Influencia del modelo de turbulencia y del refinamiento de la discretización espacial en la exactitud de las simulaciones computacionales de incendios

Abstract

El tratamiento de la turbulencia es un problema complejo al que se han dedicado innumerables investigaciones debido a que afecta sensiblemente a la exactitud de los resultados, determinando el comportamiento del flujo de humos y gases y con ello, todo el proceso de propagación másica y energética del incendio. Igualmente el grado de refinamiento de la discretización espacial para la resolución de las ecuaciones de gobierno, afecta sensiblemente la exactitud de las simulaciones de incendios, con lo que la selección del tamaño óptimo de rejilla es uno de los problemas más importantes en el apropiado uso de estos modelos. Actualmente no existe ningún método para la selección de este tamaño, tomándose como única referencia la experiencia del usuario. El presente trabajo presenta los principales modelos de turbulencia empleados en la Simulación Computacional de Incendios haciendo énfasis en el Modelo ‘Large Eddy Simulation’, LES, empleado en ‘Fire Dynamics Simulator’, FDS, del NIST. Se analizará la influencia del tamaño del mallado y de los diferentes parámetros específicos del modelo LES de Smagorisky en los resultados obtenidos para lo cual se estudiará un salón de 4.6m x 5.2m x 2.4m con varios muebles y una puerta de 0.9m x 2m. Los resultados obtenidos muestran la importancia de una correcta selección de un tamaño de rejilla apropiado a la hora de tener unos resultados razonablemente buenos. Además se introducirá el empleo de una metodología para la selección del tamaño de rejilla en FDS y para el cálculo de los diferentes errores que acarrearía la selección de una u otra rejilla.

The treatment of turbulence is a complex problem and innumerable investigations have been dedicated to their study. The Turbulence Model considerably affects the exactitude of the results of Computational Fire Models: determines the behavior of the smoke and gas flow and includes all the spread process of mass and energy. Similarly, the degree of refinement of space discretization in the resolution of the government equations, whatever turbulence model used, affects sensibly the exactitude of the simulation results. The selection of the optimal grid size is one of the most important problems in the appropriate use of Computer Fire Models and, at the moment, only the user’s experience can help to select its value. The research work presents a discussion of the main turbulence models used in Computer Fire Models. The ‘Large Eddy Simulation’, LES, turbulence model used in ‘Fire Dynamics Simulator’, FDS, created by the NIST, is analyzed. The influence of the grid size and the different parameters of the LES Smagorisky Model in the results obtained are evaluated. So, a living room of 4.6m x 5.2m x 2.4m with several furniture and a door of 0.9m x 2m was studied. The results showed the importance of a correct selection of the grid size in the accuracy of the results. In addition, the use of a new methodology for the grid selection and the errors analysis of this grid in FDS Model are presented.