Understanding fire spread, its influence on structures and fire intervention tactics through computational methods

Abstract

Fire accidents and experiments in large compartments show that fires tend to spread across the compartment depending on the fuel and ventilation availability, and these fires are being called travelling fires. Understanding travelling fires would require several large-scale experiments, which are not always possible due to restrictions on the outlay, time and the number of parameters that can be investigated. This thesis provides a reliable and robust computational fluid dynamics (CFD) -based simulation methodology to support and complement the experimental and analytical works. Additionally, the thesis provides simulation methodologies to explore the fire-structure interaction, and to evaluate the efficiency of fire intervention tactics. Simulating fire spread in large-scale compartments is computationally intensive due to the large domain sizes and the resolution needed to model the fuel surfaces. The use of grids coarser than the length scale of the fuel surfaces reduces computational effort but leads to erroneous burning behaviour. A correction factor that compensates for the underpredicted fuel surface area was introduced to facilitate the use of coarse grids. Fuel and ventilation dependent fire prediction capability was included using a single -step pyrolysis model based on the chemical kinetics of pine wood and was used along with the ignition -temperature model. The results show that using the correction factor in coarse grid simulations produces accurate heat release rate predictions with a six-fold reduction in computation time. In the fire spread simulations, a travelling fire with steadily propagating leading and trailing front was observed only when the ceiling height was high (6 m). In other cases, a rapid, flashover -like spreading occurred, followed by semi-steady combustion at the opening and eventually, a ventilation and fuel burnout dependent travelling fire was observed. This implies that a strong heat feedback to the fuel can produce a rapid fire spread to the opening even in large compartments. The coupled CFD-Finite Element (FE) analysis method was validated using experiments and the method captured the observed deformation modes and local buckling. The results of the coupled CFD-FE analysis of a steel truss exposed to two fire spread scenarios highlight the influence of fire spread direction, fire load and opening arrangement on the structural response. Finally, fire intervention using firefighting water sprays was simulated to investigate the efficacy of the structural cooling tactic. The experimental results of the water sprays cooling a fire-exposed steel beam show that a period of 10–15 s was sufficient to reduce the temperature of the steel beam by 300 – 400 oC. The simulation results indicate that the efficacy of the tactic mainly depends on the availability of resources; and attempting a fire intervention with too few resources may accelerate fire spread as the water evaporation enhances the turbulence inside the compartment, which moves the hot gases toward the unburned fuel.

Suurissa huonetiloissa sattuneet tulipalot ja palokokeet ovat osoittaneet, että tulipalot etenevät polttoaineen ja ilmansaannin määrääminä. Tällaisia paloja kutsutaan vaeltaviksi paloiksi. Niiden kokeellinen tutkiminen edellyttäisi useita suuren mittakaavan kokeita, mutta korkeat kustannukset, kokeiden vaatima aika sekä tutkittavissa olevien parametrien rajallisuus rajoittavat kokeilla saavutettavia tuloksia. Tässä työssä esitetään luotettava ja varma, laskennalliseen virtausdynamiikkaan perustuva menettely, jolla voidaan täydentää vaeltavien palojen kokeellista ja analyyttistä tietämystä. Simulointimenetelmällä voidaan lisäksi tutkia palon ja rakenteiden vuorovaikutusta ja arvioida sammutustaktiikoita.Suuressa tilassa tapahtuvan palon leviämisen simulointi on laskennallisesti raskasta, koska polttoainepinnan kuvaus edellyttää hienojakoista mallia, vaikka mallinnettavan tilan koko on suuri. Laskentaverkon harventaminen pienentää laskentatehtävää mutta johtaa palon virheelliseen kuvaukseen. Työssä kehitettiin polttoaineen pinta-alan korjauskerroin, jonka avulla laskenta onnistuu myös harvemmilla laskentaverkoilla. Palon etenemistä simuloitiin mallintamalla palon alkuvaihe syttymislämpötilamallilla ja leviämisvaihe yhden reaktion pyrolyysimallilla. Kaskenta-aika saatiin korjauskertoimen avulla lyhenemään kuudesosaan ennustettujen palotehojen tarkkuuden kärsimättä. Vaeltava palo, missä syttymis- ja sammumisrintamat etenivät tasaisella vauhdilla samaan suuntaan, havaittiin näissä simuloinneissa vain, kun tila katto oli riittävän korkealla. Useimmissa simuloiduissa tilanteissa palo eteni nopeasti lieskahtamalla, minkä jälkeen se vakiintui tilan aukon läheisyyteen, ja lähti lopulta vaeltamaan kohti huoneen sisäosia, kun polttoaine kului paikallisesti loppuun. Voimakas polttoaineeseen kohdistuva lämpövirta voi siis johtaa lieskahdukseen suurissakin tiloissa. Toisiinsa kytkettyjä virtauslaskenta- ja elementtimenetelmämalleja hyödyntävän laskentamenetelmän kyky ennustaa teräsrakenteen muodonmuutokset ja paikallinen lommahdus validoitiin koetulosten avulla. Soveltavilla, todenmukaisen ristikkorakenteen simuloinneilla tutkittiin palon leviämissuunnan, palokuorman ja ilma-aukkojen vaikutusta. Lopuksi simuloitiin palokunnan sammutussuihkujen toimintaa ja tutkittiin rakenteen jäähdytykseen perustuvan taktiikan tehokkuutta. Jäähdytyskokeessa järeä sammutussuihku alensi teräspalkin lämpötilaa 300 – 400 asteella varsin nopeasti, 10–15 sekunnissa. Simulointien perusteella jäähdytystaktiikan teho käytännön tilanteessa riippuu käytettävissä olevien suihkujen ja sammutusveden määrästä. Liian vähillä resursseilla aloitettu jäähdytys voi johtaa palon kiihtymiseen, kun vesihöyryn muodostuminen lisää tilan sisäistä turbulenssia ja johtaa kuumia palokaasuja kohti palamatonta aluetta.