fdsrun

Rozmiar komórki w FDS: D*/δx i analiza wrażliwości siatki

Redakcja fdsrun · · 6 min czytania

Jak dobrać rozmiar komórki w FDS: średnica charakterystyczna pożaru D*, wskaźnik D*/δx, komórki sześcienne i sprawdzenie zbieżności siatki.

„Jaką wielkość komórki przyjąć?” — to najczęstsze pytanie początkujących użytkowników FDS. Dokumentacja NIST odpowiada uczciwie: to zależy od celu obliczeń. Zalecana droga to zacząć od stosunkowo grubej siatki i zagęszczać ją, dopóki wyniki przestaną się istotnie zmieniać — czyli wykonać analizę wrażliwości siatki (FDS User Guide, rozdz. 6.3.6). Poniżej narzędzia, które pozwalają zrobić to rozsądnie.

Średnica charakterystyczna pożaru D*

Dla pióropuszy wypornościowych miarą rozdzielczości jest bezwymiarowy stosunek D*/δx, gdzie δx to nominalny rozmiar komórki, a D* to średnica charakterystyczna pożaru:

D* = ( Q / (ρ∞ · cp · T∞ · √g) )^(2/5)

Q to moc pożaru (HRR), ρ∞ ≈ 1,2 kg/m³, cp ≈ 1,0 kJ/(kg·K), T∞ ≈ 293 K, g = 9,81 m/s². D*/δx można czytać jako liczbę komórek mieszczących się na charakterystycznej średnicy pożaru — im więcej, tym lepiej rozdzielczo odwzorowana jest dynamika ognia. Jeśli moc pożaru zmienia się w czasie, zmienia się też rozdzielczość.

Moc pożaru QD*δx dla D*/δx = 4δx dla D*/δx = 10δx dla D*/δx = 16
100 kW0,38 m9,5 cm3,8 cm2,4 cm
500 kW0,73 m18 cm7,3 cm4,5 cm
1 MW0,96 m24 cm9,6 cm6,0 cm
2,5 MW1,38 m35 cm14 cm8,6 cm
5 MW1,83 m46 cm18 cm11 cm

Czy jest „bezpieczna” wartość D*/δx?

W praktyce inżynierskiej często przywołuje się zakres 4–16 (stosowany m.in. w raporcie walidacyjnym US NRC NUREG-1824). Warto jednak pamiętać o zastrzeżeniu NIST: w przypadkach walidacyjnych FDS wartości D*/δx obejmują dwa rzędy wielkości i były dobierane z analiz siatki dla konkretnych scenariuszy, więc traktowanie którejkolwiek z nich jako uniwersalnego minimum jest niewłaściwe. Komórka 10 cm może wystarczyć do oceny rozprzestrzeniania się dymu z dużego pożaru w budynku, ale nie do małego, tlącego się źródła.

Kształt komórek i styki siatek

Koszt rozdzielczości

Zmniejszenie komórki o połowę to ok. 8 razy więcej komórek i ok. 2 razy mniejszy krok czasowy — razem około 16 razy dłuższe obliczenia (szczegóły w poradniku ile trwa symulacja FDS). Dlatego dobry model ma drobną siatkę tylko tam, gdzie trzeba: w otoczeniu źródła pożaru i w strefach, w których oceniasz warunki (np. drogi ewakuacyjne), a dalej siatki grubsze.

Jak przeprowadzić analizę wrażliwości siatki

  1. Przygotuj trzy warianty: gruby, bazowy i drobny (np. 20, 10 i 5 cm w strefie pożaru).
  2. Wybierz wielkości, na których opierasz wnioski: temperatury i widzialność na czujnikach, wysokość warstwy dymu, przepływy przez otwory, HRR.
  3. Porównaj przebiegi. Jeśli przejście z wariantu bazowego na drobny nie zmienia wyników w stopniu istotnym dla oceny — rozdzielczość bazowa jest wystarczająca.

Warianty są niezależne, więc najszybciej policzyć je równolegle — w fdsrun każdy wariant startuje na osobnym serwerze, a przed startem widzisz prognozowany czas i koszt każdego z nich.

Inne poradniki

Źródła: FDS User Guide (NIST SP 1019), rozdz. 6.3.1, 6.3.4, 6.3.6; FDS Validation Guide (NIST SP 1018), rozdz. 3 i 6.1; US NRC NUREG-1824. FDS i Smokeview to oprogramowanie National Institute of Standards and Technology; NIST nie jest powiązany z fdsrun.

Na pewno?