر   تعیین تأخیرهای متفاوت برای هر یک از افراد   تعیین مسیر خروج برای هر یک از افراد   امکان مشاهده نتایج FDS درطول فرایند تخلیه نفرات