Gdy w 2000 roku oficjalnie zaprezentowano oprogramowanie FDS (Fire Dynamics Simulator) służył on głównie do modelowania rozwoju pożaru. Jego debiut był zwieńczeniem 30 lat pracy naukowców z NIST (National Institute of Standards and Technology).

Przez ostatnie 13 lat program Fire Dynamics Simulator stale ewoluował, pojawiały się nowe funkcje, a modele matematyczne były coraz bardziej dokładne. W grudniu 2013 r. ukazała się najnowsza, szósta już odsłona tego popularnego na całym świecie programu do modelowania symulacji CFD. Obecna wersja, poza symulacją samego pożaru i pracy systemów oddymiania, posiada również możliwość symulowania kompletnych instalacji HVAC. W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące modelowania tego rodzaju instalacji.

Możliwości

Poprzednia wersja programu pozwalała jedynie na częściowe uwzględnienie instalacji bytowych. Program bazował na warunkach brzegowych, zadawanych na końcowych elementach instalacji, tj. nawiewach i wywiewach. Możliwe było zadanie prędkości, bądź wydatku powietrza na kratkach, ale z pominięciem szeregu zagadnień hydraulicznych dotyczących przepływu powietrza w przewodach. Najnowsza wersja otwiera zatem możliwość weryfikacji nie tylko koncepcji, założeń koncepcyjnych (np. prędkości na nawiewach), ale również obliczeń hydraulicznych. Obecna wersja umożliwia modelownie kompletnych instalacji z uwzględnieniem zmiany średnic przewodów, chropowatości czy współczynników oporu liniowego i miejscowego. Dużym udogodnieniem jest również możliwość odwzorowania pełnej charakterystyki pracy wentylatora.

W poniższym przykładzie przedstawiono przykładowy proces weryfikacji pracy instalacji wentylacyjnej dla niewielkiego obiektu. Główny nacisk został położony na odpowiednią regulację przepływu za pomocą doboru odpowiednich współczynników oporu tak, aby wyrównać ciśnienie w instalacji.

Rys. 1. Model biblioteki z instalacja wentylacji mechanicznej wykonany w programie PyroSim (nakładka graficzna dla programu FDS)

Zagadnienia hydrauliczne

Instalacja została zwymiarowana ze względu na krotność wymian powietrza. Strumień powietrza nawiewanego wyniósł około 3000 m3/h. Wprowadzono również wstępnie oszacowane opory miejscowe i liniowe tak, aby doprowadzić do wyrównania ciśnienia w poszczególnych gałęziach instalacji. Efekt zaprezentowany został na rysunku 2.

Rys. 2. Rozkład prędkości powietrza nawiewanego po wstępnym doborze oporów miejscowych

Na rysunku tym widać, że strumień powietrza rozchodzi się nieregularnie. W najdalszych punktach instalacji obserwujemy zbyt mały strumień powietrza, co jest związane z nierównomiernym rozkładem ciśnienia w instalacji. Konieczne będzie zatem dokonanie szczegółowego doboru poszczególnych elementów, tak aby zbilansować wypływ powietrza z poszczególnych nawiewników. W FDS 6 mamy możliwość zdefiniowania oporów na każdym elemencie instalacji (m.in. kolana, trójniki, filtry).

Rys. 3. Rozkład powietrza nawiewanego po wyrównaniu ciśnienia w instalacji

Przyjmuje się, że maksymalny strumień powietrza emitowanego przez urządzenia nawiewne nie przekracza w tej części 0,2÷0,5 m/s. W związku z tym, wyniki symulacji pozwalają sądzić o dopuszczalności wprowadzenia takiego systemu wentylacji.

Wentylator

Przy omawianiu wentylacji należy wspomnieć również o charakterystyce wentylatora. W FDS 6 istnieje możliwość odwzorowania zależności ciśnienia od wydatku powietrza. Mamy tu do wyboru trzy opcje:

• stały przepływ – uproszczenie powodujące niezależność strumienia objętościowego od ciśnienia,
• kwadratowa – to również pewna uproszczona funkcja zakładająca, że ciśnienie jest proporcjonalne do kwadratu wartości strumienia objętościowego,
• niestandardowa – umożliwia pełne odwzorowanie realnej charakterystyki wentylatora. Aby ją zastosować należy odczytać z wykresu i wprowadzić odpowiednie zależności pomiędzy strumieniem objętościowym a przyrostem ciśnienia.

Rys. 4. Przykładowa charakterystyka wentylatora (Fire Dynamics Simulator User’s Guide 2013r.) odwzorowana w programie PyroSim

Podsumowanie

Zaimplementowany moduł HVAC pozwala na dużo dokładniejsze odwzorowanie instalacji bytowych (wentylacja, klimatyzacja, ogrzewanie) w porównaniu do poprzedniej wersji FDS. Wykonanie tego typu analizy symulacyjnej stanowi ciekawe rozwiązanie weryfikacyjne systemu już na etapie jego projektowania. Co za tym idzie, może być wykorzystywane jako bezpośrednie narzędzie wspomagające dobór urządzeń, obok klasycznych obliczeń i diagramów. Symulacja CFD okazuje się w tym miejscu doskonałym uzupełnieniem standardowych metod pracy nowoczesnego inżyniera.

Wojciech NOCULA