Implementação de modelos atualizados de gás cinza no software FDS para predição do fluxo de calor radiativo em incêndios

Abstract

Este trabalho tem como objetivo implementar e testar modelos de gás cinza atualizados na rotina de radiação térmica do software Fire Dynamics Simulator (FDS), além da utilização do próprio modelo de gás cinza disponível no software, para a predição do fluxo de calor radiativo. Os modelos de gás cinza estudados foram o modelo padrão do software FDS (aqui denominado como GC1), e os modelos de gás cinza mais atuais: o GC2, no qual o coeficiente de absorção do meio participante é dado por relações polinomiais, e o GC3, sendo este um modelo de gás cinza que baseia o cálculo do coeficiente de absorção no modelo WSGG. Os novos modelos de gás cinza foram implementados no código fonte do software FDS, o qual é um código aberto, e a verificação da implementação foi realizada através da solução numérica do equacionamento utilizando os valores reportados pelo software. Com os novos modelos de gás cinza já corretamente implementados, passou-se então para a simulação computacional dos casos previamente selecionados. Para todos os modelos de gás cinza, foram simulados incêndios em poças, para diferentes combustíveis (etanol, n-heptano e metanol) em diferentes cenários de incêndio, considerando ou não a presença de fuligem no sistema. Os cenários de incêndio eram: (i) totalmente fechado, (ii) totalmente aberto e (iii) com uma condição intermediária, fechado, porém com uma abertura para o meio externo. Um estudo de análise de malha e de diferentes parâmetros, como o estudo da quantidade necessária de ângulos sólidos discretos, foram realizados para correta padronização dos parâmetros. As simulações computacionais foram validadas para o modelo de gás cinza padrão do FDS através da comparação de resultados com aqueles reportados na literatura específica de cada caso. Com os modelos já validados simulou-se novamente cada cenário de incêndio com os diferentes modelos de gás cinza anteriormente implementados. A partir da análise dos resultados obtiveram-se boas concordâncias para os campos de temperatura, frações molares tanto de CO2 quanto de H2O e para as frações volumétricas de fuligem. Os fluxos de calor radiativos foram corretamente preditos para todos os modelos de gás cinza implementados. O modelo GC2 apresentou resultados com desvios médios na faixa de 15%, o modelo de gás cinza baseado no WSGG (GC3) apresentou os melhores resultados, com erros médios inferiores a 10%, enquanto que o modelo padrão do software, GC1, apresentou resultados intermediários.

This work aims to implement and test updated gray gas models in the thermal radiation routine of the Fire Dynamics Simulator (FDS) software, as well as the use of the gray gas model available in the software to the prediction of radiative heat flux. The gray gas models studied were the default model of the FDS software (determined GC1), and the most current gray gas models: the GC2, in which the absorption coefficient of the participant medium is given by a polynomial relations, and the GC3, which is a gray gas model that was based on the calculation of the absorption coefficient in the WSGG model. The most recently gray gas models were implemented in the source code, which is an open source, and the verification of the implementation was performed by the numerical solution of the equations from the reported values of the software. With the new gray gas models already implemented, the next step was the computational simulation of the previously selected cases. For all the gray gas models, pool fires were simulated different scenarios of fire for different fuels (ethanol, nheptane and methanol), with and without considering soot presence in the system. The fire scenarios were: (i) fully closed, (ii) fully open and (iii) with an intermediate condition, closed but with an opening to the external environment. A study of a mesh analysis and different parameters, such as the study of the required amount of discrete solid angles, were performed to correct the standard parameters. The computational simulations were verified for the default gray gas model of the FDS by comparing the simulations results with those reported in the specific literature of each case. With the models already verified, each fire scenario was simulated with the different gray gas models previously implemented. From the analysis of the results, good agreements were obtained for the fields of temperature, molar fraction of CO2 and H2O and soot volume fraction. The radiative heat fluxes were correctly predicted for all gray gas models early implemented. The GC2 model present results with average deviation in the range of 15%, the gray gas model based on WSGG (GC3) presented the best results, with average deviation lower than 10%, while the default software model (GC1) presented intermediate results.