Doorzoek volledige site
05 februari 2015

Opinie: Het gebruik van CFD in Fire Safety Engineering voor een betere brandveiligheid

Bart Merci.
"Enkele voorbeelden zijn de optimalisatie van de aerodynamica van formule 1 wagens, de reductie van emissies van verbrandingsmotoren, tot zelfs de vormgeving van hartkleppen voor een verbeterde doorstroming van het bloed doorheen het hart." Illustratie | Thecesworld.org

Computational Fluid Dynamics (CFD) is een geavanceerde methodologie om, met behulp van de computer, stromingen in kaart te brengen. Bart Merci, professor en coördinator van het departement van Flow, heat and combustion mechanics, gaat in dit stuk dieper in op de aandachtspunten omtrent CFD. Geïnteresseerden kunnen een opleiding over CFD volgen aan de UGent, die start op 23 maart 2015. 

"Het gebruik van CFD is vandaag de dag wijdverspreid, mede dankzij de immer toenemende kracht van computers. Enkele voorbeelden zijn de optimalisatie van de aerodynamica van formule 1 wagens, de reductie van emissies van verbrandingsmotoren, tot zelfs de vormgeving van hartkleppen voor een verbeterde doorstroming van het bloed doorheen het hart. Hoe kan dit enorme potentieel nu benut worden in het kader van brandveiligheid? Dit kan in het kader van Fire Safety Engineering, een ingenieursaanpak om brandveiligheid te bepalen. Er zijn enkele belangrijke principes.

Een eerste aandachtspunt is dat, ondanks de steeds toenemende mogelijkheden op gebied van hardware en software, niet alle details van een brand kunnen worden gesimuleerd. In elke brand is de stroming turbulent en vindt verbranding plaats (waardoor we vlammen zien). De warmte die vrijkomt, zorgt ervoor dat de brand kan groeien of integendeel beperkt blijft in grootte. Dat hangt ook af van de beschikbare zuurstof. Bij gebrek aan zuurstof, wordt de verbranding trager en kan de brand zelfs uitdoven. Bij brand wordt ook roet gevormd, hetgeen na de brand duidelijk zichtbaar is onder de vorm van een zwarte afzetting op muren en plafonds. Elk van de genoemde fenomenen (turbulentie, verbranding, straling, warmteoverdracht, roetvorming) is zo complex dat het tientallen jaren zou duren om een berekening te doen van één enkel brandscenario. Het spreekt voor zich dat dit niet praktisch werkbaar is. Daarom moeten al deze fenomenen gemodelleerd worden: niet alle details worden gesimuleerd, maar hun effect op de dynamica van de brand wordt vervangen door een model, zodat de berekeningen minder lang duren. Een juiste modelkeuze zorgt ervoor dat de resultaten betrouwbaar blijven, zoals mag blijken uit de voorbeelden van de inleidende paragraaf van dit artikel.

Een tweede aandachtspunt betreft het zogenaamde rekenrooster. Het is immers onmogelijk om op elk punt in de ruimte en op elk moment de brand te volgen. Dat zou leiden tot letterlijk oneindig lange rekentijden. Daarom wordt elke ruimte onderverdeeld in een (groot) aantal rekencellen, die samen het rekenrooster vormen in het volume waarin men de brand wil volgen. Het vereenvoudigen van de geometrie en het bepalen van een voldoende fijn rekenrooster zijn belangrijke aspecten om nadien tot betrouwbare resultaten te komen.

Bovenstaande kan kwantitatief gemaakt worden door de beschikbare rekenkracht (ACR – Available Computer Resources) te vergelijken met de vereiste rekenkracht voor betrouwbare simulaties, binnen een aanvaardbare termijn (RCR – Required Computer Resources). Het is steeds belangrijk om af te wegen waar men de beschikbare rekenkracht in investeert (bv. in een fijner rekenrooster, dan wel in meer geavanceerde modellen of in meerdere brandscenario’s).

De tot dusver genoemde aspecten zijn niet per se typisch voor brand. Wat echter wel een wezenlijk verschil uitmaakt tegenover de in de inleidende paragraaf genoemde voorbeelden, is de onzekerheid in de randvoorwaarden. We weten immers niet a priori welke brand er zal uitbreken, hoe precies de opstelling van het interieur zal zijn op het moment van de brand, welke ramen of deuren er open of dicht zijn, hoe hard het waait, etc. Het ingeven van de randvoorwaarden vereist dus niet alleen inzicht en kunde, maar worden ook best op voorhand doorgepraat met de autoriteiten, zodat duidelijk is wat de ontwerpomstandigheden zijn voor het brandveiligheidsconcept. Men mag, met andere woorden, niet uit het oog verliezen dat CFD een (erg nuttige) tool is binnen het kader van een Fire Safety Engineering aanpak van brandveiligheid, maar geen doel op zich.

Last but not least is er de competentie van de gebruiker. Het correct toepassen van CFD is van primordiaal belang om betrouwbare resultaten van de computer te ontvangen. Dit is echter geen sinecure. Een goed inzicht in de mogelijkheden en beperkingen van de eerder genoemde modellen (turbulentie, verbranding, straling, …) en het correct kwantificeren van de randvoorwaarden (brand, ventilatie, wind, …) vereist de nodige opleiding en ervaring. Aan het Instituut Voor Permanente Vorming aan de Universiteit Gent wordt momenteel een dergelijke opleiding aangeboden, gecoördineerd door Prof. Merci, een expert in CFD in Fire Safety Engineering: http://www.ivpv.ugent.be/CFD  Een must voor wie meer te weten wil komen over de mogelijkheden en beperkingen van deze techniek van de toekomst! De opleiding start op 23 maart 2015."

GERELATEERDE DOSSIERS