Numerical simulation of passive fire protection systems

Abstract

The current practice in fire testing of stone wool products is to study them in fire resistance tests. In these experiments a wool slab is installed against a furnace whose temperature follows a certain temperature curve, for example the one set by the standard ISO 834-1. These experiments consume time and resources, so a need exists for a simulation model describing behaviour of a wool during a fire test. Such model could be employed in fire modelling of larger entities and as a basis of fire risk analyses. The objective of this thesis is to form a numerical simulation model that is validated to be operational for several different types of wool.

MATLAB R2017a and Fire Dynamics Simulator 6.5.3 (FDS) were utilized as simulation tools. Both thermal conductivity models, the one built into MATLAB and the one already existing in FDS are based on transient heat transfer equation. In this work thermal properties and reaction parameters of wool were solved. Thermal properties were found out from literature and implemented as such, comparing to possible experimental measurements. Reaction parameters were solved thermoanalytically and were fitted in model along with the cold side convective heat transfer to correspond to experimental results. To model small scale fire tests, a one-dimensional model was built in both MATLAB and FDS. A two-dimensional model to describe large scale fire tests was built in FDS utilizing its three-dimensional thermal conductivity solver, still in beta phase.

It was concluded that it is not possible to obtain a valid one-dimensional model for all types of wool without extensive further research. In wools with low densities and combustible fractions, the fit of simulation was on a satisfactory level, but with wools that are dense or rich in binder or oil, the fitting was more problematic. One of the most significant reasons for this is probably the erroneous assumption on readily available oxygen inside wool for combustion over the whole test and uncertainties in the fitted radiative component of thermal conductivity.

The two-dimensional model was left defective due to incompleteness of the three-dimensional thermal conductivity solver. The FDS pyrolysis module is not yet coupled to the three-dimensional solver, thus disabling the opportunity to model reactions. In addition, heat transfer from gaseous to solid phase was judged to be impossible to model in the current version of the three-dimensional model.

Kivivillatuotteiden palotestauksen nykykäytäntö on testaaminen polttokokeissa. Kokeissa villalevy asetetaan vasten uunia, jonka palotila noudattaa määriteltyä lämpötilakäyrää, esimerkiksi ISO 834-1 -standardin mukaista. Kokeet vievät kuitenkin aikaa ja resursseja, joten tarve villan käyttäytymistä polttokokeen aikana kuvaavalle simulaatiomallille on ilmeinen. Kyseisenlaista mallia voidaan käyttää laajempien kokonaisuuksien tulipalomallinnusten ja riskianalyysien perustana. Työn tavoitteena on muodostaa numeerinen simulaatiomalli, joka on validoitu toimimaan suurelle joukolle erilaisia villoja.

Mallinnuksen työkaluina olivat MATLAB R2017a ja Fire Dynamics Simulator 6.5.3 (FDS). Sekä MATLABiin rakennettu ja FDS:n olemassa ollut lämmönjohtavuusmalli perustuvat aikariippuvaiseen lämmönsiirtoyhtälöön. Työssä selvitettiin kivivillan termiset ominaisuudet ja reaktioparametrit. Termiset ominaisuudet selvitettiin kirjallisuudesta ja implementoitiin sellaisenaan, verraten mahdollisiin kokeellisiin mittauksiin. Reaktioparametrit selvitettiin termoanalyyttisesti ja sovitettiin malliin kylmän puolen konvektiolämmönsiirron kanssa vastaamaan kokeellisia tuloksia. Pienen mittakaavan polttokoetta kuvaamaan kehitettiin erilliset yksiulotteiset mallit sekä MATLABilla että FDS:llä. Suuren mittakaavan polttokokeita mallintava kaksiulotteinen malli tehtiin FDS:llä sen betatestausvaiheessa olevalla kolmiulotteisella lämmönjohtavuusratkaisijalla.

Lopputuloksena todettiin, että validia yksiulotteista simulaatiomallia kaikille eri villatyypeille ei ole mahdollista saada aikaan ilman laajoja jatkotutkimuksia. Matalan tiheyden ja syttyvän aineen pitoisuuden villoilla mallien sopivuus oli tyydyttävällä tasolla, mutta tiheiden ja paljon sideainetta tai öljyä sisältävien villojen sopivuus oli ongelmallisempi. Merkittävimpiä syitä on todennäköisesti virheellinen olettama hapen riittävyydestä villan sisäisissä palamisreaktioissa koko polttokokeen ajaksi ja epävarmuus kokeellisiin mittauksiin sovitetussa lämmönjohtavuuden säteilykomponentissa.

Kaksiulotteinen malli jäi puutteelliseksi betavaiheessa olevan kolmiulotteisen lämmönjohtavuusratkaisijan keskeneräisyyden vuoksi. FDS:n pyrolyysimoduuli ei ole kytketty kolmiulotteiseen ratkaisijaan, mikä tekee reaktioden mallintamisen mahdottomaksi. Lisäksi lämmönsiirto kaasusta kiinteään faasiin todettiin mahdottomaksi mallintaa nykyisessä kolmiulotteisessa mallissa.